輸變電用Q345HN耐候鋼鐵塔異材搭接螺栓的電偶腐蝕行為

王凌旭,何錦航,孫 博,白 潔,王 勇,鄧鳳淋,曹長勝,張 鵬,華建坤,梁 宇

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院, 貴陽 550002;2.中國電建集團貴州電力設(shè)計研究院有限公司, 貴陽 550002;3.貴州大學(xué), 貴陽 550025)

耐候鋼是介于普通鋼與不銹鋼之間的低合金鋼,耐大氣腐蝕性能是普通碳素鋼的2～8倍[1],可以快速形成致密的α-FeOOH銹層以保護基體[2]。因具有免涂裝、長效防腐蝕等優(yōu)點,在橋梁工程領(lǐng)域,耐候鋼結(jié)構(gòu)已得到規(guī)?；瘧?yīng)用[2]。但在輸變電領(lǐng)域,耐候鋼鐵塔仍處于試點應(yīng)用階段[3],其主要原因是對耐候鋼鐵塔的結(jié)構(gòu)安全與耐蝕機理認識不足,缺乏相關(guān)的零部件配套與執(zhí)行標準,因此其推廣受限。

螺栓是搭建耐候鋼鐵塔的必要組成,根據(jù)腐蝕原理,螺栓材料應(yīng)盡量與母板材料保持相同以避免電偶腐蝕。但由于Q355NH等耐候鋼的強度不足[2],為滿足緊固連接的高強度要求,業(yè)內(nèi)主流仍采用含碳量較高的高強度鍍鋅螺栓進行緊固連接。由于耐候鋼母板與異材螺栓之間存在成分、組織以及腐蝕電位差異,在自然腐蝕環(huán)境中,極易構(gòu)成電偶腐蝕與縫隙腐蝕共存的混合腐蝕[4],造成鐵塔結(jié)構(gòu)提前松弛、變形等不良影響[5]。顧曉勇等[6]開發(fā)了牌號為NHL10的耐候螺栓,雖然NHL10的含碳量已提升至0.26%(質(zhì)量分數(shù)),仍不可避免會與Q355NH母材構(gòu)成電位差異[6-10]。因此,探明異材螺栓與母板之間的電偶腐蝕行為對耐候鋼銹層生長及腐蝕過程的影響具有重要意義。

本工作分別選用普通鍍鋅螺栓與不銹鋼螺栓作為低電位電偶與高電位電偶的代表性螺栓,Q355NH作為耐候鋼母板,研究了耐候鋼母板與不同材料螺栓緊固連接后,連接部位周邊在鹽霧加速腐蝕環(huán)境中的電偶腐蝕行為;利用有限元仿真軟件進行數(shù)值模擬,結(jié)合電化學(xué)測試輸入實測參數(shù),驗證了連接體在潮濕液膜環(huán)境中的電偶腐蝕行為及影響。

1 試驗

1.1 試樣

試驗選用Q355NH耐候鋼板材,市售碳鋼鍍鋅螺栓(M16×40 mm)與304L不銹鋼螺栓(M16×40 mm),螺母與螺栓同材。耐候鋼主要成分由直讀光譜儀(Q4-TASMAN, Bruker,德國)進行測定,見表1。

表1 Q355NH鋼的化學(xué)成分

1.2 試樣制備

將5 mm厚的耐候鋼板材切割為50 mm×50 mm試塊,在試塊中央?yún)^(qū)域加工直徑φ16 mm通孔。試塊表面采用噴砂機進行表面除銹處理,采用砂紙逐級打磨試樣表面并拋光后,無水酒精清洗,冷風(fēng)干燥稱量。將市售M16螺栓/螺母套件除油清洗并稱量,采用定扭力扳手將緊固件安裝在母板通孔上,緊固扭矩設(shè)定為60 N·M。

