鍍鋅鋼在多種典型土壤環境中的腐蝕行為

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(1. 北京科技大學 新材料技術研究院，海淀 100083; 2. 河北工程大學 材料科學與工程學院，邯鄲 056038)

接地網是連接電力設備的關鍵部件，是保證變電站和電網安全運行的重要組成部分。由于接地網埋在地下，土壤中大量存在的礦物質、水分氣體及微生物等復雜成分不可避免與其表面發生相互作用而引發金屬腐蝕，從而對電力系統產生嚴重影響。近年來，隨著電站容量的增加，接地網的腐蝕問題更加突出。接地裝置腐蝕會導致接地極的有效面積減小,不能達到排流效果,在遭受雷電或短路時,會破壞電氣設備,并引發火災，因接地網腐蝕斷裂導致電力系統不能正常運行的例子屢見不鮮，給國家帶來了巨大的經濟損失和資源浪費[1-4]。因此，了解接地目前，我國接地網材料多采用鍍鋅鋼，而國內外關于鍍鋅鋼腐蝕的研究還明顯不足,關于鍍鋅鋼在土壤環境中腐蝕行為的研究更是屈指可數[4-5]。雖已有部分研究對比了鍍鋅鋼與其他材料的腐蝕速率，并提出了鍍鋅鋼發生電化學腐蝕的過程，但鍍鋅鋼在土壤環境中的腐蝕機理尚未完全明了。

現場試驗是研究材料土壤腐蝕最可靠的方法[6-8]，能夠獲得最原始的資料，為掌握鍍鋅鋼在典型土壤環境中的腐蝕行為及其變化規律，在鷹潭(酸性)、北京(近中性)和庫爾勒(堿性)地區對鍍鋅鋼進行了現場埋片試驗。

本工作通過現場試驗，研究了鍍鋅鋼接地網材料在三種典型土壤環境中的腐蝕行為，并探討了土壤類型對鍍鋅鋼接地網材料腐蝕行為的影響規律。

1 試驗

試驗材料為熱鍍鋅Q235鋼，鍍鋅層厚度為80～120 μm。現場埋片的尺寸為100 mm×75 mm×3 mm。試樣表面經酒精擦洗，冷風吹干，稱量。埋片的邊緣用704膠進行涂封，涂封處干燥后測量試樣的裸露面積。

現場試驗地點分別為江西鷹潭、北京陽坊和新疆庫爾勒地區，現場試驗土壤埋設深度為1 m，土壤的理化性質見表1。埋片前坑底先回填10 cm厚細軟土，在厚細軟土上均勻間隔豎直放置試片，試片間距約30 cm。回填時按挖出的土層順序逆向回填，逐層夯實至回填土的厚度與密實度和原土相同。每種土壤埋設4片平行試樣，3片試樣用于測試腐蝕質量損失，1片試樣用于腐蝕產物層分析。鍍鋅鋼在土壤環境中的埋設周期為1 a。

表1 土壤的理化性質Tab. 1 The physical and chemical properties of the soils

采用數碼照相機及Quanta250型掃描電鏡(SEM)對清除腐蝕產物前后的埋片進行觀察，記錄其腐蝕形貌；通過失重法計算鍍鋅鋼的平均腐蝕速率；采用X射線衍射(XRD)對其銹層成分進行分析。

清洗腐蝕產物按照相關標準進行[7]，即用刀片將試片四周的硅膠封邊去除后，采用除銹液(200 g三氧化鉻+1 000 g蒸餾水)在超聲波中超聲1 min將試樣表面的腐蝕產物去除，在除銹的同時加入一個未腐蝕空白試樣。將除銹后的試樣先用蒸餾水清洗，再用酒精清洗，吹風機吹干后放入干燥器中，24 h后稱量，精確至0.01 mg，按式(1)計算腐蝕速率。

(1)

式中：v為腐蝕速率(g·cm-2·a-1)，m1去除腐蝕產物后試樣的質量(g)，m0為試樣的原始質量(g)，Δm為空白試樣的質量損失，S為試樣的面積(cm2)，t為試驗時間(a)。

2 結果與討論

2.1 腐蝕形貌

由圖1可見：鍍鋅鋼在三種土壤中埋設1 a后，其腐蝕特征為非均勻的全面腐蝕，表面有灰白色的腐蝕產物，未出現明顯的紅銹，說明在這三種典型土壤環境中,鍍鋅鋼基底Q235鋼均未發生腐蝕，鍍鋅層對Q235鋼的防護性能較好。鍍鋅鋼在鷹潭土壤中腐蝕最為嚴重，整個試樣表面基本布滿了腐蝕產物，產物層較厚；其在庫爾勒環境中的腐蝕次之，表面分布著白色腐蝕產物，局部可看到光亮的鍍鋅層；在北京土壤環境中，鍍鋅鋼腐蝕最為輕微，表面分布少量白色產物，較多的光亮鍍鋅層未發生腐蝕。

由圖2可見：鍍鋅鋼在鷹潭土壤環境中埋設1 a后腐蝕最為嚴重，產生了較深的腐蝕坑；在庫爾勒土壤環境中的次之，產生了一定深度的腐蝕坑；而在北京土壤環境中埋設1 a后，試樣表面未形成明顯的腐蝕坑，腐蝕輕微且較為均勻。

