輸電鐵塔鍍鋅鋼腐蝕狀態(tài)與表面成分關(guān)系研究

閆風(fēng)潔，馮長(zhǎng)征，李辛庚，岳增武，郭　凱

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司電工新材料技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（山東），濟(jì)南　250003；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，濟(jì)南　250003；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南　250001）

輸電鐵塔鍍鋅鋼腐蝕狀態(tài)與表面成分關(guān)系研究

閆風(fēng)潔1，2，馮長(zhǎng)征3，李辛庚1，岳增武1，郭凱1

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司電工新材料技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（山東），濟(jì)南250003；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，濟(jì)南250003；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001）

采用SEM、便攜式X射線熒光光譜儀、EDS和電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，分析在某山區(qū)和重工業(yè)區(qū)服役鍍鋅鋼構(gòu)件典型腐蝕特征。研究鋼構(gòu)件表面Fe元素和Zn元素成分變化與鋼構(gòu)件腐蝕狀態(tài)的關(guān)系。結(jié)果表明，隨鍍鋅鋼構(gòu)件服役年限增加，鍍鋅層腐蝕程度加重，鍍鋅層Fe元素含量增加，Zn元素含量減少，F(xiàn)e/Zn比值增加，鍍鋅層表面Fe/Zn比與腐蝕劣化程度成正比。采用便攜式X射線熒光光譜儀測(cè)量鍍鋅鋼構(gòu)件表面化學(xué)成分含量，具有較高的準(zhǔn)確性，可用于桿塔腐蝕狀態(tài)評(píng)價(jià)。

輸電塔；鍍鋅鋼；Fe/Zn比；腐蝕狀態(tài)

0　引言

鋅在大氣環(huán)境下具有良好的耐腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于輸電桿塔鋼構(gòu)件防腐，目前常用的防腐形式為熱鍍鋅［1-3］。桿塔鋼構(gòu)件由于長(zhǎng)期服役于野外，在腐蝕環(huán)境中極易受到嚴(yán)重破壞，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行［4-5］。準(zhǔn)確判斷鍍鋅層的有效性，及時(shí)對(duì)桿塔鋼構(gòu)件進(jìn)行防腐維護(hù)，在保證輸電線路安全運(yùn)行的前提下，可降低桿塔全壽命周期防腐成本［6］。

目前，對(duì)桿塔鋼構(gòu)件鍍鋅層腐蝕狀態(tài)的評(píng)價(jià)主要依據(jù)線路工人的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)目測(cè)進(jìn)行判斷，存在主觀隨意性。通過(guò)分析不同運(yùn)行年限鍍鋅桿塔鋼構(gòu)件化學(xué)成分與典型腐蝕特征，探討了鍍鋅層表面Fe元素和Zn元素成分變化與鍍鋅層有效性的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果顯示普通鍍鋅層表面Fe/Zn比與鋅層的腐蝕狀態(tài)存在明顯的相關(guān)性。

1　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為現(xiàn)場(chǎng)割取的在役桿塔鍍鋅鋼構(gòu)件，包含某山區(qū)投運(yùn)2年和5年的鍍鋅件以及重工業(yè)污染區(qū)投運(yùn)10年、12年和15年的鍍鋅件。對(duì)取回來(lái)的角鋼采用Supra55場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣表面和截面形貌，使用Oxford-max 20能譜儀測(cè)量截面元素分布。采用尼通Xl3t便攜式X射線熒光光譜儀在被測(cè)試試樣上隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn)測(cè)量鍍層表面化學(xué)成分，測(cè)試前，先用無(wú)水乙醇清洗測(cè)試點(diǎn)浮灰。開(kāi)路電位測(cè)量采用PAR2273電化學(xué)工作站，測(cè)量系統(tǒng)為三電極體系，試樣為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑片作為輔助電極。

2　結(jié)果及討論

2.1鍍鋅鋼構(gòu)件服役后的宏觀腐蝕形貌

鍍鋅桿塔表面顏色變化是反映鍍鋅層腐蝕狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。隨著鍍鋅層逐漸失去金屬光澤，顏色由淺變深，鍍鋅層對(duì)基體的保護(hù)作用越來(lái)越弱。鍍鋅鋼構(gòu)件在山區(qū)服役兩年后鍍鋅層表面顏色變成淺灰，局部仍有金屬光澤。在山區(qū)服役5年后，鍍鋅層整體轉(zhuǎn)變成淺灰色，表面無(wú)金屬光澤。在重工業(yè)區(qū)服役10年后，鍍鋅層表面顏色變深，無(wú)金屬光澤；服役12年后，局部出現(xiàn)紅色銹點(diǎn)，服役15年后，表面呈暗紅色，出現(xiàn)大面積浮銹，結(jié)果如圖1所示。