1.3 鹽霧腐蝕試驗

鹽霧腐蝕參數(shù):NaC1質(zhì)量分數(shù)5%,pH=6.5～7.2,試驗溫度(35±2)℃?？諝怙柡退臏囟葹?45±2)℃。80 cm2鹽霧收集量為1.52 mL/h,24 h連續(xù)噴霧。

為驗證緊固件與母板之間的電偶腐蝕效應(yīng),將Q355NH-304緊固件與Q355NH-鍍鋅緊固件分別進行裝配與孤立的鹽霧腐蝕試驗,詳見表2。

表2 鹽霧試驗參數(shù)

Q355NH母板與各緊固件裝配前均采用分析天平稱量(精度0.001 g)。鹽霧試驗后,計算腐蝕質(zhì)量損失。腐蝕質(zhì)量損失為單位面積腐蝕失重:(m0-mi)/S,其中m0為初始質(zhì)量,mi為完全除銹后質(zhì)量,S為試樣的暴露面積。除銹劑參照國標GB/T16545—2015配制,除銹劑的配比為500 mL鹽酸(HCl,1.19 g/mL)添加3.5 g六次甲基四胺,再加入1 500 mL蒸餾水。

1.4 電化學(xué)測試

使用CS350(武漢科思特)電化學(xué)工作站測試極化曲線,采用三電極系統(tǒng)，Pt電極為輔助電極,飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極,分別以拋光后的Q355NH、拋光后的市售304不銹鋼螺栓以及鍍鋅螺栓表層作為工作電極,所有電極的非工作面均采用環(huán)氧樹脂灌封掩蔽,電極暴露在電解質(zhì)中的區(qū)域為六角螺栓上方平面,工作面積均為0.5 cm2。

腐蝕電解池于恒溫箱中保持(30±2)℃,采用3%NaCl水溶液作為腐蝕介質(zhì)。極化曲線掃描速率為0.5 mV/s,掃描以電極的開路電位OCP為中心基準,測量范圍為-1.0～+1.5 V(相對于OCP)。

1.5 數(shù)值模擬

采用有限元軟件模擬螺栓裝配結(jié)構(gòu)接觸界面周邊的腐蝕電流分布與腐蝕界面演化,建模采用3維空間1∶1對稱建模,結(jié)合二維截面分析,網(wǎng)格劃分及工作面示意如圖1所示。主要邊界條件初始值設(shè)置如下:電解質(zhì)電導(dǎo)率σ1=0.1 S/m;各材料的開路電位依據(jù)極化曲線掃描結(jié)果確定,分別記為NH_OCP,SS_OCP及Zinc_OCP;極化電流計算采用內(nèi)插函數(shù)將各材料的實測極化曲線導(dǎo)入,通過材料極化電位與極化電流的伏安關(guān)系,得出構(gòu)件各處的電勢/電流分布結(jié)果;求解器采用“電流分布初始化”與“瞬態(tài)”聯(lián)用,瞬態(tài)求解器根據(jù)電流分布求算電極被溶解后的下一時間點形態(tài),最終得到螺栓隨時間的腐蝕演化結(jié)果。

圖1 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分與材質(zhì)設(shè)定示意

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕失重及宏觀形貌

由圖2(a)可見:304SS緊固件明顯加速了Q355NH母板的電偶腐蝕,在裝配條件下,作為陽極的Q355NH母板的質(zhì)量損失為82.51 mg/cm2,而孤立條件下的母板質(zhì)量損失為60.98 mg/cm2；經(jīng)過1 200 h鹽霧試驗后,裝配條件下耐候鋼母板的質(zhì)量損失是孤立狀態(tài)下的131%,表明304SS螺栓對耐候鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成了顯著的電偶腐蝕加速。而304SS的總體腐蝕質(zhì)量損失極小,對比兩種狀態(tài)下的304SS螺栓可見,其腐蝕質(zhì)量損失差異不明顯。這表明304SS螺栓在孤立條件下,也能保持良好的鈍化性與較高的極化電阻,在裝配條件下,304SS也未出現(xiàn)質(zhì)量損失大幅度減少。

