輸電鐵塔鍍鋅鋼腐蝕狀態與表面成分關系研究

閆風潔，馮長征，李辛庚，岳增武，郭　凱

（1.國家電網公司電工新材料技術聯合實驗室（山東），濟南　250003；2.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南　250003；3.國網山東省電力公司，濟南　250001）

輸電鐵塔鍍鋅鋼腐蝕狀態與表面成分關系研究

閆風潔1，2，馮長征3，李辛庚1，岳增武1，郭凱1

（1.國家電網公司電工新材料技術聯合實驗室（山東），濟南250003；2.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南250003；3.國網山東省電力公司，濟南250001）

采用SEM、便攜式X射線熒光光譜儀、EDS和電化學測試技術，分析在某山區和重工業區服役鍍鋅鋼構件典型腐蝕特征。研究鋼構件表面Fe元素和Zn元素成分變化與鋼構件腐蝕狀態的關系。結果表明，隨鍍鋅鋼構件服役年限增加，鍍鋅層腐蝕程度加重，鍍鋅層Fe元素含量增加，Zn元素含量減少，Fe/Zn比值增加，鍍鋅層表面Fe/Zn比與腐蝕劣化程度成正比。采用便攜式X射線熒光光譜儀測量鍍鋅鋼構件表面化學成分含量，具有較高的準確性，可用于桿塔腐蝕狀態評價。

輸電塔；鍍鋅鋼；Fe/Zn比；腐蝕狀態

0　引言

鋅在大氣環境下具有良好的耐腐蝕性能，被廣泛應用于輸電桿塔鋼構件防腐，目前常用的防腐形式為熱鍍鋅［1-3］。桿塔鋼構件由于長期服役于野外，在腐蝕環境中極易受到嚴重破壞，威脅電網安全運行［4-5］。準確判斷鍍鋅層的有效性，及時對桿塔鋼構件進行防腐維護，在保證輸電線路安全運行的前提下，可降低桿塔全壽命周期防腐成本［6］。

目前，對桿塔鋼構件鍍鋅層腐蝕狀態的評價主要依據線路工人的運行經驗，通過目測進行判斷，存在主觀隨意性。通過分析不同運行年限鍍鋅桿塔鋼構件化學成分與典型腐蝕特征，探討了鍍鋅層表面Fe元素和Zn元素成分變化與鍍鋅層有效性的關系。試驗結果顯示普通鍍鋅層表面Fe/Zn比與鋅層的腐蝕狀態存在明顯的相關性。

1　試驗方法

試驗所用材料為現場割取的在役桿塔鍍鋅鋼構件，包含某山區投運2年和5年的鍍鋅件以及重工業污染區投運10年、12年和15年的鍍鋅件。對取回來的角鋼采用Supra55場發射掃描電子顯微鏡觀察試樣表面和截面形貌，使用Oxford-max 20能譜儀測量截面元素分布。采用尼通Xl3t便攜式X射線熒光光譜儀在被測試試樣上隨機選取6個點測量鍍層表面化學成分，測試前，先用無水乙醇清洗測試點浮灰。開路電位測量采用PAR2273電化學工作站，測量系統為三電極體系，試樣為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極。

2　結果及討論

2.1鍍鋅鋼構件服役后的宏觀腐蝕形貌

鍍鋅桿塔表面顏色變化是反映鍍鋅層腐蝕狀態的一個重要指標。隨著鍍鋅層逐漸失去金屬光澤，顏色由淺變深，鍍鋅層對基體的保護作用越來越弱。鍍鋅鋼構件在山區服役兩年后鍍鋅層表面顏色變成淺灰，局部仍有金屬光澤。在山區服役5年后，鍍鋅層整體轉變成淺灰色，表面無金屬光澤。在重工業區服役10年后，鍍鋅層表面顏色變深，無金屬光澤；服役12年后，局部出現紅色銹點，服役15年后，表面呈暗紅色，出現大面積浮銹，結果如圖1所示。

