摘要：通过大气暴晒试验和大气腐蚀监测仪（ACM）技术研究了碳钢在湖南大气环境中的腐蚀行为，探讨了大气环境因素、样品形状因子等对大气环境腐蚀严酷性评估的影响。研究结果表明，湖南地区碳钢腐蚀速率与空气中 SO2 沉积量呈正相关关系，但氯化工厂附近 Cl-的沉积量成为了影响碳钢腐蚀的重要因素。在相同大气环境中，Q345 钢的腐蚀速率快于 Q235 钢，Q235 角钢的腐蚀速率快于 Q235 平板钢。ACM 累计电量与 Q235 钢大气腐蚀速率之间符合线性关系，ACM 技术可用于碳钢大气腐蚀行为预测和环境腐蚀性评定。

关键词：Q235 钢；Q345 钢；大气腐蚀；ACM 技术

大气腐蚀是材料与其周围大气环境相互作用的结果，是一种最广泛存在的金属腐蚀形式[1, 2]。材料大气腐蚀造成的经济损失约占总腐蚀损失的一半。电网设备及输电线路服役于大气环境中，其腐蚀失效是影响电网安全运行的最为普遍和重要的灾害之一[3]。国内外就不同大气腐蚀介质中电网金属的腐蚀行为开展了较多的基础研究。Lyon 等[4]通过周期性干/湿中性盐雾试验研究了铝、钢及镀锌钢的腐蚀行为，确定了盐雾腐蚀试验的加速比，并讨论了溶液化学的影响。王振尧等[5]对比了 NaHSO3+NaCl 混合溶液中和野外暴晒时锌及 LY2 铝合金的腐蚀过程，发现两者的结果能较好地吻合，因此 NaHSO3+NaCl 混合溶液是理想的大气腐蚀模拟溶液。刘伟等[6]对比了大气环境中 SO2 和 H2S 对铜腐蚀电化学行为的影响，发现大气环境中两者可以改变铜电极表面腐蚀产物的组成，降低电极反应阻力，促进铜的阳极溶解过程，从而加速铜的腐蚀。张建堃等[7]发现，模拟大气环境中钢芯镀锌层可以起到牺牲阳极的作用，对内层铝股线形成阴极保护，降低其腐蚀速率。由上述研究可以看出，电网金属受到材料种类、大气干湿交替、侵蚀性 Cl-和污染性的 SO2 和 H2S 等因素的影响[8]。

湖南省是中国有色金属之乡，冶金、化工企业密布，大气中腐蚀性化工气体和粉尘较多。另外，湖南地区雨水丰沛，年均相对湿度大于 85%，且山地、丘陵和湖泊交错分布，地理环境复杂，不同区域大气环境中腐蚀性因子差异较大。在这种腐蚀性气体浓度较高和极度潮湿的环境中，电网金属具有较大的腐蚀倾向且不同区域腐蚀差异较大，严重威胁着电网的安全稳定运行[9, 10]。为了对电网金属材料进行合理防护，有必要对湖南地区大气环境严酷程度进行合理表征，也就是进行大气环境腐蚀性分类，以更好地进行防腐设计和选用合理的防护措施。工程实践中，大气腐蚀性成分的含量和碳钢的腐蚀失重是两类评价大气环境腐蚀性的指标。前者可变性较大，后者更接近实际情况但耗时费力，均具有较大的局限性，已不能完全满足日益增长的电网建设对所处地区大气环境腐蚀性进行科学快速分类的需求。

金属大气腐蚀本质上是发生在薄层液膜下的金属电化学腐蚀[11]。腐蚀过程受到薄层液膜下特殊的供氧条件和腐蚀过程中形成的腐蚀产物的影响[12]，对研究手段有着特殊的要求。1976 年 Mansfeld 等[13]率先开发了大气腐蚀监测仪（ACM），并利用 ACM 进行了薄液膜下的电化学研究。经过几十年的发展，目前 ACM 技术因其简单、快速和准确等优点，已经成功应用于金属大气腐蚀行为研究、大气腐蚀影响因子确定和现场腐蚀速率监测[8, 14]。因此，在湖南地区大气环境腐蚀性分类研究中引入 ACM 技术是一种可行的方案。

本文拟以不同形状的 Q235 钢和 Q345 钢为对象，采用 ACM 技术对湖南地区 14 个站点（含 1 个归属湖南电力公司管辖的惠州站点）的大气腐蚀严酷性进行研究，旨在揭示影响大气腐蚀严酷性的环境因素，并探索利用 ACM 技术进行大气腐蚀严酷性评定的可行性，为后续湖南省大气环境腐蚀性分类提供理论和技术支持。

