輸電鐵塔用耐候鋼耐腐蝕性能研究

張瑞琦，渠秀娟，劉志偉，郭曉宏，鐘彬，李琳

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司中厚板事業部，遼寧 鞍山114021）

目前，輸電鐵塔使用鋼材主要為Q235、Q345、Q420熱軋角鋼及Q235、Q345普通熱軋冷彎型鋼，大氣腐蝕占塔架總腐蝕損失的一半以上。輸電鐵塔通常用熱浸鍍鋅作為防腐手段，成本耗費較大且污染環境。采用耐候冷彎型鋼可以節省鋼材用量，降低鐵塔重量，可摒棄鍍鋅，直接裸露使用；耐候鋼在使用一段時間后，表面形成一層與基體牢固結合的致密銹層組織，該層能夠在一定程度上抵御大氣中水氣及有害離子的侵入，防止或極大地延緩基體金屬進一步銹蝕，有利于保護環境，全壽命周期中社會和經濟效益顯著。

本文通過實驗室成分設計、冶煉、軋制，研制出輸電鐵塔用耐候試驗鋼，采用不同耐腐蝕性能評價方法，對鋼板在模擬海洋大氣和工業大氣環境下的耐腐蝕性能進行詳細分析比較，以獲得適合工業試制的輸電鐵塔用耐候鋼。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用200 kg真空感應電爐冶煉4爐試驗鋼，使用Φ750 mm×550 mm高剛度熱軋試驗機組，經兩階段軋制成厚度為6 mm的成品。生產工藝參數如表1所示。試驗鋼化學成分如表2所示。

表1 生產工藝參數Table 1 Process Parameters in Production

表2 試驗鋼化學成分（質量分數）Table 2 Chemical Compositions of Tested Steel（Mass Fraction） %

1.2 試驗方法

實地大氣曝曬是評價耐候鋼的耐腐蝕性能最常用也是最經典的試驗方式，其優點是接近實際使用情況，缺點是試驗周期長、速度慢、耗費巨大，為在短時間內對輸電鐵塔用耐候鋼的耐腐蝕性能進行分析研究，本文采用實驗室加速試驗。輸電鐵塔使用范圍遍布全國各地，所處氣候環境包括海洋大氣、工業大氣、鄉村田園大氣等各種不同類型。因此，采用周期浸潤腐蝕試驗（TB/T 2375-1993《鐵路用耐候鋼周期浸潤腐蝕試驗方法》）、中性鹽霧腐蝕試驗（GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗：鹽霧試驗》）來模擬工業大氣及海洋大氣環境。周期浸潤腐蝕試驗通過試樣在空氣與特殊液體溶液中干/濕交替的腐蝕過程模擬在實際大氣環境中的腐蝕狀況，可以在較短的時間內預測材料的長期耐腐蝕性能；中性鹽霧腐蝕試驗是利用鹽霧試驗箱，在其容積空間內用人工的方法制造鹽霧環境來對產品的耐鹽霧腐蝕性能進行考核。其鹽霧環境下氯化物的鹽濃度很高，使腐蝕失重速率大大提高，得出結果的時間也大大縮短。此外，金屬在大氣中的腐蝕是一種電化學過程，采用電化學開路電位和陽極極化曲線測試材料基體的電化學行為，可用以評價材料的相對腐蝕傾向，電化學試驗具有廣泛性、實用性和易用性的特點。

1.2.1 周期浸潤腐蝕試驗

試驗在蘇南環試JR-A模擬浸蝕試驗機上進行，考察4組輸電鐵塔用耐候鋼與對比試樣Q345B腐蝕72 h后的行為。試驗條件見表3。

表3 試驗條件Table 3 Test Conditions

試樣尺寸為4.5 mm×40 mm×60 mm，試驗進行72 h后，對試片進行除銹，并每組測定5個平行試樣，計算腐蝕失重速率，取其平均值。其中，腐蝕失重速率計算公式如下：