圖1　鍍鋅鋼服役后的宏觀腐蝕形貌

2.2鍍鋅鋼構件服役后的微觀腐蝕形貌

鍍鋅鋼構件的表面微觀腐蝕形貌如圖2所示，截面微觀形貌如圖3所示。鍍鋅鋼構件服役后表面出現了明顯的腐蝕產物層和裂紋，而且隨服役年限增加，腐蝕產物層越來越厚，裂紋數量和寬度明顯增加，鍍鋅層厚度逐年減薄。全新鍍鋅層厚度可達109 μm，在山區服役2年后，盡管表面無明顯腐蝕產物層，但鍍鋅層厚度已減薄至98 μm。在山區服役5年的鍍鋅鋼構件表面出現了明顯的腐蝕產物層，去掉腐蝕產物層鍍鋅層厚度僅剩71 μm，但此時的腐蝕產物較致密，表面無裂紋，具有較好的保護作用。在重工業區運行10年的鍍鋅鋼構件，表面形貌圖上可見明顯腐蝕產物，而截面圖上則看不到明顯的腐蝕產物層，可能是由于腐蝕產物層較疏松，制樣過程中存在腐蝕產物脫落的可能性。通過截面微觀形貌圖可以看出剩余鍍層存在大量針狀裂紋，該針狀裂紋表層粗、內部細，橫穿整個鍍鋅層，致使鍍鋅層的保護作用明顯減弱。該鍍鋅鋼構件鍍層剩余厚度為58 μm。在重工業區服役12年的鍍鋅鋼構件可見明顯的腐蝕產物層，去掉腐蝕產物層鍍層剩余厚度僅為20 μm，而且腐蝕產物層存在大量裂紋，對基體的保護效果差。在重工業區服役15年的鍍鋅鋼構件表面裂紋寬而密集，腐蝕產物出現大面積脫落，結合宏觀腐蝕照片可以看出，表面出現大量紅銹，鍍鋅層早已無保護作用。可見服役年限越長，鍍鋅鋼構件腐蝕越嚴重，鍍層的保護效果越差。

圖2　鍍鋅鋼服役后的表面微觀腐蝕形貌

圖3　鍍鋅鋼服役后的截面微觀腐蝕形貌

2.3鍍鋅鋼構件服役后的表面成分

通過便攜式X射線熒光光譜儀獲得鍍層表面化學成分，求出每一測試點Fe元素和Zn元素含量的比值，然后再將所測6點的Fe元素和Zn元素的比值求平均值，即獲得被測鍍鋅鋼構件表面成分的Fe/ Zn比。圖4所示為6種不同服役年限鍍鋅鋼表面成分Fe/Zn比。結果表明：隨著鍍鋅鋼服役年限的增加，表面Fe/Zn比值增加。鍍層表面成分Fe/Zn比與鍍鋅鋼構件服役年限和腐蝕程度成正比關系。

圖5為采用能譜儀進行線掃描獲得的鍍鋅鋼構件表層Fe元素和Zn元素的成分分布圖。在鍍鋅層的整個截面中Fe元素和Zn元素的含量相對穩定，全新鍍鋅層中Fe元素和Zn元素含量差距最大，隨服役年限和腐蝕程度增加，Fe元素和Zn元素含量差距越來越小。在重工業污染區服役15年的鍍鋅鋼構件，鍍層表面Fe元素含量約為Zn元素含量的1/3。采用能譜儀和便攜式光譜儀獲得的鍍層表面化學成分具有較好的一致性，便攜式光譜儀可以快速獲得鍍層表面化學成分，得到鋼構件表面Fe/Zn比。

