上海市奉賢區(qū)降水成分分析及其腐蝕性能實驗

曾為民，吳慧蘭

(華東理工大學 機械與動力工程學院 承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海 200237)

上海市奉賢區(qū)降水成分分析及其腐蝕性能實驗

曾為民，吳慧蘭

(華東理工大學 機械與動力工程學院 承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室，上海 200237)

降水； 成分分析； 腐蝕； 碳鋼； 不銹鋼

0 引 言

水是人類賴以生存和國家可持續(xù)發(fā)展的可貴資源，我國人均水資源占有量約為世界人均水平的1/4，屬于水資源缺乏的國家。同時，水污染帶來的危害也日益凸現(xiàn)出來，其中，對建筑、橋梁、特別是鋼筋混凝土的腐蝕破壞是其重要的組成部分。隨著工業(yè)的發(fā)展，酸降的危害日益嚴重。我國酸降面積已占國土面積的1/3，不僅對生態(tài)損害極大，同時對建筑物、鋼筋混凝土也造成很大的腐蝕破壞[1-2]。1999年至今，我國多省市因為酸降造成的經(jīng)濟損失就高達130億元[3-10]。

我國是全球最大的鋼材消費國[11]，而其中建筑是用鋼大戶?？梢院敛豢鋸埖卣f，全世界半數(shù)以上的鋼筋混凝土工程項目、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，都是在中國大地上進行的。上海市是我國工程項目和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)最多的超大城市之一，而上海市奉賢區(qū)地處沿海又為工業(yè)廢氣排放嚴重區(qū)域。因此，持續(xù)跟蹤分析上海市奉賢區(qū)降水成分并研究其腐蝕性能將具有重要的社會意義和科學研究價值。

1 pH值和電導率測量結(jié)果及分析

在不同時間采用防揮發(fā)裝置在上海市奉賢區(qū)華東理工大學收集了2次降水，采用DDS-11A型電導率儀測試了其電導率，作為比較，同時測試了自來水和離子交換純凈水的電導率。采用PHS-25C型數(shù)顯酸度計測量了相關(guān)介質(zhì)的pH值。測量結(jié)果如表1所示。

表1 pH值和電導率測量結(jié)果

由表1可見，降水的電導率在0.8～2.0 mS/m，隨時間的變化有明顯的變化。降水的電導率與純凈水的電導率相當，但降水的電導率明顯低于自來水的電導率。根據(jù)電導率測試結(jié)果，可認為降水中存有微量的可溶性物質(zhì)，其溶解量與純凈水相當，遠低于自來水。

在2#降水前，上海有2個多月的時間沒有較大量的降水，空氣中灰塵量大，可溶性顆粒物增多，這可能是2#降水的電導率大大高于1#降水的電導率的原因。

另外，由pH值測量結(jié)果可見，2#降水的pH值明顯低于1#降水pH值，2#降水顯微酸性，這可能與奉賢區(qū)為工業(yè)廢氣排放嚴重區(qū)相關(guān)。

2 降水陰、陽離子的成分和含量分析

使用DIONEX600型高效離子色譜儀測試了2#降水中陰、陽離子的成分和含量，測試結(jié)果如表2所示。

表2 2#降水收集的降水中幾種陰、陽離子的含量

3 腐蝕浸泡實驗結(jié)果及分析

根據(jù)《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》GBl0124—1988進行了腐蝕浸泡實驗。采用1#降水、2#降水進行了碳鋼恒溫25 ℃ 72 h腐蝕浸泡實驗，試片為Q235鋼，尺寸為50 mm×20 mm×1 mm，降水腐蝕浸泡實驗前后試樣形貌如圖1所示，實驗結(jié)果如表3所示。由該表可見，2次不同時間收集的降水腐蝕速率相差不大，對普通碳鋼板(Q235)的腐蝕速率約為0.09 mm/a。

(a) 腐蝕浸泡前

(b) 腐蝕浸泡后

表3 碳鋼試樣在降水中恒溫25 ℃浸泡實驗結(jié)果(試樣面積0.002 m2，72 h)

碳鋼試樣在降水中腐蝕浸泡時，碳鋼試樣表面有黃色和褐色產(chǎn)物附著，降水中有黃色沉淀產(chǎn)物產(chǎn)生，浸泡實驗過程中未見氣泡產(chǎn)生。碳鋼試樣上的腐蝕產(chǎn)物用軟毛涮刷易擦除，與基體金屬表面的結(jié)合強度不高，擦除腐蝕產(chǎn)物后可暴露出新鮮表面，幾乎沒有腐蝕產(chǎn)物附著，表面未見深小孔狀腐蝕，腐蝕產(chǎn)物清除后形貌如圖2所示。

