牺牲阳极性金属覆盖层耐腐蚀性能快速检测技术研究

纪方雄，涂苏格，陆 磊，陈 晨，陈 洁

（国网湖北送变电工程有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

当前使用最为广泛的防腐蚀措施是采用金属覆盖层保护和有机涂层保护。各种防腐蚀涂层在服役的过程中由于腐蚀老化，性能会逐渐丧失，失去保护作用。如何快速评价防腐蚀防护层的耐蚀性，预测防腐蚀体系在服役中的使用寿命，为输变电系统构件维护周期的确定提供依据，是目前急需解决的共性技术难题［1-3］。为此，根据输变电系统构件的使用环境，和防腐蚀体系的类别，研究了各类防腐蚀体系的耐腐蚀性能并对其耐蚀性快速做出评价，预测其使用寿命，确定其最佳维修期［4-6］。

大气腐蚀试验相关性研究主要是对户外大气环境下暴露腐蚀试验和室内加速腐蚀试验结果进行对比，通过定性分析和定量分析评定其相关性，以期找到可以推测材料产品在实际使用环境的耐蚀性寿命，指导设备维修周期的制定［7-9］。定性分析主要是对试验后金属腐蚀形貌及腐蚀产物和金属腐蚀过程的腐蚀机理进行分析，通常有图表分析和腐蚀机理对比分析两种。定量分析主要是从腐蚀动力学角度出发，通过回归分析、秩相关系数或灰色关联度等分析其相关性。对于不同的试验方法、设备、材料、暴露试验地点及其环境类型，室内外腐蚀试验具有不同的相关性，为此，也给相关性研究带来了一个巨大的难题，进而阻碍了相关性研究成果的广泛推广和应用。当前大气腐蚀试验具有广泛性的相关性研究结果还并不理想，这主要是由于各地区大气成分、含量、干湿状态及污染程度千差万别，单一因素和多因素复合作用于材料的大气腐蚀机理目前还不十分清楚，且随着时间推移而变化，导致材料在大气环境下的腐蚀行为规律及腐蚀机理异常复杂，这也是当前大气腐蚀试验相关性研究的难点所在。

1 牺牲阳极性金属覆盖层耐腐蚀性能快速检测试验方案

当前，广泛使用的防腐措施是采用金属涂镀层保护和有机涂层保护。其中金属镀层包括阴极镀层和牺牲阳极镀层，牺牲阳极镀层兼具有牺牲阳极保护和屏蔽隔离双重保护作用，在海洋工程、航空航天、电力机械等行业中应用广泛［10-12］。本文以热浸镀锌层、渗锌层2 种金属覆盖层为研究对象，针对牺牲阳极性金属覆盖层采用复合循环加速腐蚀试验技术，通过室内外腐蚀试验相关性建立一种快速检测与评价方法。

热浸镀锌层和渗锌层均为牺牲阳极性金属镀层，锌镀层作为阳极为基材碳钢提供阴极保护和屏蔽隔离双重保护作用。在大气环境中，牺牲阳极性镀层由于腐蚀而减薄，直至金属基材暴露而失去保护作用［13-15］。针对牺牲阳极性镀层厚度随腐蚀减薄而失去保护作用的特点，本文对热浸镀锌层和渗锌层进行户外大气腐蚀和室内加速腐蚀试验方法研究，开展室内加速腐蚀试验与户外大气腐蚀试验相关性研究，探究一种加速性和模拟性良好的室内加速腐蚀试验方法，为形成标准规范作好试验依据基础；预测牺牲阳极性镀层服役寿命，为我国输变电系统构件的选材和维护周期的确定提供依据。

室内加速腐蚀试验是通过人为强化某一种或少数几种腐蚀因数，以期在短时间内确定金属发生腐蚀的倾向，或评估某种材料在指定条件下相对耐蚀性的一种方法，主要应用于评价金属材料耐蚀性及涂镀层保护性能，以便于选材或评比防护方法的优劣。为此，开展室内加速腐蚀试验研究，建立室内外腐蚀试验相关性，通过室内腐蚀试验结果推测室外大气腐蚀试验结果，可以达到快速检测与评价金属覆盖层耐蚀性能的目的。

SO2气体是化工工业大气环境中的主要污染物，为模拟化工工业大气环境试验，评价不同金属覆盖层体系的耐腐蚀性能，对其进行盐雾干湿交替/SO2气体腐蚀试验，试验技术方案如下。

（1）试验材料

本次试验所用材料包括渗锌和热浸镀锌两种牺牲阳极性金属覆盖层，试验材料具体参数如表1所示。

表1 腐蚀试验材料Table 1 Corrosion test materials

（2）加速试验条件

盐雾干湿交替试验条件：喷雾试验腐蚀介质浓度为5 g/L±0.5 g/L 的NaCl 溶液，试验箱内温度为（35±2）℃；“干燥”时试验箱内温度为（60±2）℃，相对湿度小于30%RH，；“凝露”时试验箱内温度为（50±2）℃，相对湿度大于95%RH；以依次喷雾2 h、干燥4 h、凝露（潮湿）2 h为一个循环。

