霧霾天氣對鐵塔的腐蝕影響實驗研究

陳穎敏，趙 潔，冉玉倩，王超凡

(華北電力大學 環境科學與工程學院，河北 保定071003)

0 引言

近幾年來，霧霾天氣頻發，侵蝕著人類的身體健康，同時也腐蝕著暴露于大氣中的金屬及其制品。相比較于其他類型的腐蝕，大氣腐蝕更加普遍。尤其海洋大氣因其含有較多的無機鹽粒而具有很強的腐蝕性［1～3］，我國輸電桿塔一般要求使用鍍鋅鋼材料，在沿海和因重工業生產排放所帶來的環境污染并伴隨自然環境氣候的惡化而形成的重腐蝕環境中，役桿塔鋼構件經過若干年的使用之后，鋅層遭到破壞發生銹蝕，大大降低了鋼結構構件的承載能力，腐蝕速率日漸加快［4～6］。特別是在工業污染區和沿海地區的鍍鋅層的使用年限更短，長期服役于自然環境中的輸電桿塔鋼構件的防腐蝕性能，是保證輸電線路安全可靠運行的關鍵要素之一［7～9］。隨著中國經濟的發展，電力供應日益繁忙，輸電鐵塔用量大幅增加，而隨著工業的快速發展，大氣污染加劇，大氣污染對變電站金屬材料的腐蝕導致的供電事故已經成為影響電網安全運行的一個重要問題［10～12］。因此，探究霧霾天氣的形成原因，探討鐵塔的腐蝕影響機理，確定有效防腐工藝，實現鋼構件長壽命、少維護或免維護的防護工作是非常重要的。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 儀器與試劑

FA1004A 型電子天平，QG-3 型金相試樣切割機，PHS-3C 型酸度計，FQY 系列鹽霧試驗箱。Q235A 碳鋼(碳含量＜=0．22%，錳含量＜=1．4，硅含量＜=0．35，磷含量＜=0．045，硫含量＜=0．050)，丙三醇，硫酸銅，氯化鈉，亞硫酸氫鈉，碳酸氫鈉，硝酸鈉，無水乙醇，丙酮。

1.2 實驗方法

1.2.1 腐蝕試樣的制備

用金相試樣切割機將碳鋼試片切割成50 ×25×2 mm 作為腐蝕試樣。將切割好的試片先后使用粗砂紙細砂紙打磨光滑，用去離子水洗凈，將洗凈的試片用丙酮溶液和無水乙醇擦拭，用濾紙包好，放入干燥器內干燥備用。

1.2.2 甘油控濕法

根據文獻［13～14］:25 ℃的折射率和某一溫度下的濕度有如下關系:

式中:A=25．60- 0．195 0T + 0．000 8T2;H 為相對濕度(%);R 為折射率;T 為液溫(℃)。

由甘油濃度和折射率與溫度關系，折射率與甘油濃度的關系，可以較為方便地求得濕度與濃度的大略數值。依據甘油水溶液濃度與空氣相對濕度關系，配制相應的甘油水溶液，將空氣相對濕度分別控制為55%，65%，75%，85%，95%。

1.2.3 周期浸潤復合循環法

周期浸潤復合循環試驗，實現了使腐蝕試樣處于干濕交替的狀態，從而可以較好地模擬待腐蝕金屬在大氣條件下的真實情況，很好地體現了干濕交替的大氣腐蝕特征，并且可以對潮濕時的腐蝕試樣進行電化學測量。研究表明，使用此法重現了金屬表面經歷的腐蝕過程，而且銹層也出現了與室外相同的現象，和室外的數據進行比較，有比較好的相關性［15～16］。實驗采用NaCl，NaHSO3，NaHCO3，NaNO3的混合溶液作為模擬霧霾天氣的浸潤液，將腐蝕試樣周期性地浸入模擬霧霾天氣的浸潤液中，較好地再現了金屬在大氣中腐蝕的3 種狀態:浸潤-潮濕-干燥，從而較好地模擬了霧霾天氣對輸電鐵塔的腐蝕。

1.2.4 模擬霧霾天氣的浸潤液溶液的配制

在霧霾天氣中，氣體在鋼鐵表面水膜中溶解，蒸汽和液體之間的平衡遵循亨利定律，即氣體在液膜中的濃度與氣體的分壓成正比:

式中:［Mi］aq 為氣體在液膜中的濃度;pi為氣體的分壓;Hi為亨利系數，此系數與溫度有關，隨溫度的升高，氣體溶解度下降［17］。

根據氣體在大氣中的分壓，然后查閱文獻得到亨利系數，從而求得氣體在液膜中的濃度。依據大氣污染物濃度與金屬表面液膜離子濃度關系，設置一系列霧霾污染因子濃度梯度，以表示霧霾天氣的污染程度。再根據霧霾污染因子濃度梯度，配制模擬霧霾天氣的浸潤液，標號為1～5，代表霧霾天氣不同的污染程度。浸潤液的配制見表1。

