复合型气相缓蚀剂的电力设备大气腐蚀防护研究

吴 迪，潘建乔，徐 克，张 炜，胡泽友

（1.国网浙江平湖市供电有限公司，浙江平湖314200；2.浙江工业大学化学工程学院，杭州310014）

电力行业有大量的电力电子设备，其中很多设备需要长时间放置在室外大气环境，反复经历高温高湿的使用环境，使设备的外壳和内部电子设施容易老化腐蚀，缩短设备的使用年。材料的腐蚀也使得设备故障频发，给国家造成巨大的经济损失，急需有效的防腐措施[1-2]。

然而，很多电力系统设施内部构成复杂，各种电路共存于一个狭小的空间，金属材料种类繁多，一般的防腐措施很难在不影响设备正常使用的前提下提供良好的防护效果[3-4]。气相缓蚀剂能通过挥发气至金属材料表面，吸附在金属表面形成稳定的保护膜，从而抑制腐蚀反应的发生，不受被保护物体实际形状和大小的影响[5-10]。将缓蚀剂添加至金属涂层也能提高涂层的保护性能，延长涂层使用寿命[11-12]。在化工、基建、航空、机械和军事等领域具有广泛的应用[13]。

当前常用的气相缓蚀剂有亚硝酸盐缓蚀剂、磷酸盐缓蚀剂、苯并三氮唑与乌洛托品等[14]。亚硝酸盐对生物体有不利影响，磷酸盐也因为致使河流和湖泊富营养化而被限制使用[15]。目前研制环保低毒的通用型气相缓蚀剂已成为近年来气相缓蚀剂的主要发展趋势[13,16]。

为了应对电力设备在室外高温高湿环境中易腐蚀的难题，开发了一种气相缓蚀剂。

1 实验部分

1.1 气相缓蚀剂

所研究的缓蚀剂为复配型缓蚀剂，由一种甲基咪唑类衍生物与苯并三氮唑按一定比例混合的复配物。在盐雾实验中，先将该复合缓蚀剂负载在纳米硅胶粉体上，再掺入相应的涂层中。

1.2 模拟环境腐蚀挂片

将A3 钢、铝、紫铜和黄铜4 种金属依次用280#、660#、3000#砂纸打磨光亮，浸泡于丙酮中超声振荡10 min，然后用蒸馏水洗涤，氮气吹干备用。将4 个1 L 广口瓶，分别倒入40 mL 市政自来水，2个放入25 mL小烧杯，烧杯内装入0.5 g缓蚀剂，另外2个作为空白对照组。广口瓶底部为质量分数5%的NaCl的溶液，金属片用尼龙绳挂起，悬挂于溶液上方，尾端做好标记，瓶口密封。实验采用强化方式，即挂片条件为12 h室温，12 h水浴加热50 ℃，记录试样表面腐蚀现象。

测试结束后，取出试样并按GB/T 16545－2015 中的化学清洗方法（钢、紫铜及黄铜、铝分别选用C.3.1、C.2.2 和C.1.1 的清洗方法）去除腐蚀产物，后用无水乙醇和蒸馏水清洗，氮气吹干，称量，通过失量计算缓蚀率[17]。

1.3 盐雾实验

A3 钢表面涂覆涂层，其中一个涂层添加缓蚀剂，另一个为普通涂层。参考ISO 9227-2017，使用盐雾实验机进行加速腐蚀测试，测试周期为24 h，其中8 h 喷雾，16 h 不喷雾[18]。溶液NaCl 的质量分数为5%，pH 为6.4，工作室温度35 ℃，饱和压力桶温度47 ℃，盐雾沉降量为1.0～2.0 mL/(80 cm3·h)。

测试结束后拍照记录表面宏观形态，采用场发射扫描电镜（SEM）观察微观表面形态，使用能谱仪（EDS）分析试样表面腐蚀物。

1.4 电化学测试

采用CHI660C 工作站进行电化学测试，研究含缓蚀剂和不含缓蚀剂的环境中挂片试样的表面腐蚀行为。工作电极为挂片实验后的5种金属试片（裸露面积为1 cm2），铂电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极。电化学极化曲线在质量分数5%的NaCl 电解质溶液中测试，扫描速率0.05 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀挂片

图1 4种金属在有缓蚀剂时挂片5 d后的形貌Fig 1 The surface morphology of four kinds of metals with corrosion inhibitor after 5 d testing

由图1和图2可知，A3钢在无缓蚀剂环境中腐蚀严重，表面整体呈棕黄色，生成大量的3价铁腐蚀物；而有缓蚀剂保护环境中，试片仅中间部位由于液膜层被水蒸气聚集成流冲刷而成条状腐蚀带，其余区域只有少量的点状腐蚀，腐蚀产物相对较少。对于紫铜来说，无缓蚀剂环境中试片表面色泽变化明显，试片整体呈暗黑色，且腐蚀后表面有大片腐蚀产物发生脱落；缓蚀剂环境下的试片整体腐蚀程度较轻，颜色略微变暗，腐蚀产物少且无黑色腐蚀产物。对于黄铜来说，无缓蚀剂环境下的金属表面基本被腐蚀产物覆盖，腐蚀产物有较大范围脱落；有缓蚀剂环境下的试片整体腐蚀程度较轻，只有少部分腐蚀产物脱落。对于铝片来说，2种环境中的试片腐蚀程度均比较轻微，宏观差异不明显。