SO2气体腐蚀试验条件：试验时试验箱内温度控制为（40±3）℃，腐蚀介质为去离子水（2.0 L），试验箱中通入SO2气体0.2 L；以在试验箱内连续暴露8 h、室内大气环境暴露16 h为一循环。

（3）试验方法步骤

1）在盐雾干湿交替试验箱内进行加速腐蚀试验，连续试验3个循环，共24 h（1 d）。

2）在SO2气体腐蚀试验箱内进行加速腐蚀试验，连续试验3个循环，共72 h（3 d）。

3）依次按步骤1）和2）进行加速腐蚀试验，以96 h为一个循环试验周期，共试验4个周期。

4）依次对不同试验周期后的金属覆盖层试样进行除锈、清洗、干燥、称重，对比分析各覆盖层试样腐蚀速率大小及变化趋势。

2 室外大气腐蚀试验结果分析

（1）室外暴露腐蚀试验后试样外观形貌

将渗锌和热浸镀锌两种金属覆盖层、不同膜层厚度试样置于武汉城市大气环境（武汉站）和石化化工大气环境（石化站）下进行室外大气腐蚀试验，腐蚀试验一年后试样外观形貌如图1-图2所示。

图1 武汉城市大气环境腐蚀试验1年后试样外观形貌Fig.1 Appearance of samples after one year of Wuhan urban atmospheric environmental corrosion test

图2 石化化工大气环境腐蚀试验1年后试样外观形貌Fig.2 Appearance and morphology of samples after one year of atmospheric corrosion test in petrochemical industry

结果表明：渗锌层和热浸镀锌层试样经武汉城市大气和石化化工大气环境下腐蚀试验1 年后，表面颜色变暗，腐蚀轻微，该两种金属覆盖层均具有较好的耐蚀性能。石化化工大气环境下腐蚀试验1 年后，金属覆盖层表面颜色较暗，腐蚀相对严重，但渗锌层和热浸镀锌层表面均腐蚀轻微，尚且难以从短期外观腐蚀形貌辨别渗锌层和热浸镀锌层耐蚀性能的优劣。

（2）室外暴露腐蚀试验腐蚀动力学结果

将渗锌和热浸镀锌两种金属覆盖层、不同膜层厚度试样置于武汉城市大气环境（武汉站）和石化化工大气环境（石化站）下进行室外大气腐蚀试验，腐蚀试验90 d、180 d、270 d 和365 d 后，对两种金属覆盖层分别进行除锈、清洗、干燥、称重。除锈方法采用化学清洗法，用100 g 乙酸铵（CH3COONH4）加蒸馏水配置成1 000 mL溶液在70 ℃恒温条件下除锈，试验结果如表2-表3所示。

表2 武汉城市大气环境下金属覆盖层腐蚀深度Table 2 Corrosion depth of metal coating layer in Wuhan urban atmospheric environment

由表2-表3 可知，渗锌和热浸镀锌层在石化化工大气环境下的腐蚀深度明显大于武汉城市大气环境，石化化工大气环境下该两种金属覆盖层的腐蚀速率较快。对比渗锌层和热浸镀锌层的腐蚀深度，热浸镀锌层腐蚀深度较大，腐蚀较为严重，渗锌层试样耐蚀性能较好。

表3 石化化工大气环境下金属覆盖层腐蚀深度Table 3 Corrosion depth of metal coating layer in petrochemical and chemical atmospheric environment

3 室内加速腐蚀试验结果分析

（1）室内加速腐蚀试验后试样外观形貌

对渗锌和热浸镀锌两种金属覆盖层、不同膜层厚度试样进行室内加速腐蚀试验，腐蚀试验16 d后试样外观形貌如图3所示。

图3 室内加速腐蚀试验16天后试样外观形貌Fig.3 Appearance and morphology of samples after 16 days of accelerated indoor corrosion test

结果表明：渗锌层和热浸镀锌层试样经盐雾干湿交替/SO2气体循环加速腐蚀试验16 d 后，表面腐蚀严重，基本被白色腐蚀产物覆盖，盐雾干湿交替/SO2气体循环加速腐蚀试验加速效果显著。热浸镀锌层表面腐蚀产物细小，完全覆盖在表面上，部分腐蚀产物脱落，这是由于表面腐蚀严重，腐蚀产物膜层较厚，结构疏松，在SO2气体作用下，部分腐蚀产物转化成含硫化合物，易溶于水而脱离表面。渗锌层试样表面腐蚀产物覆盖度较低，相对于热浸镀锌层腐蚀较轻，耐蚀性能相对较好。

