煤礦用高分子加固材料金屬腐蝕性評價方法的研究

王繼勇

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測研究分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京100013）

0 引 言

化學(xué)注漿技術(shù)作為治理工作面斷層、軟弱破碎帶、松軟巷道的一種有效手段被廣泛應(yīng)用[1-4]?；瘜W(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，促進了高分子注漿材料在煤礦的大力推廣[5-7]。高分子加固材料的粘結(jié)性能、阻燃等安全性能十分重要，如王玉超研究了加固材料粘結(jié)性能影響因素[8]，張連軍討論了高分子材料的阻燃、最高反應(yīng)溫度、有害物質(zhì)等安全特性[9]。但高分子加固材料在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，材料環(huán)保及對設(shè)備的腐蝕性能同樣重要[10-11]。高分子加固材料納入安全標(biāo)志認(rèn)證管理后，《煤礦井下反應(yīng)型高分子材料補充安全技術(shù)要求》規(guī)定，高分子加固材料腐蝕性試驗方法執(zhí)行GB/T 38498-2020《消毒劑金屬腐蝕性評價方法》，要求為基本無腐蝕或輕度腐蝕。

高分子加固材料對金屬腐蝕的結(jié)果，可以為注漿裝置在金屬材料選型、設(shè)計方面提供借鑒，以便選擇合適金屬材質(zhì)，延長注漿裝置工作壽命方面發(fā)揮更好作用。作者前期研究了高分子加固材料對金屬的腐蝕速率和腐蝕等級[12]，發(fā)現(xiàn)采用GB/T 38498-2020 仍有一些特殊情況要處理，如高分子加固材料與消毒劑在組成和使用方法上的差異，不能簡單用水來處理試片。鑒于目前尚無高分子加固材料金屬腐蝕性能統(tǒng)一的評價方法，作者查閱有關(guān)腐蝕性評價方法，希望通過評價結(jié)果探求高分子加固材料金屬腐蝕性更適宜的評價方法，也為高分子加固材料金屬腐蝕性試驗方法的建立提供技術(shù)支持。

1 金屬腐蝕性評價方法

當(dāng)前廣泛應(yīng)用的金屬腐蝕性評價方法主要有3個，各評價方法之間的差異僅是對照組（空白組）的試驗過程不同，見表1。

表1 金屬腐蝕性評價方法對比Table 1 Comparison of metal corrosion test method

由表1 可知，GB/T 38498 中對照組試樣要經(jīng)過與試樣相同的浸泡試驗，只是對照組的腐蝕介質(zhì)由消毒劑（本試驗為加固材料兩組分） 換為去離子水。而JB/T7901-2001 及消毒技術(shù)規(guī)范（2002） 評價方法，對照組試驗不經(jīng)過腐蝕介質(zhì)的浸泡，而是直接進行后續(xù)的化學(xué)處理等過程。

金屬材料的腐蝕速率的計算公式和腐蝕等級見GB/T 38498-2020。

2 試驗部分

2.1 實驗材料與儀器

試驗材料及實驗儀器：同參考文獻[12]。

2.2 腐蝕性試驗

金屬片前處理：按照GB/T 38498-2020 中5.2.1進行。

金屬片腐蝕試驗：實驗選擇2 種常用加固材料為腐蝕介質(zhì)，將金屬片浸泡于高分子加固材料兩組分中72 h，每個金屬片用1 個容器。

金屬片試驗后處理：金屬片試驗后用去離子水反復(fù)漂洗，再用軟毛刷或橡皮器具去除腐蝕產(chǎn)物，并進行化學(xué)方法處理。

高分子加固材料B 組分含異氰酸酯，其容易與含活潑氫物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。因此去離子水不適宜為B 組分金屬腐蝕性試驗后處理。經(jīng)反復(fù)驗證，試驗中采用表2 中清洗溶劑進行處理，并按GB/T 38498-2020 中5.2.2.1 去除腐蝕物。

表2 高分子加固材料各組分的清洗溶劑Table 2 Rinsing solvents for each component of polymer consolidating materials