1 实验方法

1.1 材料及试样制备

实验所选材料为 Q235 平板钢、Q235 角钢和 Q345 平板钢。平板钢样品尺寸为 100 mm × 50 mm × 3 mm，角钢样品尺寸为 100 mm × 35 mm × 3 mm。首先将所有样品进行机械打磨至1000#，然后在丙酮中超声清洗 10 min，最后利用无水乙醇擦洗后置于干燥器中。24 小时后用分析天平对试样进行称重，精确至 0.1 mg。

1.2 实地挂片试验

选取湖南省的 13 个变电站以及广东省 1 个变电站（归属湖南电力公司管辖）作为大气腐蚀试验站进行了实地挂片实验。编号 1-14 分别代表：东塘（长沙），叶子冲（株洲），清水塘（株洲），莲花（株洲），都塘（株洲），菊花塘（湘潭），毛家塘（益阳），新市（岳阳），演坡（衡阳），天堂（郴州），枇巴冲（湘西），树岩桥（湘西），胡家坪（张家界） 和鹅城（惠州试验站）。

采用室外敞开曝晒的方法，试样与水平面的角度为 45°，面向南方。株洲叶子冲站、株洲清水塘站、郴州天堂变站以及惠州鹅城站，进行了 4 次取样，取样周期为 3 个月、6 个月、12 个月及 24 个月；其余站点取样周期固定为 12 个月。每次取样前用相机拍摄宏观照片，每次取 3 片平行试样进行失重分析。

1.3 腐蚀失重分析

依据 GB/T 16545-2015，采用 500mL HCl （38% 浓盐酸） + 500mL 蒸馏水 + 3.5g 六次甲基四胺的混合溶液作为除锈液对样品进行除锈，除锈过程在室温下进行。将样品在除锈液中浸泡 10 min 后用毛刷擦洗钢表面残留的锈层物质，直到铁锈去除干净为止。随后将试样用蒸馏水和酒精依次清洗干净，用电吹风吹干后放入干燥器中，24h 后再进行称重，称重精确到 0.1mg。每个周期取 3 个平行试样测定腐蚀失重值，采用平均值作为测量数据。

为了便于开展大气环境严酷性分级研究，将腐蚀失重数据转化为年腐蚀深度数据。钢的年腐蚀深度由下式给出：

γcorr = Wt × 104 / ρA

其中，γcorr 表示年腐蚀深度或腐蚀速率（μm·a-1），Wt 表示腐蚀失重（g），ρ 为钢的密度（这里取7.8 g·cm-3），A 为试样的暴露面积（cm2）。对于平板试样 A = 100 cm2，对于角钢试样 A = 140 cm2。

1.4 环境污染物监测分析

在开展挂片实验的同时，进行了相应的环境污染物因子 SO2 沉降量以及 Cl-沉降量的检测。监测周期为每月 1 次，结果取 1a 监测的沉降总量计算出沉积速度的平均值。监测方法为：每次测量时将碳酸钾溶液浸渍过的玻璃纤维滤膜曝露于空气中，15 d 后测量玻璃纤维滤膜上 SO3 含量，作为该站点半个月的 SO2 沉降量，进而估算这个月的沉积量。采用沾有稀氢氧化钠溶液 0.3 μm 微孔滤膜吸收空气的 HCl 气体，然后采用分光光度计测量 Cl-浓度。为了便于与国际标准数值比较，将检测结果换算成 mg·m-2·d-1。

1.5  环境腐蚀等级的 ACM 评定

在挂片试验暴晒的同时，采用 ACM-400 型大气腐蚀监测仪进行环境腐蚀等级评定。ACM 监测仪放置在相应试验站点的户外遮蔽通风处，测试探头为 Cu/Fe（Q235）探头，探头与挂片试样平行放置，与水平面呈 45°角，面向南方，定期记录累积电量 Q。其中，累积电量 Q 与腐蚀失重 Wt 存在如下关系：

Wt = K·Q

式中，K 为关联系数，主要受到样品种类、腐蚀环境等因素影响。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀速率分析