圖4　鍍鋅鋼服役后的表面Fe/Zn比

圖5　鍍鋅鋼服役后的鍍層截面元素線掃描圖

2.4鍍鋅鋼構件服役后的開路電位

圖6為在山區和重工業污染區服役不同年限的6種鍍鋅鋼構件在3.5%NaCl溶液中測得的開路電位—時間曲線。未曾服役的全新鍍鋅鋼構件開路電位最低，在山區服役2年和5年的鍍鋅鋼構件開路電位略高于全新鍍鋅鋼構件。而在重工業區服役10年、12年和15年的鍍鋅鋼構件，開路電位明顯高于其他3種鋼構件，而且隨服役年限增加開路電位上升。開路電位升高有兩方面原因：一方面是由于隨鍍鋅層服役時間增加，表層腐蝕產物增加，腐蝕產物的存在導致開路電位升高；另一方面是因為鋼構件表面的Fe元素含量增加，Fe的標準電極電位高于Zn的標準電極電位，因此鍍鋅層表面Fe元素含量越高，構件的開路電位越高［7］。開路電位升高也進一步證明：鍍鋅鋼構件服役過程中，隨腐蝕程度增加，鍍層表面Fe元素含量增加，Zn元素含量降低，Fe/Zn比值增大。

圖6　鍍鋅鋼服役后的開路電位—時間曲線

3　結語

采用便攜式X射線熒光光譜儀測得的鍍鋅層表面元素含量Fe/Zn比與能譜線性掃描獲得的結果具有較好的一致性；便攜式X射線熒光光譜儀可用于快速測量在役鍍鋅桿塔表面元素含量。

輸變電桿塔鍍鋅鋼構件表面元素含量Fe/Zn比與鋼構件服役年限、腐蝕狀態具有明顯的相關性；鋼構件表面Fe/Zn比與構件服役年限成正比，與鍍鋅層剩余厚度成反比，可客觀判斷鍍鋅鋼構件的鍍層狀態。

［1］樊志斌，李辛庚，胡新芳，等.電弧噴涂Zn-22Al-Mg-RE合金涂層的耐蝕性能［J］.稀有金屬材料與工程，2014，43（3）：627-630.

［2］原徐杰，張俊喜，張世明，等.鍍鋅層破損輸電桿塔用鍍鋅鋼在干濕交替作用下的腐蝕行為［J］.中國腐蝕與防護學報，2013，33 （5）：395-399.

［3］Veleva L，Acosta M，Meraz E.Atmospheric corrosion of Zinc induced by runoff［J］.Corrosion Science，2009（51）：2 055-2 062.

［4］宋煥東.淺議高壓輸電線路的防腐措施［J］.民營科技，2010（1）：28-30.

［5］樊志彬，李辛庚.輸電桿塔鋼構件腐蝕防護技術現狀和發展趨勢［J］.山東電力技術，2013（1）：30-34.

［6］岳增武，李辛庚，樊志彬，等.輸電鐵塔腐蝕防護全壽命周期成本［J］.中國電力，2015，48（2）：150-155.

［7］梁成浩.金屬腐蝕學導論［M］.北京：機械工業出版社，1995.

Study on Relationship Between Corrosion State and Surface Composition for the Galvanized Steel

YAN Fengjie1，2，FENG Changzheng3，LI Xingeng1，YUE Zengwu1，GUO Kai1
（1.Material Laboratory of State Grid Corporation of China，Jinan 250003，China；2.Shandong Electric Power Industrial Boiler Pressure Vessel Inspection Center，Jinan 250003，China；3.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

The typical corrosion characters were analyzed by SEM，EDS，portable X ray fluorescence spectrometer and electrochemical testing technique.The relationship between surface composition and corrosion state for galvanized steel was studied.The result showed that，with the service life increased，the corrosion degree of the zinc coating was aggravated，the iron content of galvanized layer and the ratios of iron to zinc increased，in contrary，the zinc contents decreased.The results showed that there was a good correlation between the corrosion state and the mass percentage ratio of iron to zinc for galvanized steel.The chemical composition of the galvanized steel surface can be accurately acquired by portable X ray fluorescence spectrometer.The mass percentage ratio of iron to zinc can be used to evaluate the corrosion state of the transmission tower steel components.

transmission tower；galvanized steel；the ratio of iron to zinc；corrosion state

TG179

A

1007-9904（2016）07-0008-04

2016-02-03

閆風潔（1976），女，高級工程師，從事輸變電鋼構件腐蝕評價方面的研究工作。