2.3 試驗方案

為考察金屬腐蝕性評價方法對金屬腐蝕性影響，設(shè)計了3 個試驗方案。

方案（Ⅰ）：按照GB/T38498-2020 進行加固材料各組分的金屬腐蝕性試驗，對照組試片在去離子水中浸泡72 h，經(jīng)化學(xué)處理后稱重，計算腐蝕速率。

方案（Ⅱ）：試驗方法同方案（Ⅰ），因高分子加固材料使用中不需與水混合，不需考慮配制消毒劑時添加的水對金屬的腐蝕性。為此，對照組試驗質(zhì)量損失量計為0。

方案（Ⅲ） 采用JB/T 7901-2001 進行高分子加固材料各組分的金屬腐蝕性試驗，對照組試片不經(jīng)過腐蝕過程，經(jīng)化學(xué)處理后稱重，計算腐蝕速率。

3 結(jié)果與討論

3.1 采用GB/T 38498-2020 評價加固材料金屬腐蝕性

按照GB/T 38498-2020 試驗方法的要求，分別將碳鋼、不銹鋼、銅試片放入高分子加固材料各組分中至72 h，處理后觀察金屬試片外觀變化。同時，按方案（Ⅰ）、（Ⅱ） 進行對照組試驗。碳鋼、銅、不銹鋼金屬試片的外觀變化如圖1 ～圖3所示。

圖1 碳鋼在加固材料各組分中的腐蝕性試驗前后外觀對比Fig.1 Comparison of appearance of carbon steel before and after corrosion test in consolidating material

圖3 不銹鋼在加固材料各組分中的腐蝕性試驗前后外觀對比Fig.3 Comparison of appearance of stainless steel before and after corrosion test in consolidating material

計算加固材料各組分對碳鋼、不銹鋼及銅片的腐蝕速率，金屬腐蝕性試驗結(jié)果見表3。

表3 采用GB/T 38498-2020 評價金屬腐蝕性試驗結(jié)果Table 3 Metal corrosion test result by GB/T 38498-2020

由圖1 看出，加固材料各組分對碳鋼有明顯腐蝕，且加固材料A 組分對碳鋼的腐蝕比B 組分對碳鋼的腐蝕嚴(yán)重。由圖2、圖3 看出，加固材料各組分對銅、不銹鋼幾乎沒有腐蝕。這說明銅、不銹鋼耐腐蝕性強于碳鋼，這主要是前者能形成致密的氧化膜。

圖2 銅在加固材料各組分中的腐蝕性試驗前后外觀對比Fig.2 Comparison of appearance of cooper before and after corrosion test in consolidating material

由表3 可知，2 方案中，加固材料各組分對銅、不銹鋼金屬試片的腐蝕性均為基本無腐蝕；加固材料B 組分對碳鋼均為輕度腐蝕；聚氨酯材料A組分、硅酸鹽改性聚氨酯材料A 組分對碳鋼腐蝕性因為方案的不同而發(fā)生變化。其主要原因是方案（Ⅰ）、（Ⅱ） 對照組不同。因加固材料使用時不需要與水混合，不適宜減去水為腐蝕介質(zhì)下的對照組的失重量。因此，方案（Ⅱ） 更接近加固材料各組分對碳鋼的實際腐蝕性。

3.2 采用JB/T 7901-2001 評價加固材料金屬腐蝕性

按方案（Ⅲ） 試驗，對照組試片僅進行化學(xué)處理等過程后清洗、干燥稱重。各金屬試片的外觀變化如圖1 ～圖3 所示。加固材料各組分對碳鋼、不銹鋼及銅片的腐蝕性試驗結(jié)果，見表4。

由對照組外觀看出，方案（Ⅲ） 碳鋼試片外觀既不像方案（Ⅰ） 中水為腐蝕介質(zhì)時腐蝕明顯，也不是方案（Ⅱ） 中想象的毫無變化。而3 個方案中，銅、不銹鋼試片的對照組外觀相近，說明基本未發(fā)生腐蝕。