由圖2(b)可見:鍍鋅層雖具有犧牲陽極的保護作用,在鹽霧腐蝕環(huán)境中,裝配條件下的耐候鋼母板并未出現(xiàn)明顯的腐蝕質(zhì)量損失減小,而鍍鋅螺栓卻出現(xiàn)了較為嚴重的腐蝕失重；經(jīng)過1 200 h鹽霧腐蝕后,隨著鍍鋅層完全溶解,基體碳鋼進一步加速腐蝕,其單位面積的腐蝕速率達101.73 mg/cm2。值得注意的是,鍍鋅螺栓在孤立狀態(tài)下的質(zhì)量損失遠不及其在裝配狀態(tài)下的。這表明鍍鋅層與Q355NH的偶接屬于典型的大陰極-小陽極的電偶腐蝕關(guān)系,螺栓上鍍鋅層的設(shè)計厚度僅可滿足緊固件自身的腐蝕防護,當鍍鋅層與大面積耐候鋼結(jié)構(gòu)偶接時,較高電位的耐候鋼結(jié)構(gòu)將在短時間內(nèi)使緊固件表面的鍍鋅層溶解,使之失去保護作用。

(a) Q355NH-304SS緊固件

為獲取緊固件與母板連接部位的截面形貌,將干燥后的裝配試樣利用環(huán)氧樹脂進行了整體澆筑并切割打磨。由圖3可見:經(jīng)過600 h鹽霧試驗后,304SS邊緣光潔,界面位置未觀察到明顯的腐蝕產(chǎn)物層；而Q355NH母板一側(cè),臨近不銹鋼螺栓界面的10 mm范圍內(nèi),出現(xiàn)了近2.5 mm的銹蝕產(chǎn)物層,且有明顯的向下凹陷跡象；同時,在遠離不銹鋼螺栓位置,耐候鋼的銹層生長均勻且無集中腐蝕的現(xiàn)象?？梢源_定,在304SS螺栓周邊,Q355NH母板會受到明顯的電偶腐蝕影響。此外,腐蝕加速區(qū)域所形成的銹層存在明顯的孔洞,表明耐候鋼銹層在生長過程中,若基體受到陽極極化影響,銹蝕產(chǎn)物的沉積會因生長過速而出現(xiàn)疏松,表觀上不具有良好的隔離保護作用。

(a) Q355NH-304SS緊固件

由圖3(b)可見:鍍鋅層幾乎不能對Q355NH起到保護作用。相反,鍍鋅層的存在,會制造臨近區(qū)域的陰極分布,干擾Q355NH銹層的生長。由圖4可見:鍍鋅螺栓孤立懸掛時,即使經(jīng)過600 h鹽霧腐蝕,鋅層仍得到保留。而當其與耐候鋼耦合時,除螺紋封閉部位不受影響外,其余區(qū)域均不見鍍鋅層殘留。因此,鍍鋅層在與耐候鋼偶合時屬于犧牲陽極,耐候鋼在鍍鋅層存續(xù)期間會得到部分陰極電流保護。這種保護作用短時間內(nèi)會抑制耐候鋼的陽極過程,從而限制銹層的快速生長。因此,螺栓界面位置主要由螺栓承擔腐蝕,而在耐候鋼母板上,臨近螺栓界面區(qū)域沒有較厚的銹層產(chǎn)物層生長,反而在遠離螺栓區(qū)域,可見較為致密的腐蝕產(chǎn)物層生長。

(a) 孤立試樣

由圖5可見:在不銹鋼造成的陽極加速溶解區(qū)域,Q355NH表層依然形成了一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜,但在陽極極化的作用下,陽極區(qū)域上方生成了大量的疏松銹層,造成了氧化產(chǎn)物的過量生成,未起到保護作用。