式中，W為腐蝕失重速率，g/（m·h）；G為試樣原始重量，g；G為試樣試后重量，g；a 為試樣長度，mm；b 為試樣寬度，mm；c為試樣厚度，mm；t為試驗時間，h。

1.2.2 中性鹽霧試驗

采用Q-FOG循環鹽霧腐蝕試驗箱進行168 h試驗，NaCl溶液濃度為5%（50 g/L），試樣尺寸為4.5 mm×50 mm×50 mm。采用失重方法來評估金屬的腐蝕情況，同樣采用公式（1），每組3個平行試樣取其平均值。

1.2.3 電化學腐蝕試驗

采用美國EG&E公司生產的M398電化學腐蝕測試系統，分別用3.5%NaCl和0.01 mol/L NaHSO溶液模擬海洋大氣和工業大氣環境，進行 1、2、3、4試驗鋼和對比試樣 Q345B 的電化學試驗，通過研究輸電鐵塔用耐候鋼的開路電位和陽極極化曲線預判其耐腐蝕性能，電化學試驗裝置采用三電極體系，工作電極 （研究電極）為待測試樣，工作面積為1 cm，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑絲網。所用化學試劑為去離子水配制的分析純，試驗溫度（22±1）℃，掃描速度為0.5 mV/s。

2 討論與分析

2.1 周期浸潤腐蝕試驗

72 h 周期浸潤腐蝕試驗后，1、2、3、4試驗鋼和對比試樣Q345B的腐蝕速率見圖1。

圖1 周期浸潤腐蝕速率Fig.1 Corrosion Rate of Periodic Immersion Corrosion Test

從圖中可以看出 1、2、3、4試驗鋼的腐蝕速率波動非常小。其中4試驗鋼的腐蝕速率最高為1.225 g/（m·h）。1～4試驗鋼腐蝕速率分別為 Q345B的33.0%、33.5%、32.4%、35.7%。結合表2中各鋼樣化學成分可知，在周期浸潤腐蝕條件下，Ni含量增加對試驗鋼耐腐蝕性能無明顯影響。Cr小于1.0%時，Cr含量增加對耐腐蝕性能影響不明顯。綜合可知，3耐腐蝕性能相對較好。進一步使用掃描電鏡對試驗鋼銹層表面形貌進行觀察，結果見圖2。

圖2 銹層形貌Fig.2 Appearance of Rust Layer

銹層表面形貌可以在一定程度上反映材料耐腐蝕性能的好壞，銹層表面越致密，裂紋孔洞越少，其耐腐蝕性能就越好。 1、2、3、4試驗鋼銹層表面均沒有明顯裂紋，銹層表面比較致密，阻礙腐蝕介質的進一步侵蝕。Q345B銹層表面粗糙松軟、有肉眼可見裂紋，腐蝕介質會通過裂紋到達基體表面，持續引起基體腐蝕，加速腐蝕程度。

2.2 中性鹽霧腐蝕試驗

1、2、3、4試驗鋼和 Q345B 經 168 h 中性鹽霧試驗后，腐蝕速率如圖3所示。

圖3 中性鹽霧試驗腐蝕速率Fig.3 Corrosion Rate of Neutral Salt Spray Test

可知，在經過鹽霧腐蝕后，3的腐蝕速率最低，1的腐蝕速率最高，1、2、3、4與 Q345B 的相對值分別為66.4%、62.7%、61.0%、64.3%，耐腐蝕性能優于Q345B。

2.3 電化學腐蝕試驗

分別以0.01 mol/L NaHSO和3.5% NaCl溶液作為電解液，觀察評估4種試驗鋼在模擬工業大氣和海洋大氣環境下的腐蝕行為。

在0.01 mol/L NaHSO溶液中進行電化學腐蝕試驗，測得的開路電位和陽極極化曲線如圖4所示。從圖4（a）中可以看出，5種試樣開路電位由高至低順序為 3＞2＞1＞4＞Q345B，5 種試樣發生腐蝕傾向性由小到大的順序依次為 3＜2＜1＜4＜Q345B；Q345B的開路電位最低，腐蝕傾向性最大。4種試驗鋼之間互相電位差幾乎相同，最高3和最低4試驗鋼差值約為0.06 V。從圖4（b）的陽極極化曲線可以看出4種試驗鋼在工業大氣環境下，耐腐蝕性能基本相同，均明顯優于Q345B。試驗結果與周期浸潤腐蝕試驗的總體趨勢是一致的。