圖1　鍍鋅鋼服役后的宏觀腐蝕形貌

2.2鍍鋅鋼構(gòu)件服役后的微觀腐蝕形貌

鍍鋅鋼構(gòu)件的表面微觀腐蝕形貌如圖2所示，截面微觀形貌如圖3所示。鍍鋅鋼構(gòu)件服役后表面出現(xiàn)了明顯的腐蝕產(chǎn)物層和裂紋，而且隨服役年限增加，腐蝕產(chǎn)物層越來(lái)越厚，裂紋數(shù)量和寬度明顯增加，鍍鋅層厚度逐年減薄。全新鍍鋅層厚度可達(dá)109 μm，在山區(qū)服役2年后，盡管表面無(wú)明顯腐蝕產(chǎn)物層，但鍍鋅層厚度已減薄至98 μm。在山區(qū)服役5年的鍍鋅鋼構(gòu)件表面出現(xiàn)了明顯的腐蝕產(chǎn)物層，去掉腐蝕產(chǎn)物層鍍鋅層厚度僅剩71 μm，但此時(shí)的腐蝕產(chǎn)物較致密，表面無(wú)裂紋，具有較好的保護(hù)作用。在重工業(yè)區(qū)運(yùn)行10年的鍍鋅鋼構(gòu)件，表面形貌圖上可見(jiàn)明顯腐蝕產(chǎn)物，而截面圖上則看不到明顯的腐蝕產(chǎn)物層，可能是由于腐蝕產(chǎn)物層較疏松，制樣過(guò)程中存在腐蝕產(chǎn)物脫落的可能性。通過(guò)截面微觀形貌圖可以看出剩余鍍層存在大量針狀裂紋，該針狀裂紋表層粗、內(nèi)部細(xì)，橫穿整個(gè)鍍鋅層，致使鍍鋅層的保護(hù)作用明顯減弱。該鍍鋅鋼構(gòu)件鍍層剩余厚度為58 μm。在重工業(yè)區(qū)服役12年的鍍鋅鋼構(gòu)件可見(jiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物層，去掉腐蝕產(chǎn)物層鍍層剩余厚度僅為20 μm，而且腐蝕產(chǎn)物層存在大量裂紋，對(duì)基體的保護(hù)效果差。在重工業(yè)區(qū)服役15年的鍍鋅鋼構(gòu)件表面裂紋寬而密集，腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)大面積脫落，結(jié)合宏觀腐蝕照片可以看出，表面出現(xiàn)大量紅銹，鍍鋅層早已無(wú)保護(hù)作用?？梢?jiàn)服役年限越長(zhǎng)，鍍鋅鋼構(gòu)件腐蝕越嚴(yán)重，鍍層的保護(hù)效果越差。

圖2　鍍鋅鋼服役后的表面微觀腐蝕形貌

圖3　鍍鋅鋼服役后的截面微觀腐蝕形貌

2.3鍍鋅鋼構(gòu)件服役后的表面成分

通過(guò)便攜式X射線熒光光譜儀獲得鍍層表面化學(xué)成分，求出每一測(cè)試點(diǎn)Fe元素和Zn元素含量的比值，然后再將所測(cè)6點(diǎn)的Fe元素和Zn元素的比值求平均值，即獲得被測(cè)鍍鋅鋼構(gòu)件表面成分的Fe/ Zn比。圖4所示為6種不同服役年限鍍鋅鋼表面成分Fe/Zn比。結(jié)果表明：隨著鍍鋅鋼服役年限的增加，表面Fe/Zn比值增加。鍍層表面成分Fe/Zn比與鍍鋅鋼構(gòu)件服役年限和腐蝕程度成正比關(guān)系。

圖5為采用能譜儀進(jìn)行線掃描獲得的鍍鋅鋼構(gòu)件表層Fe元素和Zn元素的成分分布圖。在鍍鋅層的整個(gè)截面中Fe元素和Zn元素的含量相對(duì)穩(wěn)定，全新鍍鋅層中Fe元素和Zn元素含量差距最大，隨服役年限和腐蝕程度增加，F(xiàn)e元素和Zn元素含量差距越來(lái)越小。在重工業(yè)污染區(qū)服役15年的鍍鋅鋼構(gòu)件，鍍層表面Fe元素含量約為Zn元素含量的1/3。采用能譜儀和便攜式光譜儀獲得的鍍層表面化學(xué)成分具有較好的一致性，便攜式光譜儀可以快速獲得鍍層表面化學(xué)成分，得到鋼構(gòu)件表面Fe/Zn比。