圖5 600 h鹽霧腐蝕后,不銹鋼螺栓裝配試樣在連接部位的SEM形貌

由圖6可見:經(jīng)過600 h鹽霧腐蝕后,鍍鋅螺栓連接的部位有大量Zn元素由鍍層溶出而進入腐蝕產(chǎn)物層。表明在耐候鋼的電偶腐蝕促進下,鍍鋅層發(fā)生了大面積脫溶,鍍鋅層在陽極極化的作用下發(fā)生顯著的陽極溶解,在螺栓表面的剩余鋅含量幾乎消耗完全。

(a) SEM形貌

2.2 極化曲線測試

由圖7可見:304不銹鋼在3.5%NaCl溶液中自腐蝕電位最正(-0.417 V),屬于3者中的強陰極;鍍鋅層自腐蝕電位最負(-1.076 V),屬于3者中的強陽極;耐候鋼Q355NH的極化曲線恰好位于兩電極之間?？梢钥闯?鍍鋅層的自腐蝕電流主要受陰極極化控制,當極化電位正移越過自腐蝕電位后,鍍鋅層的陽極溶解電流急劇增長,當其與耐候鋼耦合時,A點恰好位于鋅陽極溶解的活性區(qū),從而造成螺栓上鍍層的快速溶解。當耐候鋼與不銹鋼電極構(gòu)成電偶對時,不銹鋼陰極極化曲線交于耐候鋼的鈍化區(qū),但由于耐候鋼的鈍化區(qū)間較窄,在實際環(huán)境中,電偶接觸時仍容易將耐候鋼極化至活性腐蝕區(qū)域,引起腐蝕加速。

圖7 試樣在3.5%NaCl溶液中極化曲線

極化曲線的數(shù)據(jù)本質(zhì)上是電勢V與極化電流C的函數(shù)映射關(guān)系,因此,先定義三個函數(shù),分別記為NH_CV、SS_CV與Zinc_CV，將極化曲線中各自的CV關(guān)系導(dǎo)入所定義的函數(shù),再將函數(shù)應(yīng)用于對應(yīng)材料的局部電流密度計算,分別得出兩種材料組合在電解質(zhì)中的電偶腐蝕規(guī)律(圖略)。結(jié)果表明:不銹鋼與耐候鋼之間為小陰極-大陽極腐蝕模型,耐候鋼更集中在不銹鋼螺栓周邊發(fā)生腐蝕,遠端腐蝕程度較小。同時,受耐候鋼極化特點影響,較高的極化電位容易造成陽極電流急劇增加,從而加劇不銹鋼螺栓周邊耐候鋼的溶解。在電偶腐蝕過程中鍍鋅螺栓各處的溶解電流均受陽極極化的影響而造成較大程度溶解減薄,故相對耐候鋼,鍍鋅的溶解總體表現(xiàn)為整體減薄,僅在接近耐候鋼邊界時表現(xiàn)為一定程度的優(yōu)先溶解。模擬結(jié)果表明,當鍍鋅螺栓與耐候鋼構(gòu)成電偶對時,電偶腐蝕影響會傳遞到相對較遠的距離,同時,由于鍍鋅層對陽極極化敏感,短時間內(nèi)即會造成鍍鋅層整體溶解,這一點與圖4的觀察結(jié)果完全一致。

3 結(jié)論

不銹鋼螺栓、鍍鋅螺栓與耐候鋼連接存在一定風(fēng)險。采用不銹鋼螺栓時,受強陽極極化影響,螺栓周邊耐候鋼會形成疏松的過快增長銹層,不能形成致密、具有保護作用的腐蝕產(chǎn)物膜;當采用鍍鋅螺栓時,受陰極電流影響,耐候鋼腐蝕產(chǎn)物膜會在鍍鋅螺栓周邊停止增長,破壞銹層結(jié)構(gòu)完整。同時,在電偶的作用下，螺栓鍍鋅層會在短時間內(nèi)脫溶,失去保護作用。