镀锌钢在多种典型土壤环境中的腐蚀行为

2018-06-12,,

腐蚀与防护 2018年5期

(1. 北京科技大学新材料技术研究院，海淀 100083; 2. 河北工程大学材料科学与工程学院，邯郸 056038)

接地网是连接电力设备的关键部件，是保证变电站和电网安全运行的重要组成部分。由于接地网埋在地下，土壤中大量存在的矿物质、水分气体及微生物等复杂成分不可避免与其表面发生相互作用而引发金属腐蚀，从而对电力系统产生严重影响。近年来，随着电站容量的增加，接地网的腐蚀问题更加突出。接地装置腐蚀会导致接地极的有效面积减小,不能达到排流效果,在遭受雷电或短路时,会破坏电气设备,并引发火灾，因接地网腐蚀断裂导致电力系统不能正常运行的例子屡见不鲜，给国家带来了巨大的经济损失和资源浪费[1-4]。因此，了解接地目前，我国接地网材料多采用镀锌钢，而国内外关于镀锌钢腐蚀的研究还明显不足,关于镀锌钢在土壤环境中腐蚀行为的研究更是屈指可数[4-5]。虽已有部分研究对比了镀锌钢与其他材料的腐蚀速率，并提出了镀锌钢发生电化学腐蚀的过程，但镀锌钢在土壤环境中的腐蚀机理尚未完全明了。

现场试验是研究材料土壤腐蚀最可靠的方法[6-8]，能够获得最原始的资料，为掌握镀锌钢在典型土壤环境中的腐蚀行为及其变化规律，在鹰潭(酸性)、北京(近中性)和库尔勒(碱性)地区对镀锌钢进行了现场埋片试验。

本工作通过现场试验，研究了镀锌钢接地网材料在三种典型土壤环境中的腐蚀行为，并探讨了土壤类型对镀锌钢接地网材料腐蚀行为的影响规律。

1 试验

试验材料为热镀锌Q235钢，镀锌层厚度为80～120 μm。现场埋片的尺寸为100 mm×75 mm×3 mm。试样表面经酒精擦洗，冷风吹干，称量。埋片的边缘用704胶进行涂封，涂封处干燥后测量试样的裸露面积。

现场试验地点分别为江西鹰潭、北京阳坊和新疆库尔勒地区，现场试验土壤埋设深度为1 m，土壤的理化性质见表1。埋片前坑底先回填10 cm厚细软土，在厚细软土上均匀间隔竖直放置试片，试片间距约30 cm。回填时按挖出的土层顺序逆向回填，逐层夯实至回填土的厚度与密实度和原土相同。每种土壤埋设4片平行试样，3片试样用于测试腐蚀质量损失，1片试样用于腐蚀产物层分析。镀锌钢在土壤环境中的埋设周期为1 a。

表1 土壤的理化性质Tab. 1 The physical and chemical properties of the soils

采用数码照相机及Quanta250型扫描电镜(SEM)对清除腐蚀产物前后的埋片进行观察，记录其腐蚀形貌；通过失重法计算镀锌钢的平均腐蚀速率；采用X射线衍射(XRD)对其锈层成分进行分析。

清洗腐蚀产物按照相关标准进行[7]，即用刀片将试片四周的硅胶封边去除后，采用除锈液(200 g三氧化铬+1 000 g蒸馏水)在超声波中超声1 min将试样表面的腐蚀产物去除，在除锈的同时加入一个未腐蚀空白试样。将除锈后的试样先用蒸馏水清洗，再用酒精清洗，吹风机吹干后放入干燥器中，24 h后称量，精确至0.01 mg，按式(1)计算腐蚀速率。

(1)

式中：v为腐蚀速率(g·cm-2·a-1)，m1去除腐蚀产物后试样的质量(g)，m0为试样的原始质量(g)，Δm为空白试样的质量损失，S为试样的面积(cm2)，t为试验时间(a)。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀形貌

由图1可见：镀锌钢在三种土壤中埋设1 a后，其腐蚀特征为非均匀的全面腐蚀，表面有灰白色的腐蚀产物，未出现明显的红锈，说明在这三种典型土壤环境中,镀锌钢基底Q235钢均未发生腐蚀，镀锌层对Q235钢的防护性能较好。镀锌钢在鹰潭土壤中腐蚀最为严重，整个试样表面基本布满了腐蚀产物，产物层较厚；其在库尔勒环境中的腐蚀次之，表面分布着白色腐蚀产物，局部可看到光亮的镀锌层；在北京土壤环境中，镀锌钢腐蚀最为轻微，表面分布少量白色产物，较多的光亮镀锌层未发生腐蚀。