(a) 鷹潭 (b) 北京 (c) 庫爾勒圖1 試樣在三種土壤中埋設1 a后的表面宏觀形貌Fig. 1 Macro morphology of samples after immersion in three kinds of soil for 1 a：(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

(a) 鷹潭 (b) 北京 (c) 庫爾勒圖2 試樣在三種土壤中埋設1 a后的表面微觀形貌(去除腐蝕產物)Fig. 2 Micro morphology of samples after immersion in three kinds of soil for 1 a (after removing corrosion products)：(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

2.2 腐蝕速率

由圖3可見：試樣在鷹潭土壤環境中的腐蝕最為嚴重，腐蝕速率為1.009 g/(dm2·a)。這可能是由于鷹潭土壤屬于酸性土壤，在強酸性條件下，氫的陰極去極化過程強化了整個腐蝕過程。其在庫爾勒土壤環境中的腐蝕次之，腐蝕速率為0.280 g/(dm2·a)。這是由于庫爾勒土壤屬于堿性土，土壤中氯離子的含量較高，這在一定程度上加速了鍍鋅層的腐蝕。當Cl-存在時，Cl-與Zn(OH)2中的Zn2+結合形成可溶性的鹽，削弱了表面的保護性。而腐蝕最為輕微的是在北京陽坊土壤環境中的試樣，其腐蝕速率僅為0.158 g/(dm2·a)。

2.3 腐蝕產物

由圖4可見：試樣表面的腐蝕產物主要為ZnO、Zn(OH)2和Zn5(CO3)2(OH)6。但在不同土壤中略有不同。鷹潭土壤環境中，可溶性鹽含量很低，氯離子、硫酸根離子也很低，不利于Zn5(CO3)2(OH)6向別的腐蝕產物轉化。而庫爾勒土壤中氯離子含量較高，因而產生了堿性氯化鋅[Zn5(OH)8Cl2·H2O]。試樣在北京土壤中腐蝕較為輕微，在金屬表面分散著少量的腐蝕產物，因此XRD圖譜中還有Zn的峰。

圖3 試樣在三種土壤中的腐蝕速率Fig. 3 Corrosion rates of samples in three kinds of soil

鍍鋅鋼發生電化學腐蝕一般經過以下四個步驟：(1) 鍍鋅層完整地覆蓋于整個鋼基體，鍍層發生腐蝕：(2) 鍍層發生部分破壞，鋅作為犧牲陽極對鋼基體提供陰極保護：(3) 鍍鋅層全部破壞，鋼基體開始腐蝕，鋅的腐蝕產物抑制腐蝕過程：(4) 鋼基體發生快速腐蝕。由鍍鋅鋼在鷹潭、庫爾勒、北京三種土壤中腐蝕1 a后銹層的形貌觀察及產物成分分析得知，基底Q235鋼均未遭受腐蝕，腐蝕過程主要為鍍鋅層的腐蝕。暴露在土壤中的鋅鍍層很容易發生電化學腐蝕，其在陽極區域溶解的同時，土壤中的O2或H+則在陰極區域被還原。

(a) 鷹潭 (b) 北京 (c) 庫爾勒圖4 試樣在三種土壤中腐蝕產物的XRD圖譜Fig. 4 XRD patterns of corrosion products of samples in three kinds of soil:(a) Yingtan; (b) Beijing; (c) Korla

鷹潭酸性土壤材料腐蝕試驗站位于江西省余江縣劉家站中國科學院紅壤生態試驗站內，東南接浙江、福建，西南接湖南、廣東，處于紅壤系列土壤分布區域的腹地，土壤類型為紅壤，pH為5.4，含鹽量0.011 0%，含水量21.4%，電導率0.07 mS/cm，平均溫度17.6 ℃。因為鷹潭土壤屬于酸性土壤，在強酸性條件下，氫的陰極去極化過程強化了整個腐蝕過程，因此熱浸鋅在鷹潭土壤中腐蝕最為嚴重。

北京地處東南濕潤半濕潤地區與西北干旱半干旱地區的交壤地帶，屬于典型的中性土壤。較低的含鹽量和含水量及近中性pH使得鍍鋅鋼腐蝕程度在三種土壤環境中最為輕微。

庫爾勒土壤站位于新疆庫爾勒市，東經86°16′，北緯41°21′，海拔884.9 m，土壤類型為戈壁荒漠土，pH 8.95，含鹽量0.62%，含水量3.98%，電導率2.0 mS/cm。雖然庫爾勒站含水量低，但其含鹽量較高，因此熱浸鋅在庫爾勒土壤環境中腐蝕較為嚴重。

3 結論

(1) 熱浸鋅在鷹潭、北京、庫爾勒三種土壤環境中的腐蝕特征均為非均勻的全面腐蝕。鷹潭土壤因pH低而腐蝕性最強、庫爾勒土壤因含鹽量高而腐蝕性較強、北京土壤環境腐蝕性最弱。

(2) 熱浸鋅的腐蝕產物的主要成分為ZnO、Zn(OH)2和Zn5(CO3)2(OH)6。庫爾勒土壤中含有較多量的氯離子，因而生產了堿性氯化鋅[Zn5(OH)8Cl2·H2O]。

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