由以上實驗結(jié)果，可認為普通碳鋼板(Q235)在降水中的腐蝕機理符合耗氧腐蝕機理，其腐蝕歷程為：

鐵為陽極被氧化，

Fe→Fe2++2e-

氧氣為陰極被還原，

O2+H2O+4e-→4OH-

堿性、中性介質(zhì)，

Fe2++ 2OH-→Fe(OH)2

氧主要來自降水中的溶解氧。

圖2 碳鋼試樣在降水中腐蝕浸泡、清洗后形貌

4 電化學實驗結(jié)果及分析

采用CHI604B型電化學工作站進行電化學實驗，工作電極采用Q235鋼或者304L不銹鋼(試樣面積均為1 cm2)，鉑電極作輔助電極，參比電極為飽和甘汞電極。

4.1碳鋼在降水中的塔菲爾曲線測試結(jié)果及分析

實驗時，先將工作電極用粗砂紙去除表面氧化膜，然后用金相砂紙逐級打磨至鏡面光亮，最后用酒精清洗，置于干燥器中備用。

實驗采用三電極體系。取250 mL 2#降水倒入電解槽內(nèi)，安裝好工作電極、參比電極、輔助電極，并用恒溫水浴控制溫度。采用2 mV/s掃描速率從陰極向陽極進行動電位掃描，獲得不同恒定溫度下的Tafel曲線。實驗結(jié)果如圖3所示，CHI604B自帶軟件計算腐蝕速率如表4所示。

圖3 不同溫度時碳鋼試樣在2#降水中的Tafel曲線

由圖3可見，碳鋼試樣在2#降水中的Tafel曲線隨溫度升高形狀變化不大。陽極極化曲線沒有出現(xiàn)鈍化特征，沒有活化峰，隨電位升高，電流不斷增大，呈現(xiàn)活化狀態(tài)特征，因此，碳鋼在降水中表現(xiàn)為不斷地腐蝕。不同溫度時碳鋼試樣在2#降水中實驗結(jié)果如圖4所示。

表4 不同溫度下碳鋼在降水中的Tafel曲線實驗結(jié)果(試樣面積1 cm2)

圖4 溫度對碳鋼試樣在2#降水中腐蝕速率的影響

由表4及圖4可見，在溫度18～33 ℃，隨著溫度升高，碳鋼的腐蝕速率不斷升高，當溫度從18 ℃升高到33 ℃時，碳鋼的腐蝕速率增大了1倍多。但當溫度由33 ℃升高到38 ℃時碳鋼的腐蝕速率反而下降，這可能是溶液中的溶解氧在此溫度范圍內(nèi)下降較快造成的。

另外，電化學方法測試的腐蝕速率值明顯低于腐蝕浸泡法測試的腐蝕速率值，這可能是由于陰極極化時產(chǎn)生了大量的氫氣，氫氣逸出時部分驅(qū)除了溶液中溶解的氧氣，造成了腐蝕速率值偏低。

4.2304不銹鋼在降水中鈍化性能的電化學腐蝕實驗結(jié)果及分析

不銹鋼的主要合金元素為Cr、Ni，不銹鋼在空氣中不銹的主要原因是能在表面生成穩(wěn)定、致密的Cr2O3、NiO氧化物鈍化膜，但在一些特定介質(zhì)(如含氯離子等)中，鈍化膜受到破壞，就會發(fā)生小孔腐蝕或應(yīng)力腐蝕開裂等。

研究孔蝕的電化學方法較多，較普遍的是由采用穩(wěn)態(tài)慢速電位掃描方法得到的陽極環(huán)狀極化曲線研究孔蝕發(fā)生、發(fā)展的特征電位；由特征電位的數(shù)值和變化情況來判斷金屬和合金的孔蝕傾向，繼而評價鈍化膜的穩(wěn)定性。也可利用電位掃描曲線滯后環(huán)的面積來表征孔蝕程度，滯后環(huán)的面積越大，發(fā)生孔蝕的傾向越大[12-15]。采用304不銹鋼制作電化學試樣(工作電極，試樣面積為1 cm2)，2#降水作工作介質(zhì)，鉑電極作輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，采用CHI604B型電化學工作站進行恒溫25 ℃下電化學循環(huán)伏安試驗，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 304不銹鋼在2#降水中的循環(huán)伏安曲線

由圖5可得，擊穿電位Eb=1.06 V,保護電位Epr=0.53 V，兩者相差0.53 V。304不銹鋼在2#降水中的陽極極化曲線隨電位升高有一段近1.4 V的穩(wěn)定鈍化區(qū)，當電位達到1.0 V時,出現(xiàn)鈍化膜破裂,電流隨電位升高快速升高；當電位回掃時，電流不能完全沿原曲線回落，擊穿電位Eb和保護電位Epr兩者相差0.5 V左右，出現(xiàn)了一定面積的滯后環(huán)。這說明304不銹鋼在降水中的鈍化膜不完全穩(wěn)定，304不銹鋼在降水中有緩慢出現(xiàn)小孔腐蝕的可能性。

5 結(jié) 語

碳鋼試樣在2#降水中陽極極化曲線呈現(xiàn)活化狀態(tài)特征，表現(xiàn)為持續(xù)腐蝕。304不銹鋼在2#降水中有緩慢出現(xiàn)小孔腐蝕的可能性。

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Analysis of Precipitation Composition and Its Corrosion Performance in Fengxian District of Shanghai City

ZENGWeimin，WUHuilan

(Key Laboratory of Safety Science of Pressurized System,Ministry of Education,School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)

precipitation； compornent analysis; corrosion; carbon steel； stainless steel

2016-08-29

曾為民(1961-)，男，江西新余人，副教授．主要研究方向：腐蝕與防護。Tel.：021-64251804；E-mail：zwm@ecust.edu.cn

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1006-7167(2017)07-0031-04