Q420碳鋼在川西高原地區大氣環境中的腐蝕行為

李偉光,肖 盼,潘吉林,林修洲

(1.電信科學技術第五研究所有限公司,成都 610062;2.四川成都土壤環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站,成都 610062;3.四川輕化工大學,自貢 643000)

川藏鐵路作為打通四川與西藏地區交通的大動脈,能夠極大地帶動中西部地區經濟社會發展,是我國“十三五”計劃的重中之重,加快川藏鐵路建設意義重大[1]。然而,川藏鐵路沿線生態環境系統復雜,海拔起伏變化大,氣候變化劇烈,這對各類材料和設備的安全服役形成了較大考驗,特別是川西高原地區,氣候環境極為嚴苛、多變,高寒與亞熱帶半濕潤氣候交錯,風力強,日溫差大,淋露、覆霜現象嚴重,對鐵路基礎材料的性能劣化產生了未知的影響[2-3]。

碳鋼作為川藏鐵路修建的基礎性料之一,其腐蝕與失效直接決定了川藏鐵路的使用壽命。針對不同的環境條件,影響碳鋼大氣腐蝕的主要環境因素通常有3個:(1) 在零度以上時濕度超過臨界濕度 (80%) 的時間;(2) SO2的含量;(3) 鹽粒子、灰塵粒子的含量[4-6]。在不同環境中,碳鋼材料的腐蝕機理存在差異。王志高等[7]研究了Q235碳鋼在四川德陽地區3個變電站環境中暴露1 a的大氣腐蝕行為,發現腐蝕產物主要由α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4組成,且腐蝕嚴重地區銹層中α-FeOOH含量有所增加。宋子博等[8]對Q235碳鋼在冀北地區進行了暴露1 a的大氣腐蝕試驗,結果表明相對濕度對碳鋼的腐蝕影響最大,此外大氣中SO2含量對腐蝕速率的影響大于Cl-。劉雨薇等[9]對碳鋼Q235和耐候鋼Q450NQR1 在南沙大氣環境中的初期腐蝕行為進行了研究,發現兩種鋼的腐蝕產物主要為γ-FeOOH、α-FeOOH和Fe3O4,且朝天面的產物中Fe3O4含量少于朝地面,γ-FeOOH的含量多于朝地面。Q420碳鋼常用于鐵路橋梁鋼結構,目前對于Q420碳鋼材料在川西高原地區大氣環境的腐蝕行為研究較少。

筆者選取理塘(海拔4 000 m)和雅江(海拔2 600 m)作為川西高原和高山峽谷區域的典型代表,對暴曬1 a的Q420碳鋼試樣進行分析和測試。通過失重試驗、拉曼光譜分析、電化學測試等,研究了Q420碳鋼在川西高原地區的腐蝕行為特點,以期為川藏鐵路的建設和川藏地區材料的長周期使用與防護提供參考。

1 試 驗

試驗材料為Q420碳鋼,將其制成100 mm×50 mm×3 mm的大氣暴曬標準樣,Q420碳鋼的主要化學成分如表1所示。自然環境暴露試驗地點為理塘和雅江,自然環境暴露試驗方法參照GB/T 14165-2008《金屬和合金大氣腐蝕試驗現場試驗的一般要求》執行。

表1 Q420碳鋼的化學成分

按照GB/T 19292.4-2018《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 第四部分:用于評估腐蝕性的標準試樣的腐蝕速率的測定》,去除表面腐蝕產物,計算試片暴曬1 a后的腐蝕速率。

采用基恩士VHX-7000型超景深體視學顯微鏡對帶銹試樣以及除銹后試樣的形貌和多個區域的腐蝕坑深度進行觀察和統計。

采用LabRAM HR拉曼光譜儀分析腐蝕產物的主要成分。

采用瑞士萬通Autolab PGSTAT302N電化學工作站進行極化曲線測試和電化學阻抗(EIS)測試。采用傳統三電極體系,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和氯化銀電極,工作電極為大氣暴曬1 a后的表面帶銹Q420碳鋼試樣。 EIS測試結果使用ZSimpwin軟件進行等效擬合。

