田旭,劉欣,裴鋒,賈蕗路,李財芳,鄧辰星,李志美
(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院,江西 南昌 330096;2.南昌大學 化學學院,江西 南昌 330031)
電網(wǎng)設(shè)備的大氣腐蝕問題是影響其使用壽命的重要原因之一[1-3]。環(huán)境腐蝕引起的電網(wǎng)設(shè)備材料故障頻率逐年增加[4-5]。當金屬放置在大氣中時,其表面的水膜可以作為電化學腐蝕所需要的電解液膜[6]。鍍鋅鋼表面的鍍鋅層能夠?qū)︿摶w起陰極保護作用[7-9]。金屬材料的使用環(huán)境(如溫度、Cl-濃度等)是影響鍍鋅層防護性能的主要因素之一[10-11]。周開河等[12-13]發(fā)現(xiàn)溫度和Cl-濃度是影響純Zn的腐蝕速率的主要因素。目前,針對鍍鋅鋼的大氣腐蝕行為研究考慮Cl-和溫度的影響鮮有報道。本文采集南昌某桿塔處的雨水作為模擬腐蝕溶液,改變?nèi)芤篊l-含量和溶液溫度,利用電化學等方法研究鍍鋅鋼的腐蝕。
鍍鋅鋼為50 mm×25 mm×2 mm的帶孔(φ5 mm)片狀材料,鍍鋅層厚度為60~100 μm,基材為Q235鋼;無水乙醇、氯化鈉均為分析純。
CHI660A電化學工作站;QUANTA 200掃描電鏡(SEM-EDS)。
1.2.1 鍍鋅鋼預處理 用200#、400#、800#、1000#、1200#金相砂紙除去金屬表面氧化物,使金屬表面光亮無劃痕,依次用無水乙醇(除油)→去離子水→無水乙醇(除水)清洗,吹風機冷風干燥。
1.2.2 腐蝕溶液配制 收集到的雨水加入不同含量的氯化鈉,配制Cl-濃度為0,1,3,5,7,9 g/L中的雨水腐蝕溶液。
電化學檢測實驗采用三電極體系,以鍍鋅鋼為工作電極,以鉑片為輔助電極,鉑片的尺寸為40 mm×25 mm×0.4 mm,以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。工作電極為電解池底座。將對電極和參比電極平行浸入雨水中,間隔2 mm。利用電化學工作站進行動電位極化曲線掃描和阻抗譜測試。極化曲線掃描速率為0.5 mV/s,掃描范圍為-100~100 mV(相對于開路電位),分析軟件為Powersuite。阻抗測試在開路電位下進行,交流阻抗測試頻率范圍為100 kHz~0.01 Hz,交流激勵信號幅值為10 mV。
將不同Cl-濃度的雨水作為電解質(zhì)溶液進行動電位極化掃描和阻抗測試;分別利用25,30,35,40,45 ℃的雨水作為電化學測試溶液。
將鍍鋅鋼試片浸泡在不同梯度的Cl-濃度中30 d,每隔1 d更換新配制的雨水,觀察其外觀形貌。分別利用分析天平測定浸泡前后試樣的質(zhì)量。
鍍鋅鋼在電鏡掃描測試前分別浸泡置于在25 ℃和45 ℃恒溫水箱的雨水溶液中,浸泡時間為15 d。浸泡期間定期(每隔1 d)更換新配制的腐蝕溶液。
將已浸泡15 d的待測試樣取出后,用超純水清洗去表面的雨水,吹干后,集中置于氬氣存儲箱中,待用。使用SEM-EDS對試樣表面進行微觀腐蝕形貌掃描,并分析表面腐蝕產(chǎn)物的元素組成。
2.1.1 腐蝕失重法 將鍍鋅鋼在雨水中浸泡30 d的腐蝕前后質(zhì)量之差,根據(jù)金屬試片的面積和浸泡時間折算成年腐蝕速率,對應于不同梯度的Cl-含量,結(jié)果見圖1。
圖1 鍍鋅鋼的腐蝕速率隨雨水中不同Cl-濃度的變化曲線
由圖1可知,Cl-濃度在1~7 g/L(低Cl-濃度)時,鍍鋅鋼腐蝕速率隨溶液的Cl-濃度增大而增大,當Cl-濃度達到7 g/L后再增大溶液中Cl-含量時,鍍鋅鋼的腐蝕速率反而下降。
2.1.2 動電位極化法 利用電化學動電位極化的方法研究了常溫狀態(tài)下(25 ℃)雨水中Cl-濃度對鍍鋅鋼腐蝕的影響,結(jié)果見圖2。
圖2 鍍鋅鋼在不同Cl-濃度的雨水中極化曲線
由圖2可知,鍍鋅鋼在Cl-濃度為0,1,3,5,7,9 g/L雨水中,5條極化曲線均未出現(xiàn)活化-鈍化轉(zhuǎn)變區(qū),說明鍍鋅鋼均處于活化溶解狀態(tài),沒有鈍化現(xiàn)象,表明其腐蝕行為受電化學過程控制。對極化曲線進行擬合,結(jié)果見表1。
