酸雨對防雷裝置的腐蝕分析

呂長春++朱冬安

摘要 本文介紹了酸雨的形成和發展，分析了酸雨對金屬的腐蝕機理和腐蝕過程。為探究外部防雷裝置受酸雨的影響，通過模擬酸雨對材料腐蝕試驗中的基于質量減少法所得的數據，量化酸雨對金屬的腐蝕破壞程度。結果表明，隨著酸雨酸性的降低和SO2濃度的增加，金屬材料的腐蝕速率增大，導致防雷裝置的有效壽命大幅縮短。

關鍵詞 酸雨；防雷裝置；腐蝕；原理；模擬

中圖分類號 X517；TU856 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）22-0213-02

Abstract In this paper，the formation and development of acid rain were introduced，the mechanism and process of corrosion were analyzed. In order to investigate the influence of acid rain on the external lightning protection device，based on the data obtained from the simulation of acid rain in the corrosion test of materials，the corrosion damage degree of acid rain to metal was quantified. The results showed that with the decrease of acidity of acid rain and increase of SO2 concentration，the corrosion rate of metal materials increased，leading to a sharp reduction in the effective life of lightning protection devices.

Key words acid rain；lightning protection device；corrosion；mechanism；simulation

本文首先介紹中國酸雨的形成及其危害，接著分析了酸雨對金屬的腐蝕形式，進而研究酸雨對涉及防雷裝置金屬的腐蝕原理和分析。因為試驗條件有限，所用數據是王慧婷等在實驗室模擬酸雨對材料腐蝕試驗所得。然后，結合防雷裝置的規范要求、規格尺寸及失效形式，重點進行酸雨對防雷裝置腐蝕程度的分析，針對8 mm圓鋼在幾種不同酸雨酸度和SO2濃度下的有效壽命進行了預測。通過結果分析，得出結論，并提出相應的解決措施和建議。

1 酸雨的形成及危害

酸雨的形成與酸性物質的排放有密切關系，同時還有一些重要因素，如酸性污染物質的遷移和擴散、土壤性質、大氣中的硫酸銨和亞硫酸銨、大氣顆粒物。由于大氣顆粒主要來自于土壤，其組成與土壤組成非常相似，所以顆粒物酸堿性主要取決于土壤性質[1-4]。

2 酸雨對金屬的腐蝕

2.1 主要的腐蝕類型

防雷裝置多采用鋼筋、鐵等金屬材料，酸雨對其的腐蝕即為金屬腐蝕。金屬的腐蝕類型不是單一的，通常為混合發生[5-6]，主要的腐蝕形式有6種，分別為全面腐蝕、縫隙腐蝕、點蝕、晶間腐蝕、磨損腐蝕（沖刷腐蝕）、應力腐蝕破裂。

2.2 腐蝕原理

對材料大氣腐蝕因素有2種：環境因素和氣候因素。氣候因素是氣溫、大氣相對濕度、降雨、風向、日照等。大量研究表明，影響大氣腐蝕因素主要有3個：潤濕時間；鹽粒子的含量；氯離子、二氧化硫等離子的含量。研究得出，大氣腐蝕性可用綜合因子N來表示，綜合因子N又由雨水酸度、侵蝕因子、潤濕因子構成。

鐵銹的生成是一個比較復雜的化學過程，一般分為3個階段：①生產1～4 nm厚度穩定的鈍化狀態氧化物或氫氧化物膜；②當暴露于近中性的含水環境中時候，這層膜轉變為2種綠色沉積物；③然后綠銹轉變成易碎的氫氧化物和棕色氧化物層。通常情況下第一階段發生在毫秒到秒的量級內；第二階段，綠銹一般3 h左右形成；第三階段，四氧化三鐵的形成通常需要幾天的時間，其間碳鋼的腐蝕速率呈線性變化。

Mattsson總結了碳鋼在不同大氣環境中的年腐蝕速率：鄉村大氣4～65 μm；城市大氣23～71 μm；工業大氣25～175 μm；海洋大氣26～104 μm。耐候鋼的平均腐蝕速率低于碳鋼，在典型城市大氣中的年腐蝕速率為4～10 μm。