2 結果與討論

2.1 腐蝕速率

按照GB/T 19292.4-2018標準,用除銹液去除試樣表面腐蝕產物后,酒精清洗,冷風干燥后稱量。按照式(1)計算腐蝕速率。

(1)

式中:r為腐蝕速率,g/(m2·a);W1為試樣原始質量,g;W2為試樣去除腐蝕產物后質量,g;a,b和c分別為試樣長、寬、厚;t為試樣在大氣中暴曬的時間,t=1 a。

Q420碳鋼在雅江的平均腐蝕速率為23.75 g/(m2·a),在理塘的平均腐蝕速率為8.48 g/(m2·a)。根據GB/T 19292.1-2018《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性 第1部分:分類、測定和評估》,Q420碳鋼在理塘大氣環境中的腐蝕等級屬于C1級,而其在雅江環境中的大氣腐蝕等級為C2級。

使用超景深體視學顯微鏡對Q420碳鋼試樣表面進行觀察,由圖1和2可見:經過雅江大氣環境1 a大氣暴曬后,試樣表面的腐蝕產物成片、成團簇結構,部分區域出現一定程度的開裂和孔洞,裂縫等缺陷的存在有利于腐蝕性介質穿過銹層截面,加速碳鋼的腐蝕;在理塘大氣環境中1 a大氣暴曬后,試樣表面腐蝕產物則成點狀分布,腐蝕產物分布較為分散,與碳鋼基體連結緊密。

圖1 Q420碳鋼理塘大氣環境中暴曬1 a后表面微觀形貌和腐蝕坑分布圖Fig.1 Surface micro-morphology (a) and distribution of corrosion pits (b) of Q420 carbon steel exposed to air in Litang atmosphere for 1 year

圖2 Q420碳鋼雅江大氣環境中暴曬1 a后表面微觀形貌和腐蝕坑分布圖Fig.2 Surface micro-morphology (a) and distribution of corrosion pits (b) of Q420 carbon steel exposed to air in Yajiang atmosphere for 1 year

由圖1和2還可見:在雅江或理塘大氣環境中暴曬1 a后,試樣表面均出現明顯的腐蝕坑, 對多個視野內的腐蝕坑深度進行統計,雅江大氣環境中Q420碳鋼的最大腐蝕坑深度為57.11 μm,而在理塘大氣環境中試樣的最大腐蝕坑深度為24.88 μm。試樣在雅江或理塘大氣環境中暴曬1 a后的平均蝕坑深度分別為15.13 μm和9.47 μm。可以看出,Q420鋼在雅江大氣環境中腐蝕更加嚴重。

2.2 銹層成分分析

由圖3可見:在不同地區大氣暴曬1 a后,Q420碳鋼表面腐蝕產物主要都由γ-FeOOH、α-FeOOH和γ-Fe2O3組成,此外,理塘地區試樣表面的腐蝕產物中出現了α-Fe2O3。研究表明[10],在腐蝕初期,碳鋼銹層成分以Fe2O3為主,大約占80%(質量分數)[11-13]。保護性銹層要具有以下兩個條件,即好的附著力及致密性。由于Fe2O3粗大的枝晶,銹層孔洞較大,致密性差,Fe2O3只會使銹層變得疏松和多孔,并降低銹層的附著力。相反α-FeOOH晶體形貌呈致密團狀,晶體團相互之間緊密堆積,這使其既有好的致密性又有好的附著力,能更好地隔絕基體與腐蝕環境,提高基體的耐蝕性。γ-FeOOH不易形成相對致密的氧化膜,不利于提高材料的耐蝕性。在腐蝕環境中,初期形成的腐蝕產物γ-FeOOH穩定性較低,發生向α-FeOOH和γ-Fe2O3轉變的相變反應;然后γ-Fe2O3再轉變成γ-Fe2O3和α-Fe2O3。