圖4 電化學腐蝕試驗（0.01 mol/L NaHSO3溶液）Fig.4 Electrochemical Corrosion Test（0.01 mol/L NaHSO3Solution）

圖5為5種試樣在3.5%NaCl溶液中進行電化學腐蝕試驗，測得的開路電位和陽極極化曲線。從圖5（a）可以看出5種試樣開路電位由高至低順序為 4＞3＞1＞2＞Q345B，5 種試樣發生腐蝕的傾向性由小到大的順序依次為 4＜3＜1＜2＜Q345B，4種試驗鋼互相間電位差相差極小，1、4試驗鋼最大差值在0.03 V之內；從圖5（b）的陽極極化曲線可以看出，4種試驗鋼的耐腐蝕性能相差同樣非常小，但均優于Q345B。電化學試驗結果與中性鹽霧試驗結果的總體趨勢是一致的。

圖5 電化學腐蝕試驗（3.5%NaCl溶液）Fig.5 Electrochemical Corrosion Test（3.5%NaCl Solution）

2.4 討論

Cr是提高耐候鋼耐腐蝕性能的重要元素，耐候鋼中加入Cr可使腐蝕產物向非晶態轉化，形成穩定化銹層；Ni是提高鋼耐腐蝕性能的有效元素，加入Ni能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，主要以NiFeO存在于尖晶石型氧化物中，促進了尖晶石向較細、致密結構轉變，增加了鋼的穩定性，但通常Ni含量大于3.5%才對Cl腐蝕較為有效；Cu是最早認識的耐腐蝕合金元素，無論在鄉村大氣、工業大氣還是海洋大氣中，含Cu鋼都具有較普碳鋼優良的耐腐蝕性能。關于Cu對改善鋼耐腐蝕性能作用機理主要有三種：一為Tomashov提出的促進陽極鈍化論，認為鋼與表面二次析出的Cu之間的陰極接觸，能促進鋼陽極鈍化，并形成保護性較好的銹層；另一種為Cu富集說，認為在基體與銹層之間形成以CuO為主要成分與基體結合牢固的中間層，具有較好的保護作用；還有一種說法認為Cu和P等合金元素一起改變了銹層的吸濕性，從而提高了臨界濕度，這樣也有利于提高基體的耐腐蝕性能。前兩種解釋都是基于Cu在鋼的表面及銹層中的富集現象，因此這兩種機制可能同時起作用。

本文中由于合金元素 Cr、Ni、Cu 的添加，1、2、3、4試驗鋼耐腐蝕性能無論是在模擬海洋大氣還是工業大氣環境下都優于Q345B。4種試驗鋼通過周期浸潤腐蝕試驗、中性鹽霧腐蝕試驗、電化學腐蝕試驗可知，耐腐蝕性能差別微小，說明當Cr含量小于1.0%時，隨著Cr含量的增加，對于耐腐蝕性能沒有實質性影響。綜合可知，3試驗鋼在不同腐蝕環境中的耐腐蝕性能略具優勢。

3 結語

通過周期浸潤腐蝕試驗、中性鹽霧腐蝕試驗、開路電位和陽極極化曲線可知，無論是模擬海洋大氣還是工業大氣環境，4種輸電鐵塔用耐候鋼耐腐蝕性能差別微小，處于同一水平，但皆明顯優于Q345B。當Cr含量小于1.0%時，對1～4試驗鋼的耐腐蝕性能沒有實質性影響；當Ni含量較低時，其變化對于耐腐蝕性能的影響不顯著。綜合分析，3試驗鋼耐腐蝕性能最優，適合工業試制。