由表4 可知，方案（Ⅲ） 得出的腐蝕速率結(jié)果中，2 種加固材料B 組分對碳鋼均為基本無腐蝕。聚氨酯材料A 組分、硅酸鹽改性聚氨酯A 組分對碳鋼均為輕度腐蝕。這一結(jié)果與金屬試片腐蝕外觀的表現(xiàn)一致。同樣，由于銅、不銹鋼試片的耐腐蝕性能優(yōu)良，2 種金屬試片在各組分中的腐蝕等級均為基本無腐蝕。

表4 按JB/T 7901-2001 評價金屬腐蝕性試驗結(jié)果Table 4 Metal corrosion test result by JB/T 7901-2001

3.3 不同評價方法腐蝕速率對比

高分子加固材料金屬腐蝕性測試中存在如下特點：不同評價方法中，加固材料各組分對銅、不銹鋼的腐蝕速率差異不大（腐蝕等級均為基本無腐蝕），但對碳鋼的腐蝕速率有較大差異（造成不同的腐蝕等級）。為了更直觀反映金屬腐蝕性不同評價方法對碳鋼腐蝕速率的影響，將3 種不同腐蝕性評價方法測試碳鋼的腐蝕速率進行對比，如圖4 所示。

圖4 不同腐蝕評價方法測試碳鋼腐蝕速率對比Fig.4 Comparison of carbon steel corrosion rate by different corrosion test

由圖4 可以看出，①采用GB/T 38498-2020 方案（Ⅱ），加固材料各組分對碳鋼腐蝕速率最大，4個組分對碳鋼的腐蝕等級分別為中度、輕度、中度、輕度；②采用GB/T 38498-2020 方案（Ⅰ） 評價，4 個組分對碳鋼腐蝕等級分別為輕度、輕度、基本無腐蝕、輕度腐；③采用JB/T7901-2001 方案（Ⅲ），4 個組分對碳鋼腐蝕等級分別為輕度、基本無腐蝕、輕度、基本無腐蝕。

產(chǎn)生以上結(jié)果主要在于對照組的不同，由于高分子加固材料在使用中不需要與水混合。因此，以水為腐蝕介質(zhì)為對照組不合時宜。另外，簡單將對照組的失重量取“0”也缺乏根據(jù)。選擇將進行后續(xù)化學(xué)處理過程的金屬試片作為對照組更為科學(xué)，腐蝕性結(jié)果與加固材料各組分對碳鋼腐蝕性結(jié)果符合性也更好。

另外，高分子加固材料組成復(fù)雜，如不同型號的硅酸鹽、不同種類的聚醚多元醇（石油基多元醇、植物油基多元醇及其它生物基多元醇）、不同的添加劑種類及用量等，都可能引入氧化性物質(zhì)、酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì)、水等，這些是對金屬腐蝕的主要因素。高分子加固材料無需像消毒劑那樣選擇水中的試片為對照組，較適宜選擇JB/T 7901-2001方案（Ⅲ） 中進行化學(xué)處理過程的碳鋼試片作為對照組。因此，本研究也為加固材料金屬腐蝕性試驗方法的建立提供了數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié) 論

（1） 采用3 種金屬腐蝕性評價方法測試了高分子加固材料組分對碳鋼、銅、不銹鋼的腐蝕性。按照GB/T 38498-2020 方法，采用對照組試片腐蝕失重量計為“0”的方案得到的腐蝕速率最大，腐蝕等級最嚴(yán)重。

（2） 金屬腐蝕性評價方法中，加固材料各組分對銅、不銹鋼的腐蝕速率差異不大，腐蝕等級均為基本無腐蝕。對碳鋼的腐蝕速率差異較大，腐蝕等級變動較大。

（3） 采用GB/T 38498-2020 評價方法測試對碳鋼的腐蝕性時，試驗方案（Ⅰ）、（Ⅱ） 測試的腐蝕速率存在不合理或不客觀的地方，測試結(jié)果不穩(wěn)定。而采用JB/T 7901-2001 評價方法，測試的加固材料各組分對碳鋼的腐蝕速率更為合理，適用性更好。