圖3 Q420碳鋼在雅江、理塘大氣環境中暴曬1 a后的拉曼光譜Fig.3 Raman spectra of Q420 carbon steel exposed to the atmosphere of Yajiang (a) or Litang (b) for 1 year

2.3 電化學試驗

為了解銹層對Q420碳鋼腐蝕行為的影響,對在雅江和理塘環境中大氣暴露1 a的Q420碳鋼帶銹試樣進行了電化學性能測試,試驗溶液為3.5%NaCl溶液[14]。從圖4可以看出,在不同地區暴曬1 a后,碳鋼試樣的腐蝕電流密度相差不大,在雅江地區試樣的腐蝕電流密度略大于在理塘地區試樣的。

圖4 在不同地區大氣環境中暴曬1 a后試樣的極化曲線Fig.4 Polarization curves of samples exposed to different atmospheric environments for 1 year in different regions

帶銹試樣的電化學阻抗譜能夠反映銹層的結構特點,如圖5所示,Rs為溶液電阻,CPEf為腐蝕產物層電容,Rf為電極表面腐蝕產物層電阻,CPEdl為工作電極表面的雙電層電容,Rt為工作電極表面反應的電荷轉移電阻。在等效電路中,Rf可以反映銹層的致密性和其阻礙腐蝕介質離子透過薄膜層的能力,它是評價銹層保護能力大小的關鍵參數; Rt則在一定程度上反映出基體發生電化學腐蝕反應的難易程度[15]。由表2可見:在理塘大氣環境中暴曬1 a后,試樣的Rf遠大于在雅江大氣環境中試樣的。由腐蝕產物微觀形貌可知,在雅江大氣環境中試樣表面銹層出現一定程度的開裂和孔洞,這有利于腐蝕性介質穿過銹層截面,將加快碳鋼的腐蝕;在理塘環境中試樣表面的銹層致密,腐蝕產物間結合緊密,阻礙了基體與介質的反應,減緩碳鋼表面的進一步腐蝕。通過氣象站在線監測兩地雨季氣候環境參數發現,地處川西高原的理塘呈現低氣溫特性,日平均氣溫、日最低氣溫和日最高氣溫均顯著低于地處川西高山峽谷的雅江,降雨量和空氣相對濕度值高出雅江10%～16%。研究表明,干濕交替的干濕比越大,對碳鋼腐蝕的加速作用越顯著[16]。此外理塘的污染物濃度、光照量、紫外線強度、風速均明顯高于雅江,這些環境因素也可對材料的性能劣化產生一定的影響。綜上可以判斷,雅江地區更高的溫度是造成碳鋼在該地區自然環境中腐蝕程度更為嚴重的主要原因。

圖5 在不同地區大氣環境中暴曬1 a后試樣的電化學阻抗譜及其等效電路Fig.5 EIS (a) and its equivalent circuit (b) of samples exposed to different atmospheric environments in different regions for 1 year

表2 EIS擬合結果

3 結 論

(1) 在雅江和理塘大氣環境中暴曬1 a后,Q420碳鋼表面均出現明顯的銹層,平均腐蝕速率分別為23.75 g/(m2·a)和 8.48 g/(m2·a);最大腐蝕坑深度分別為57.11 μm和24.88 μm;平均點腐深度分別為15.13 μm和9.47 μm。Q420碳鋼在雅江大氣環境中的腐蝕更為嚴重。

(2) 在雅江和理塘大氣環境暴曬1 a后,Q420碳鋼表面腐蝕產物主要由γ-FeOOH、α-FeOOH和γ-Fe2O3組成。此外,理塘地區試樣的腐蝕產物出現了α-Fe2O3。

(3) 在理塘大氣環境中,Q420碳鋼表面腐蝕產物層的電阻和電荷轉移電阻均遠高于在雅江環境中的,表明腐蝕產物對于基體的保護作用也相對較好。氣溫是Q420碳鋼在理塘和雅江兩地腐蝕行為差異的主要因素。