图 1 所示为Q235 平板钢、Q345 平板钢和Q235 角钢在 14 个站点暴晒 1a 后的腐蚀速率。根据大气环境腐蚀性分类标准 GB/T 19292.1—2018，各站点的腐蚀等级可由图 1 中蓝色虚线给出。由图可知，不同站点中样品的腐蚀速率差别较大，其中 2 号叶子冲站和 10 号天堂站样品的腐蚀速率最高，其环境腐蚀性分级已经进入甚至超过 C5 级；而 9 号演坡站、12 号湘西树岩桥站和 14 号鹅站腐蚀速率较低，环境腐蚀性为 C3 级；1~13 号站点都分布在湖南省行政区域内，各站点气候相似而腐蚀速率相差较大，可以推测环境因素对碳钢的大气腐蚀行为起到了较大的作用。

对比 Q235 平板钢和 Q345 平板钢腐蚀速率可知，除 1 号东塘站以外 Q345 平板钢的腐蚀速率总高于 Q235 平板钢腐蚀速率，说明 Q345 钢的大气腐蚀敏感性高于 Q235 钢。采用Q345 钢进行分级评价时，部分站点（2 号叶子冲站、5 号都塘站、7 号毛家塘站和 11 号枇巴冲站）环境腐蚀性等级出现了变化，说明不同等级碳钢对大气环境腐蚀性分级有一定影响， 且在腐蚀速率接近腐蚀等级分界线时其影响最大。

所有站点中 Q235 角钢的腐蚀速率均明显高于 Q235 平板钢腐蚀速率，说明 Q235 钢大气腐蚀行为受到样品形状的影响，带有弯曲结构的样品腐蚀敏感性更高。从环境腐蚀性分级来看，带有弯曲结构的碳钢对环境腐蚀性分级影响较大，例如通过 Q235 平板钢和角钢得到5 号都塘站的大气腐蚀等级分别为 C3 和 C5 级，两者差别两个等级。从上面分析中可以看出，环境、材料和样品形状是影响环境腐蚀性评价的重要因素。

图 1 Q235 平板钢、Q345 平板钢和 Q235 角钢在 14 个站点的年腐蚀深度

2.2 大气环境因素的影响分析

图 2 环境因素与 Q235 平板钢腐蚀速率之间的关系

含氯化合物是影响碳钢腐蚀行为的重要因素。另外，湖南地区是酸雨影响较大的区域， 降水 pH 普遍偏低。降水酸性强的地区主要分布在湘中地区（长株潭）和湘西南地区（怀化和洪江等地）。因此，本文中主要考虑环境中氯离子和二氧化硫对碳钢腐蚀行为的影响。14 个站点腐蚀速率与环境中 Cl-和 SO2 浓度的关系见图 2。

从图中可以看出，湖南地区空气中 SO2 浓度远高于氯离子浓度，这与湖南地区酸雨影响的情况是一致的。10 号天堂变电站附近建有氯化工厂，因此 Cl-浓度很高，该站点较高的腐蚀速率可能就是高浓度 Cl-引起的。其它站点中 Cl-浓度普遍偏低，腐蚀速率与 SO2 浓度之间呈现较好的正相关关系，说明湖南地区碳钢腐蚀过程主要受到 SO2 沉积量的调控。综上， SO2 是影响湖南地区碳钢腐蚀过程的主要环境因素[17]，但是还需要考虑附近其他因素（如氯化工厂附近的 Cl-浓度）的影响。

2.3 宏观腐蚀形貌分析

为了研究碳钢等级和样品形状对其大气腐蚀敏感性的影响，选择 2 号、3 号、10 号和14 号站点分别进行了为期 2a 的暴晒实验。暴晒 2a 后不同样品的宏观腐蚀形貌如图 3 和 4 所示。

图 3 在 2、3、10、14 号试验点暴晒 2a 后 Q235 平板钢和 Q235 角钢表面腐蚀产物宏观形貌Fig. 3 Macro-morphologies of Q235 flat steel（a-d） and Q235 angle steel （e-h）samples after 2a exposure in 2# station （a，e）， 3# station （b，f）， 10# station （c，g） and 14# station （d，h）