表1 浸潤液成分 mmol/L

2 試驗結果與分析

2.1 相對濕度對試片的腐蝕效果分析

實驗采用甘油控濕法控制相對濕度分別為55%，65%，75%，85%，95%，將試片用1 號和2 號浸潤液浸潤，再放置在不同的相對濕度環境中，觀察試片的腐蝕狀況，并且記錄試片的增重，從而得到不同相對濕度環境中的腐蝕速率圖，如圖1、2 所示。

圖1 1 號浸潤液中，不同相對濕度下的腐蝕速率圖

圖2 2 號浸潤液中，不同相對濕度下試片的腐蝕速率圖

由圖1、圖2 可得，在模擬霧霾浸潤液的濃度一定的時候，試片的腐蝕速度隨著空氣濕度的增加而呈加快趨勢，當空氣相對濕度為65%時，隨著腐蝕時間的增長，試片的腐蝕速度增長趨勢較平緩;而當空氣濕度大于65%時，隨著腐蝕時間的增長，試片的腐蝕速度增長較快。

2.2 污染離子濃度對試片的腐蝕效果分析

配制一系列由NaCl，NaHCO3，NaHSO3和NaNO3組成的不同濃度的模擬霧霾天氣浸潤液，分別標號為1～5，將腐蝕試片分別用這5 種浸潤液潤濕，放置在相對濕度為85%和95%的環境中，試片的腐蝕速率如圖3、圖4。

圖3 相對濕度為85%時，5 種不同濃度的浸潤液條件下試片的腐蝕速率圖

圖4 相對濕度為95%時，5 種不同濃度的浸潤液條件下試片的腐蝕速率圖

由圖3、圖4 可得，當空氣的相對濕度保持不變時，試片腐蝕速度隨著污染離子濃度的增大而增加，這是由于試片表面水膜中的污染離子濃度增大，液膜的導電率增大，加速了試片表面的電化學反應。污染離子中的Cl-有強的侵蝕性，不僅起到導電介質的作用，還會破壞金屬表面的保護膜，導致細微裂縫，腐蝕介質通過裂縫滲入金屬里，從而加速了金屬的腐蝕。

2.3 pH 值對試片的腐 蝕效果分析

霧霾天氣中的酸性物質能夠溶解于輸電鐵塔表面的水膜中，影響輸電鐵塔的電化學腐蝕，因此有必要研究pH 值對試片腐蝕的影響，結果如圖5 所示。

圖5 相對濕度為55%，不同pH 值對試片的腐蝕影響速率圖

圖6 相對濕度為85%，不同pH 值對試片的腐蝕影響速率圖

由圖6 可得，隨著pH 值的降低，試片的腐蝕速度加快，這是由于霧霾天氣中的SO2溶于輸電鐵塔表面的水膜中，進而鋼鐵表面的電解液膜酸化，提高了電解液膜的導電性，同時也會使得鋼鐵表面的保護層溶解，加速了輸電鐵塔的腐蝕。霧霾天氣中的NO2溶解于輸電鐵塔的表面電解液膜中，發生反應使電解液膜酸化，同樣會加速鐵塔的電化學腐蝕。

2.4 浸潤時間對試片的腐蝕效果分析

實驗采用干濕交替周期浸潤的方法，以6 h為周期對試片進行周期浸潤，每隔24 h，將試片取出，用冷風吹干后稱重，并記錄數據，從以上圖1～5 可以得到浸潤時間對試片的腐蝕影響。在腐蝕初期，金屬表面有液膜存在，形成電解液薄層，開始發生電化學腐蝕過程，此時腐蝕速率開始增大，金屬表面形成鐵銹層，而鐵銹層在濕潤條件下也會加快腐蝕速率，銹層干燥時，金屬表面與金屬銹層之間形成開路，腐蝕又可在銹層表面進行，因此腐蝕加重。而當銹層厚度增加，氧的滲入緩慢，因此到腐蝕后期，腐蝕速率慢慢減小。

3 結論

霧霾天氣時，空氣相對濕度加大，超過65%時，鐵塔的腐蝕速率明顯加快，污染離子濃度對鐵塔的腐蝕也有一定的影響，濃度加大，鐵塔表面pH 值降低，鋼鐵表面的電解液膜酸化，提高電解液膜的導電性，從而使得鋼鐵表面的保護層溶解，加速了鐵塔的電化學腐蝕，暴露于室外的鐵塔在霧霾天氣中的腐蝕形態是干濕交替腐蝕的，隨著腐蝕時間的延長，金屬表面會形成鐵銹層，鐵銹層表面也可進行腐蝕，長此以往鐵塔表面腐蝕深度加深，從而引發鐵塔的脆裂斷開，對電網的運輸存在極大的危害。因此，隨著霧霾天氣的加劇，鐵塔的腐蝕也越來越嚴重，尋求更加有效地防腐措施迫在眉睫。

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