表1 鍍鋅鋼在不同Cl-濃度的雨水中極化擬合數(shù)據(jù)
由表1可知,陰極極化曲線Tafel斜率的絕對值均比陽極大,說明其腐蝕反應受陰極氧化還原控制。圖3為鍍鋅鋼極化腐蝕速率和腐蝕電流密度隨模擬溶液中不同濃度Cl-的關(guān)系變化曲線。
由圖3可知,模擬溶液Cl-濃度在1~7 g/L時,鍍鋅鋼的腐蝕電流密度和腐蝕速率都隨溶液的Cl-濃度增大而增大,當Cl-濃度達到7 g/L后再增大Cl-含量時,鍍鋅鋼的腐蝕電流密度和腐蝕速率反而減小,這表明雨水的Cl-濃度的大小直接影響材料腐蝕反應過程,且當Cl-濃度為7 g/L時鍍鋅鋼腐蝕最強。該現(xiàn)象可能是因為Cl-為強腐蝕性離子,具有強置換作用和強穿透性能,使鍍鋅鋼受腐蝕的程度增大;但是雨水中Cl-濃度達到一定數(shù)值時會抑制氧的溶解,從而使得溶液中溶解氧減少,從而抑制了腐蝕的陰極去極化過程,減緩了腐蝕速率。
圖3 鍍鋅鋼極化腐蝕速率和腐蝕電流密度隨雨水中不同濃度Cl-的關(guān)系變化曲線
2.1.3 交流阻抗譜法 利用電化學阻抗技術(shù)通過對鍍鋅鋼在不同濃度的Cl-雨水中進行腐蝕分析。頻率f=0.05 Hz時的阻抗膜值|Z|0.05可相對的比較材料的腐蝕速率的大小,|Z|0.05值越小,材料的腐蝕速率越大,說明其耐蝕性能越差。鍍鋅鋼|Z|0.05隨Cl-濃度變化關(guān)系曲線見圖4。
圖4 鍍鋅鋼接地材料|Z|0.05隨模擬雨水中Cl-濃度變化的曲線圖
由圖4可知,雨水中Cl-濃度在1~7 g/L(低Cl-濃度)時,隨溶液的Cl-濃度增大鋅包鋼的|Z|0.05減小,當Cl-濃度達到7 g/L后再增大Cl-含量時,鍍鋅鋼的|Z|0.05反而增加。這表明在低濃度范圍(1~7 g/L)內(nèi),隨著Cl-濃度的增大,腐蝕速率增大,而Cl-濃度在7~9 g/L時,腐蝕速率呈逐漸減小的趨勢,這與極化曲線分析結(jié)果一致。
2.2.1 電化學極化 分別測試鍍鋅鋼在溫度為25,30,35,40,45 ℃的雨水中的極化曲線,見圖5,并對這些曲線進行擬合。腐蝕電流密度、腐蝕速率隨雨水溶液的溫度變化關(guān)系見圖6。
圖5 鍍鋅鋼動電位極化曲線
圖6 腐蝕電流密度和腐蝕速率隨模擬雨水溫度變化關(guān)系圖
由圖6可知,在25~45 ℃范圍內(nèi),隨雨水的溫度升高,鍍鋅鋼的腐蝕電流密度和腐蝕速率都逐漸增大。這說明溫度是影響鍍鋅鋼腐蝕速率的一個非常重要的因素。
2.2.2 電化學交流阻抗模值測試 不同溫度雨水溶液中鍍鋅鋼在頻率為0.05 Hz的模值|Z|0.05分布情況見圖7。
圖7 鍍鋅鋼材料|Z|0.05隨溫度變化的曲線圖
由圖7可知,隨著溫度的升高,|Z|0.05逐漸減小。這也說明溫度增加能夠加速腐蝕過程。
分別對溫度為25,45 ℃的雨水浸泡15 d后的鍍鋅鋼進行掃描電鏡和能譜測試,結(jié)果見圖8和圖9。
將圖8和圖9 SEM圖進行對比發(fā)現(xiàn),在溫度25 ℃時,材料表面有許多凹坑和突起以及沉積了一些腐蝕產(chǎn)物。對腐蝕產(chǎn)物進行能譜EDS分析,發(fā)現(xiàn)其主要成分為Zn和O元素,也有少量的Si和Al元素存在;溫度45 ℃時,腐蝕坑擴大,出現(xiàn)了面積大且深的腐蝕坑,浮起的腐蝕產(chǎn)物EDS成分分析顯示除上述類似成分外,新增有Fe和C元素。這說明45 ℃下模擬雨水中的鍍鋅鋼已經(jīng)腐蝕到基材Q235鋼,25 ℃條件下尚未腐蝕至基材鋼。說明在45 ℃模擬溶液中鍍鋅鋼腐蝕得更加嚴重。這也進一步說明高溫能加速鍍鋅鋼腐蝕。
圖8 鍍鋅鋼在25 ℃的模擬雨水中浸泡15 d的SEM-EDS圖
圖9 鍍鋅鋼在45 ℃的雨水中浸泡15 d的SEM-EDS圖
利用腐蝕浸泡失重實驗和動電位極化、電化學交流阻抗譜以及掃描電鏡/能譜分析技術(shù),對鍍鋅鋼材料在雨水中腐蝕狀況進行分析。研究結(jié)果表明,在雨水中,鍍鋅鋼腐蝕的程度受溶液中Cl-濃度和溫度影響。在Cl-含量為1~7 g/L范圍, Cl-含量增大引起鍍鋅鋼受腐蝕程度加深,其腐蝕速率也逐漸增大,當Cl-含量為7 g/L時,腐蝕速率達到最大。隨著溫度的升高,鍍鋅鋼的腐蝕程度更加嚴重。