全國酸雨屬于硫酸型，而防雷裝置一般使用的金屬材料為鋼、鐵、鍍鋅鋼。因此，研究防雷裝置受酸雨的腐蝕主要考慮的是鐵和鋅在硫酸中的腐蝕。金屬的腐蝕主要有2種，即化學腐蝕和電化學腐蝕[7-8]。

2.3 腐蝕程度分析理論

衡量金屬的腐蝕程度常用的2種方法為質量法和電阻法。

若采用不同公式計算腐蝕速度，則年腐蝕速度（V）的計算公式分別如下。

質量法：質量增加法V+=（m1-m0）/A·d；質量減少法V-=k·Δm/（A·t·d）。

電阻法：絲狀試品腐蝕V=r0[1-（R0 /R1）1/2]/t·8 760；片狀試品腐蝕V={a+b-[（a+b）2-4ab△R/R1]1/2}/t·2 190。

其中，m1指所測試品腐蝕之后的質量；m0指試品的初始質量；k為常數；Δm為試品腐蝕前后的質量差，即m1-m0；A為所測試品的面積；t為試驗時間；d為試品的密度；r0為絲狀試品初始半徑；R1為絲狀試品腐蝕后電阻值；R0為絲狀試品初始電阻值；a、b為片狀試品截面的長和寬；ΔR為腐蝕前后電阻差值。

3 模擬酸雨對防雷裝置的腐蝕程度試驗

模擬酸雨對材料的腐蝕試驗，是一種在實驗室條件下模擬大氣環境中酸雨的腐蝕情況試驗，可以在短時間內得到材料受酸雨的腐蝕程度[8-9]。這種試驗方法被廣泛采用，并證明能夠很好地反映自然大氣環境下酸沉降對材料腐蝕的真實情況。endprint

用質量法進行實驗室條件下的模擬酸雨對金屬的腐蝕分析，是將試驗材料進行清洗、干燥等處理后，稱重（G0），將其放置在實驗室模擬的自然條件下，包括晝夜、光照、降雨、露的循環交替過程。配置酸雨樣品，提供光照、溫度、濕度、風、污染物質等環境因素，在上述條件下進行酸雨腐蝕試驗。經過充分的酸雨腐蝕過程后，對試驗材料進行清洗、干燥等處理，稱重（G1）。記錄腐蝕的過程及數據，然后進行酸雨對試驗材料的腐蝕定量及定性分析。

根據酸雨數據評估防雷裝置使用年限的分析的設想：針對王慧婷等的模擬酸雨對材料腐蝕試驗，其試驗數據可以進行防雷裝置受酸雨影響程度的評估[10-11]。

3.1 模擬酸雨對金屬材料腐蝕試驗的分析

表1和表2給出了試驗材料的失重數據和由此失重數據計算得到的相應試驗材料的年腐蝕速率。計算是以單位時間、單位面積上試品腐蝕后的重量損失得出腐蝕速率。

3.2 結果分析

由表2可知，酸雨的pH值對金屬的腐蝕程度有很大的影響。隨著pH值的降低，金屬的腐蝕加劇。對于A3鋼，在SO2濃度為10 mg/m3時，pH=5時的平均腐蝕速率為pH=6時的1.30倍；pH=4時的平均腐蝕速率為pH=6時的1.37倍；pH=3時的平均腐蝕速率為pH=6時的3.91倍。隨著酸雨的SO2濃度的增加，其對金屬的年腐蝕量增加。對于A3鋼，在pH=4時，SO2濃度為500 mg/m3時的腐蝕速率是SO2濃度為10 mg/m3時的2.16倍；SO2濃度為300 mg/m3時的腐蝕速率是濃度為10 mg/m3時的1.61倍；SO2濃度為100 mg/m3時的腐蝕速率是濃度為10 mg/m3時的1.54倍。A3鋼的腐蝕速率是鍍鋅鋼的腐蝕速率的5.2～22.1倍，是漆膜鋼的腐蝕速率的14.69～29.50倍。

各金屬的耐腐蝕性強弱順序依次為漆膜鋼>鍍鋅鋼>A3鋼。鍍鋅鋼和漆膜鋼使金屬的抗腐蝕性明顯增強。因此，對金屬進行熱鍍鋅和涂漆是很好的防腐措施。

4 參考文獻

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