圖4　鍍鋅鋼服役后的表面Fe/Zn比

圖5　鍍鋅鋼服役后的鍍層截面元素線掃描圖

2.4鍍鋅鋼構(gòu)件服役后的開(kāi)路電位

圖6為在山區(qū)和重工業(yè)污染區(qū)服役不同年限的6種鍍鋅鋼構(gòu)件在3.5%NaCl溶液中測(cè)得的開(kāi)路電位—時(shí)間曲線。未曾服役的全新鍍鋅鋼構(gòu)件開(kāi)路電位最低，在山區(qū)服役2年和5年的鍍鋅鋼構(gòu)件開(kāi)路電位略高于全新鍍鋅鋼構(gòu)件。而在重工業(yè)區(qū)服役10年、12年和15年的鍍鋅鋼構(gòu)件，開(kāi)路電位明顯高于其他3種鋼構(gòu)件，而且隨服役年限增加開(kāi)路電位上升。開(kāi)路電位升高有兩方面原因：一方面是由于隨鍍鋅層服役時(shí)間增加，表層腐蝕產(chǎn)物增加，腐蝕產(chǎn)物的存在導(dǎo)致開(kāi)路電位升高；另一方面是因?yàn)殇摌?gòu)件表面的Fe元素含量增加，F(xiàn)e的標(biāo)準(zhǔn)電極電位高于Zn的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，因此鍍鋅層表面Fe元素含量越高，構(gòu)件的開(kāi)路電位越高［7］。開(kāi)路電位升高也進(jìn)一步證明：鍍鋅鋼構(gòu)件服役過(guò)程中，隨腐蝕程度增加，鍍層表面Fe元素含量增加，Zn元素含量降低，F(xiàn)e/Zn比值增大。

圖6　鍍鋅鋼服役后的開(kāi)路電位—時(shí)間曲線

3　結(jié)語(yǔ)

采用便攜式X射線熒光光譜儀測(cè)得的鍍鋅層表面元素含量Fe/Zn比與能譜線性掃描獲得的結(jié)果具有較好的一致性；便攜式X射線熒光光譜儀可用于快速測(cè)量在役鍍鋅桿塔表面元素含量。

輸變電桿塔鍍鋅鋼構(gòu)件表面元素含量Fe/Zn比與鋼構(gòu)件服役年限、腐蝕狀態(tài)具有明顯的相關(guān)性；鋼構(gòu)件表面Fe/Zn比與構(gòu)件服役年限成正比，與鍍鋅層剩余厚度成反比，可客觀判斷鍍鋅鋼構(gòu)件的鍍層狀態(tài)。

［1］樊志斌，李辛庚，胡新芳，等.電弧噴涂Zn-22Al-Mg-RE合金涂層的耐蝕性能［J］.稀有金屬材料與工程，2014，43（3）：627-630.

［2］原徐杰，張俊喜，張世明，等.鍍鋅層破損輸電桿塔用鍍鋅鋼在干濕交替作用下的腐蝕行為［J］.中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2013，33 （5）：395-399.

［3］Veleva L，Acosta M，Meraz E.Atmospheric corrosion of Zinc induced by runoff［J］.Corrosion Science，2009（51）：2 055-2 062.

［4］宋煥東.淺議高壓輸電線路的防腐措施［J］.民營(yíng)科技，2010（1）：28-30.

［5］樊志彬，李辛庚.輸電桿塔鋼構(gòu)件腐蝕防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.山東電力技術(shù)，2013（1）：30-34.

［6］岳增武，李辛庚，樊志彬，等.輸電鐵塔腐蝕防護(hù)全壽命周期成本［J］.中國(guó)電力，2015，48（2）：150-155.

［7］梁成浩.金屬腐蝕學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

Study on Relationship Between Corrosion State and Surface Composition for the Galvanized Steel

YAN Fengjie1，2，F(xiàn)ENG Changzheng3，LI Xingeng1，YUE Zengwu1，GUO Kai1
（1.Material Laboratory of State Grid Corporation of China，Jinan 250003，China；2.Shandong Electric Power Industrial Boiler Pressure Vessel Inspection Center，Jinan 250003，China；3.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

The typical corrosion characters were analyzed by SEM，EDS，portable X ray fluorescence spectrometer and electrochemical testing technique.The relationship between surface composition and corrosion state for galvanized steel was studied.The result showed that，with the service life increased，the corrosion degree of the zinc coating was aggravated，the iron content of galvanized layer and the ratios of iron to zinc increased，in contrary，the zinc contents decreased.The results showed that there was a good correlation between the corrosion state and the mass percentage ratio of iron to zinc for galvanized steel.The chemical composition of the galvanized steel surface can be accurately acquired by portable X ray fluorescence spectrometer.The mass percentage ratio of iron to zinc can be used to evaluate the corrosion state of the transmission tower steel components.

transmission tower；galvanized steel；the ratio of iron to zinc；corrosion state

TG179

A

1007-9904（2016）07-0008-04

2016-02-03

閆風(fēng)潔（1976），女，高級(jí)工程師，從事輸變電鋼構(gòu)件腐蝕評(píng)價(jià)方面的研究工作。