（2）室内加速腐蚀试验动力学结果

对渗锌和热浸镀锌两种金属覆盖层、不同膜层厚度试样进行室内加速腐蚀试验，腐蚀试验4 d、8 d、12 d和16 d后，对两种金属覆盖层分别进行除锈、清洗、干燥、称重。除锈方法采用化学清洗法，用100 g 乙酸铵（CH3COONH4）加蒸馏水配置成1 000 mL 溶液在70 ℃恒温条件下除锈，试验结果如表4所示。

由表4 可知，热浸镀锌层的腐蚀深度明显大于渗锌层的腐蚀深度，渗锌层的耐蚀性能较好，这和室外大气腐蚀试验结果一致。对比表2-表3 可知，该两种金属覆盖层在室内加速腐蚀12 d后的腐蚀深度相当于石化化工大气环境下腐蚀试验1 a后的腐蚀试验结果。

表4 室内加速腐蚀试验后金属覆盖层腐蚀深度Table 4 Corrosion depth of metal coating layer after indoor accelerated corrosion test

4 室内外腐蚀试验相关性分析

分别对室内外腐蚀试验结果进行回归分析，金属覆盖层腐蚀深度随暴露时间变化的线性回归曲线（置信度95%）如图4-图6，回归方程如表5 所示。其中s30、s60、d30 和d60 分别表示渗锌-30 μm、渗锌-60 μm、热浸镀锌-30 μm和热浸镀锌-60 μm。

图4 金属覆盖层腐蚀深度随暴露时间的变化（武汉站）Fig.4 Corrosion depth of metal coating layer varies with exposure time(in Wuhan Station)

图6 金属覆盖层腐蚀深度随暴露时间的变化（加速试验）Fig.6 Corrosion depth of metal coating layer varies with exposure time(in accelerated test)

图5 金属覆盖层腐蚀深度随暴露时间的变化（石化站）Fig.5 Corrosion depth of the metal coating layer varies with exposure time(in Petrochemical Station)

由图4-图6 和表5 可知，该两种金属覆盖层在武汉城市大气环境、石化化工大气环境和室内加速腐蚀试验条件下金属腐蚀深度随暴露时间成线性变化，回归方程模型为：ΔΗ=Α+Βt，其中ΔΗ为腐蚀深度（μm），t为腐蚀暴露时间（d），A、B为常数，相关系数R均在95%以上。说明该室内加速腐蚀试验与武汉地区室外早期腐蚀试验具有较好的相关性，该室内加速腐蚀试验方法可以用于快速检测和评价渗锌层和热浸镀锌层的耐腐蚀性能。

表5 金属覆盖层腐蚀深度随时间变化线性回归方程Table 5 Linear regression equation of the corrosion depth of the metal coating layer over time

由表5中室内外腐蚀试验的腐蚀深度与腐蚀试验时间的线性回归方程可以得出室外大气环境下腐蚀试验时间（T）与室内加速腐蚀试验时间（t）的关系方程如表6。

表6 室外腐蚀试验时间（T）与室内加速腐蚀试验时间（t）的关系方程Table 6 Relation equation between outdoor corrosion test time(T)and indoor accelerated corrosion test time(t)

为此，可根据金属覆盖层在室内加速腐蚀试验时间大概推算其在实际大气环境下的服役寿命。由表5中的线性回归方程和表6中的关系方程推算得该两种金属覆盖层在室内和实际大气环境下服役寿命如表7。

表7 金属覆盖层实际大气环境下的服役寿命预测值Table 7 Predicted service life of metal coating layer in actual atmospheric environment

由表7 可知，渗锌层的服役寿命明显长于热浸镀锌层，在金属覆盖层厚度相同的条件下，渗锌层的耐腐蚀性能显著优于热浸镀锌层。随着金属覆盖层厚度的增大，其服役寿命并非成倍增大。

5 结语

1）盐雾干湿交替/SO2气体循环腐蚀试验和武汉地区室外大气环境暴露腐蚀试验结果一致表明：牺牲阳极性金属覆盖层腐蚀深度随暴露腐蚀试验时间成线性变化，回归方程模型均为ΔΗ=Α+Βt，相关系数R均在95%以上，盐雾干湿交替/SO2气体循环腐蚀试验与武汉城市大气环境、武汉石化化工大气环境均具有较好的相关性，且加速效果显著。该试验方法是一种较好的能快速检测与评价牺牲阳极性金属覆盖层耐腐蚀性能优劣、预测其服役寿命的室内加速腐蚀试验方法。根据腐蚀失重实测值推算，加速倍率约为70倍。

2）由武汉城市大气环境、石化化工大气环境下的腐蚀试验结果和盐雾干湿交替/SO2气体循环腐蚀试验结果可知，渗锌层的腐蚀深度明显低于热浸镀锌层，渗锌层的耐腐蚀性能优于热浸镀锌层。