图2 4种金属无缓蚀剂挂片5 d后的形貌Fig 2 The surface morphology of four kinds of metals without corrosion inhibitor after 5 d testing

表1是4种金属在2种环境中挂片5 d后的失量数据。

表1 不同条件下各金属的失重及缓蚀效率Tab 1 Weight loss of various metals and inhibition efficiency under different conditions

由表1 可知，黄铜试片和A3 钢试片的缓蚀效果最好；铝的缓蚀率相差不明显，这可能与铝具有良好的自钝性能有关。表明缓蚀剂的存在能明显减缓金属腐蚀速率和腐蚀程度。这与图1不同条件下金属表面宏观形态的结果相一致。

2.2 挂片后试样的电化学分析

图3～图5是A3钢、紫铜和黄铜在2种环境中挂片3 d 后的极化曲线，表2 是由图2 中极化曲线所得的3种金属的自腐蚀电位和腐蚀电流密度。

由图3～图5 和表2 可知，尽管三种金属在两种环境中的Tafel 曲线自腐蚀电位(Ecorr)非常相近，但有缓蚀剂环境中的腐蚀电流密度（i）却明显小于无缓蚀剂环境的腐蚀电流密度，其中A3钢、黄铜、紫铜的腐蚀电流密度比无缓蚀剂环境分别降低了0.597、4.14×10-3、5.30×10-3mA/cm2。从极化曲线图还可看出，该缓蚀剂对于A3 钢、黄铜和紫铜都属于混合型缓蚀剂，缓蚀剂挥发至金属表面成膜能够同时增大腐蚀电化学反应的阴极极化和阳极极化，从而大幅减小金属试片的腐蚀电流密度即明显减缓腐蚀速率和腐蚀程度。

图3 A3钢挂片3 d后的极化曲线Fig 3 Polarization curves of A3 steel after 3 d

图4 紫铜挂片3 d后的极化曲线Fig 4 Polarization curves of copper after 3 d

图5 黄铜挂片3 d后的极化曲线Fig 5 Polarization curves of brass after 3 d

表2 3种金属挂片3 d后的腐蚀电流和腐蚀电位Tab 2 Corrosin Current and corrosion potential of three kinds of metals after 3 d

2.3 盐雾挂片

以A3 钢为例，研究缓蚀剂复合于涂层中对金属基体的保护作用。图6 是A3 钢涂层试样盐雾实验27 d后的宏观形貌。

图6 A3钢涂层盐雾实验27 d后宏观形貌Fig.6 The macroscopic morphology of A3 steel coating's salt-spray test

由图6可知，普通涂层整个试片表面发生了不同程度的腐蚀，涂层破损，色泽也发生明显变化，在挂孔、试样边缘腐蚀尤为严重。而涂覆缓蚀剂+涂层的试片整体腐蚀轻微，涂层色泽鲜亮，仅在上部小范围有轻微腐蚀，说明在涂层中添加缓蚀剂能够配合涂层对金属基底起到联合保护作用，提高金属使用寿命。

图7 是A3 钢涂层盐雾实验27 d 后的试样SEM表面微观形貌。

图7 A3钢涂层盐雾实验27 d的SEM形貌Fig.7 SEM micrograph of A3 steel coating

由图5可知，有缓蚀剂涂层的试片表面较为平整，未发现明显腐蚀；而无缓蚀剂涂层试片则腐蚀明显，主要发生在涂覆层薄弱区域、破损区域。此类区域由于失去涂层保护，裸露出金属基体，与周围形成了大阴极小阳极的腐蚀电池，从而加速了裸露部位的腐蚀。

综上，涂层中复合少量缓蚀剂是改善涂层保护作用、防止局部腐蚀的一个有效手段。

2.4 盐雾实验试片的EDS分析

表3 是A3 钢2 种涂层盐雾实验后金属表面EDS分析结果。

表3 A3钢2种涂层盐雾实验后EDS分析结果Table 3 EDS results for two coatings on A3 steel after salt spray testing

C、Si、Ti 是金属涂层的成分，Fe 和部分O 来自于基体金属的腐蚀。由表3 可知，有缓蚀剂涂层的试片Fe 元素含量极低，说明腐蚀极其微弱；对于无缓蚀剂涂层，铁含量较高，发生了明显腐蚀。这也进一步说明单一涂层不能起到很好的保护作用，缓蚀剂的加入对涂层保护具有积极的作用。

3 结 论

复合型气相缓蚀剂可挥发至钢、紫铜、黄铜等金属表面形成保护膜，同时提高腐蚀体系的阴极极化和阳极极化。在模拟高湿环境中的测试表明，复合型气相缓蚀剂对钢、紫铜和黄铜的缓蚀效率可达71.86%、44.12%和78.13%，适用于电力行业相关金属材料的保护。

缓蚀剂添加到涂层中能对金属基体起到联合保护作用，盐雾实验结果表明，添加缓蚀剂后涂层的防护性能得到显著提高，缓蚀率可达98.3%，具有良好的应用前景。