景觀鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕行為研究

鄒海棠

（西寧市園林規(guī)劃設(shè)計(jì)院，西寧 810000）

引言

隨著近年來國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和綠地景觀建筑的蓬勃發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)作為一種具有極具美觀和良好承載能力的建筑結(jié)構(gòu)形式，在現(xiàn)代化綠地景觀鋼結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而，由于綠地景觀中的鋼結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，使用過程中往往并非采用單一的鋼種來制作，通常還會(huì)存在異種金屬連接以及金屬與非金屬之間的連接形式，由此會(huì)帶來鋼結(jié)構(gòu)的縫隙腐蝕問題[2,3]，也正是因?yàn)榭p隙腐蝕的存在，鋼結(jié)構(gòu)的外觀和使用壽命都會(huì)受到明顯影響，嚴(yán)重情況下還會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)破壞[4]。直到目前為止，雖然縫隙腐蝕已被廣大科研工作者所熟知，但是金屬與金屬、金屬與非金屬等縫隙結(jié)構(gòu)形式對(duì)縫隙腐蝕的影響方面的報(bào)道仍然較少，具體作用機(jī)理也不清楚[5-8]。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了HP-13Cr/TP140、PTFE/TP140、TP140/TP140和 TP140鋼4種縫隙結(jié)構(gòu)，通過浸泡腐蝕和電化學(xué)腐蝕來表征材料的耐腐蝕性能差異，結(jié)果將有助于具有良好耐縫隙腐蝕的綠地景觀鋼結(jié)構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)基材包括綠地景觀鋼結(jié)構(gòu)用TP140鋼和HP-13Cr鋼，其中，TP140鋼的主要元素化學(xué)成分為（質(zhì)量 分 數(shù)，%）：0.026C、0.25Si、0.92Mn、0.006P、0.001S、1.025Cr、0.422Mo、0.039Ni、0.098V、0.002Ti、0.001Nb、0.071Cu，余量為 Fe；HP-13Cr鋼的主要元素化學(xué)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：0.007C、0.17Si、0.42Mn、12.2Cr、5.79Ni、1.98Mo、0.082Ti，余量為 Fe。TP140鋼和HP-13Cr鋼的彈性模量分別為192 GPa和216 GPa、屈服強(qiáng)度分別為991 MPa和850 MPa。

根據(jù)ASTM G48和ASTM G78標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綠地景觀鋼結(jié)構(gòu)用鋼的縫隙腐蝕試驗(yàn)，縫隙腐蝕試樣的裝配圖如圖1，試樣尺寸為（30×40×5）mm；TP140鋼/聚四氟乙烯（PTFE）縫隙腐蝕試驗(yàn)采用狹槽結(jié)構(gòu)、TP140/HP-13Cr等構(gòu)成的縫隙腐蝕試樣采用圓柱結(jié)構(gòu)[9]。腐蝕介質(zhì)組成為：188 mg/L HCO3-、12 780 mg/ Cl-、428 mg/L SO42-、8 170 mg/L Ca2+、550 mg/L Mg2+、6 600 mg/L K+、76 200 mg/L Na+。

采用高溫高壓釜進(jìn)行浸泡腐蝕試驗(yàn)，鋼結(jié)構(gòu)試樣分氣相和液相置于反應(yīng)釜中，溫度118 ℃、CO2氣體分壓為1 MPa、浸泡腐蝕時(shí)間為300 h，浸泡腐蝕結(jié)束后參照GB/T 16545-1996標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行表面腐蝕產(chǎn)物清除，去除腐蝕產(chǎn)物溶液為500 mL鹽酸+4 g六次甲基四胺+500 mL蒸餾水，室溫去除20 min后分別用清水和無(wú)水乙醇清洗、吹干和稱重，計(jì)算腐蝕速率[10]；電化學(xué)性能測(cè)試在IE 6.0型電化學(xué)工作站中進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，Ag/AgCl為參比電極、鉑片為輔助電極、縫隙腐蝕試樣為工作電極，極化曲線測(cè)試的掃描速率為1 mV/s，交流阻抗譜的測(cè)試頻率范圍為100 kHz～10 MHz；采用日本電子IT500型鎢燈絲掃描電鏡對(duì)縫隙腐蝕表面形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果及討論

表1為鋼結(jié)構(gòu)用鋼在液相和氣相中的腐蝕速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，縫隙構(gòu)成包括TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140。可見，在相同的溫度和腐 蝕 溶 液 中，TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140在液相中的腐蝕速率分別為0.534、1.840、2.232和3.142 mm/a，在氣相中的腐蝕速率分別為0.249、0.393、0.488和0.538 mm/a。對(duì)于相同縫隙構(gòu)成的鋼結(jié)構(gòu)用鋼，液相中的腐蝕速率要高于氣相中的腐蝕速率，且相同環(huán)境下，不同縫隙構(gòu)成的鋼的腐蝕速率從大至小順序?yàn)椋篐P-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞ TP140。造成這種現(xiàn)象的原因在于，HP-13Cr/TP140縫隙結(jié)構(gòu)中存在電偶腐蝕作用，腐蝕速率會(huì)有所加速；PTFE在浸泡腐蝕過程中會(huì)有輕微變形，促進(jìn)縫隙腐蝕的萌生和發(fā)展，腐蝕速率也會(huì)相對(duì)較大[11]；TP140/TP140鋼由于存在縫隙，縫隙腐蝕的存在也會(huì)使得腐蝕速率相對(duì)TP140鋼更大。