由图2可见：镀锌钢在鹰潭土壤环境中埋设1 a后腐蚀最为严重，产生了较深的腐蚀坑；在库尔勒土壤环境中的次之，产生了一定深度的腐蚀坑；而在北京土壤环境中埋设1 a后，试样表面未形成明显的腐蚀坑，腐蚀轻微且较为均匀。

(a) 鹰潭 (b) 北京 (c) 库尔勒图1 试样在三种土壤中埋设1 a后的表面宏观形貌Fig. 1 Macro morphology of samples after immersion in three kinds of soil for 1 a：(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

(a) 鹰潭 (b) 北京 (c) 库尔勒图2 试样在三种土壤中埋设1 a后的表面微观形貌(去除腐蚀产物)Fig. 2 Micro morphology of samples after immersion in three kinds of soil for 1 a (after removing corrosion products)：(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

2.2 腐蚀速率

由图3可见：试样在鹰潭土壤环境中的腐蚀最为严重，腐蚀速率为1.009 g/(dm2·a)。这可能是由于鹰潭土壤属于酸性土壤，在强酸性条件下，氢的阴极去极化过程强化了整个腐蚀过程。其在库尔勒土壤环境中的腐蚀次之，腐蚀速率为0.280 g/(dm2·a)。这是由于库尔勒土壤属于碱性土，土壤中氯离子的含量较高，这在一定程度上加速了镀锌层的腐蚀。当Cl-存在时，Cl-与Zn(OH)2中的Zn2+结合形成可溶性的盐，削弱了表面的保护性。而腐蚀最为轻微的是在北京阳坊土壤环境中的试样，其腐蚀速率仅为0.158 g/(dm2·a)。

2.3 腐蚀产物

由图4可见：试样表面的腐蚀产物主要为ZnO、Zn(OH)2和Zn5(CO3)2(OH)6。但在不同土壤中略有不同。鹰潭土壤环境中，可溶性盐含量很低，氯离子、硫酸根离子也很低，不利于Zn5(CO3)2(OH)6向别的腐蚀产物转化。而库尔勒土壤中氯离子含量较高，因而产生了碱性氯化锌[Zn5(OH)8Cl2·H2O]。试样在北京土壤中腐蚀较为轻微，在金属表面分散着少量的腐蚀产物，因此XRD图谱中还有Zn的峰。

图3 试样在三种土壤中的腐蚀速率Fig. 3 Corrosion rates of samples in three kinds of soil

镀锌钢发生电化学腐蚀一般经过以下四个步骤：(1) 镀锌层完整地覆盖于整个钢基体，镀层发生腐蚀：(2) 镀层发生部分破坏，锌作为牺牲阳极对钢基体提供阴极保护：(3) 镀锌层全部破坏，钢基体开始腐蚀，锌的腐蚀产物抑制腐蚀过程：(4) 钢基体发生快速腐蚀。由镀锌钢在鹰潭、库尔勒、北京三种土壤中腐蚀1 a后锈层的形貌观察及产物成分分析得知，基底Q235钢均未遭受腐蚀，腐蚀过程主要为镀锌层的腐蚀。暴露在土壤中的锌镀层很容易发生电化学腐蚀，其在阳极区域溶解的同时，土壤中的O2或H+则在阴极区域被还原。

(a) 鹰潭 (b) 北京 (c) 库尔勒图4 试样在三种土壤中腐蚀产物的XRD图谱Fig. 4 XRD patterns of corrosion products of samples in three kinds of soil:(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

鹰潭酸性土壤材料腐蚀试验站位于江西省余江县刘家站中国科学院红壤生态试验站内，东南接浙江、福建，西南接湖南、广东，处于红壤系列土壤分布区域的腹地，土壤类型为红壤，pH为5.4，含盐量0.011 0%，含水量21.4%，电导率0.07 mS/cm，平均温度17.6 ℃。因为鹰潭土壤属于酸性土壤，在强酸性条件下，氢的阴极去极化过程强化了整个腐蚀过程，因此热浸锌在鹰潭土壤中腐蚀最为严重。

北京地处东南湿润半湿润地区与西北干旱半干旱地区的交壤地带，属于典型的中性土壤。较低的含盐量和含水量及近中性pH使得镀锌钢腐蚀程度在三种土壤环境中最为轻微。

库尔勒土壤站位于新疆库尔勒市，东经86°16′，北纬41°21′，海拔884.9 m，土壤类型为戈壁荒漠土，pH 8.95，含盐量0.62%，含水量3.98%，电导率2.0 mS/cm。虽然库尔勒站含水量低，但其含盐量较高，因此热浸锌在库尔勒土壤环境中腐蚀较为严重。