圖1 縫隙腐蝕裝配圖

表1 鋼結(jié)構(gòu)用鋼的縫隙腐蝕速率

圖2 TP140鋼在液相和氣相浸泡腐蝕后的表面SEM形貌

圖2為TP140鋼在液相和氣相浸泡腐蝕后的表面SEM形貌。對(duì)比分析可知，TP140鋼在液相中的腐蝕相對(duì)氣相中更加嚴(yán)重，液相中的表面腐蝕形貌中可見尺寸不等的顯微凹坑，而氣相中的表面腐蝕形貌中可見較淺的腐蝕凹坑。表面腐蝕形貌的觀察結(jié)果與表1的縫隙腐蝕速率的觀察結(jié)果保持一致，即液相中的腐蝕速率更大，腐蝕程度更加嚴(yán)重。

表2為TP140鋼在液相和氣相浸泡腐蝕后的縫隙腐蝕程度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從最大腐蝕深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在液相中的最大腐蝕深度分別為-86.91、-101.49和-139.88 μm，在氣相中的最大腐蝕深度分別為-10.34、-31.31和-37.27 μm；從平均腐蝕深度來看，TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140在液相中的平均腐蝕深度分別為-9.14、-10.34和-11.37 μm，在氣相中的平均腐蝕深度分別為-0.01、-1.73和-2.67 μm。可見，最大腐蝕深度和平均腐蝕深度從大至小的順序?yàn)椋篐P-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140。

圖3為鋼結(jié)構(gòu)用鋼的陽(yáng)極極化曲線，分別列出了TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在腐蝕介質(zhì)中的極化曲線測(cè)試結(jié)果，表3中同時(shí)列出了相應(yīng)的極化曲線擬合結(jié)果。可見，TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140的腐蝕電位分別為-401.36、-490.43、-533.59和-592.43 mV，腐蝕電流密度分別為 0.33、3.27、10.03和15.82×10-4A/cm2。腐蝕電位從大至小順序?yàn)椋篢P140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140，腐蝕電流密度從大至小的順序?yàn)椋篐P-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。根據(jù)腐蝕電位和腐蝕電流密度從金屬材料耐腐蝕性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，腐蝕電位越正則材料抵抗腐蝕的能力越強(qiáng)，腐蝕電流密度越大則腐蝕速率越快[11]，由此可知，綠地景觀鋼結(jié)構(gòu)用鋼的耐腐蝕性能從高至低的順序?yàn)椋篢P140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。

表2 TP140鋼在液相和氣相浸泡腐蝕后的縫隙腐蝕程度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 鋼結(jié)構(gòu)用鋼的陽(yáng)極極化曲線

表3 陽(yáng)極極化曲線擬合結(jié)果

圖4 鋼結(jié)構(gòu)用鋼的電化學(xué)阻抗譜圖

圖4為鋼結(jié)構(gòu)用鋼的電化學(xué)阻抗譜圖，縫隙結(jié)構(gòu)包 括 TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140。對(duì)比分析可知，4種不同縫隙結(jié)構(gòu)的容抗弧半徑存在較大差異，其中，容抗弧半徑從大至小順序?yàn)椋篢P140＞ TP140/TP140＞ PTFE/TP140＞ HP-13Cr/TP140。根據(jù)電化學(xué)阻抗譜中容抗弧半徑與材料耐腐蝕性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，容抗弧半徑越大則表示材料抵抗腐蝕的能力更強(qiáng)[13]，可見，電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試結(jié)果與極化曲線測(cè)試結(jié)果相吻合。綜合而言，無(wú)論是TP140/TP140、PTFE/TP140和HP-13Cr/TP140縫隙結(jié)構(gòu)，其耐腐蝕性能都低于單一TP140鋼，這主要是因?yàn)榭p隙結(jié)構(gòu)中由于有縫隙的存在而形成了加速了縫隙腐蝕，且異種金屬的縫隙腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重[14]，其次為PTFE/TP140，而同種金屬的縫隙腐蝕會(huì)相對(duì)較小。

3 結(jié)論

1）對(duì)于相同縫隙構(gòu)成的鋼結(jié)構(gòu)用鋼，液相中的腐蝕速率要高于氣相中的腐蝕速率，且相同環(huán)境下，不同縫隙構(gòu)成的鋼的腐蝕速率從大至小順序?yàn)椋篐P-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。最大腐蝕深度和平均腐蝕深度從大至小的順序?yàn)椋篐P-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞ TP140/TP140。

2）TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕電位分別為-401.36、-490.43、-533.59和-592.43 mV，腐蝕電流密度分別為0.33、3.27、10.03和15.82×10-4A/cm2。腐蝕電位從大至小順序?yàn)椋篢P140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140，腐蝕電流密度從大至小的順序?yàn)椋篐P-13Cr/TP140＞PTFE/TP140＞TP140/TP140＞TP140。

3）TP140、TP140/TP140、PTFE/TP140和 HP-13Cr/TP140的容抗弧半徑從大至小順序?yàn)椋篢P140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。電化學(xué)阻抗譜的測(cè)試結(jié)果與極化曲線測(cè)試結(jié)果相吻合，即綠地景觀鋼結(jié)構(gòu)用鋼的耐腐蝕性能從高至低的順序?yàn)椋篢P140＞TP140/TP140＞PTFE/TP140＞HP-13Cr/TP140。