从图 3a-d 可以看出，暴晒 2a 后 2 号叶子冲站和 10 号天堂站 Q235 平板试样表面腐蚀产物呈金黄色，对比夹具边缘可知样品发生了十分严重的腐蚀。3 号清水塘站样品表面腐蚀产物呈暗黄色，产物致密性提高。14 号鹅城站样品表面腐蚀产物呈棕黄色，更加均匀致密。此外，由于Q345 钢腐蚀产物形貌与 Q235 钢相似，本文不再列出。从图 3e-h 可以看出，暴晒 2a 后 2 号叶子冲站的 Q235 角钢样品表面腐蚀产物出现了剥离、开裂现象；10 号天堂站角钢试样腐蚀极其严重，几乎腐蚀殆尽；3 号清水塘站试样表面覆盖了较厚的腐蚀产物，且有腐蚀产物剥落痕迹；14 号鹅城站试样表面腐蚀产物最为均匀和致密。

2.4 腐蚀速率分析

在 2a 的暴晒周期内，对上述 4 个站点试样间隔性取样进行了腐蚀速率分析，得到的年腐蚀深度演化规律如图 4 所示。由图 4a 可以看出，不同站点中 Q235 平板钢的年腐蚀深度随时间不断增加。年腐蚀深度曲线的斜率可以表征样品的腐蚀速率，随时间延长清水塘站和鹅城站中样品腐蚀速率明显降低，但是叶子冲站和天堂站样品腐蚀腐蚀基本保持不变。这一事实说明，株洲清水塘站和惠州鹅城站中的样品表面能形成具有一定保护性的腐蚀产物，而叶子冲站和天堂站中的样品表面腐蚀产物膜没有保护性，无法对样品形成保护。

 图 4 2、3、10、14 号试验点中 Q235 平板钢，Q345 平板钢和 Q235 角钢年腐蚀深度随时间的演化

对比图 4b 和图 4a 可知，同一站点中 Q345 平板钢和 Q235 平板钢腐蚀速率均有相同的变化趋势；随着暴晒时间延长，叶子冲站和天堂站中 Q345 平板钢腐蚀速率呈加快的趋势， 而在清水塘站和鹅城站中其腐蚀速率逐渐下降。但是，在同一站点，Q345 平板钢的腐蚀速率总是高于 Q235 平板钢腐蚀速率，说明 Q345 钢耐大气腐蚀性能较低。

对比图 4c 和图 4a 可知，同一站点中 Q235 角钢和 Q235 平板钢均有相似的腐蚀规律，但是 Q235 角钢的腐蚀速率约为 Q235 平板钢腐蚀速率的 2 倍，说明在相同大气环境中 Q235 角钢腐蚀速率较高，样品形状对碳钢大气腐蚀行为具有较大影响，在碳钢材料大气腐蚀行为研究和大气环境腐蚀等级评定中需要考虑。

2.5 材料种类和样品形状的影响分析

从上述讨论中可知，碳钢种类和样品形状对碳钢大气腐蚀行为都有较大影响，其中样品形状的影响更大。从上述实验结果中还能看出，国际标准中采用标准试片评定的大气腐蚀性等级结果偏保守。在实际工程中，钢铁材料更多是以角钢（如输电铁塔中）等各种形状的形态应用的。因此，需要考虑采用形状因子对相关大气腐蚀性等级评定结果进行修正。本文以Ra 和 Rf 分别表示 Q235 角钢和平板钢年腐蚀深度，将 κs =Ra/Rf 定义为碳钢腐蚀速率的形状因子。以 Rf‘表示 Q345 钢平板钢的年腐蚀深度，将 κm = Rf'/Rf 定义为碳钢腐蚀速率的材料因子。采用图 1 中的腐蚀数据，可以得到 Q235 钢形状因子和材料因子与年腐蚀深度之间的关系， 如图 5 所示。

图 5 腐蚀影响因子与腐蚀速率的关系

从图 5 中可以看出，在腐蚀等级达到或者高于 C5 级时，Q235 钢形状因子和材料因子的绝对值和分散性较大，无法给出合理的预测。但是，在腐蚀等级小于 C5 时，Q235 钢的材料因子分布在 1.0~1.2 之间，而对应的形状因子分布在 1.1~2.3 之间。可以看出，在本文研究范围内形状因子的影响大于材料因子的影响，这个结果与 2.3 节中通过 4 个站点得出的结论一致。此外，上述因子的数值均大于 1.0，有时甚至达到了 2.3，因此在进行碳钢大气腐蚀行为研究和环境腐蚀等级评价时必须考虑材料因子和形状因子的影响。

2.6 环境腐蚀性分类的 ACM 研究

通过 ACM 测量可以得到的 14 个站点的累计电量，其与 Q235 平板钢年腐蚀深度之间的关系如图 6 所示。可以看出，Q235 平板钢大气腐蚀速率与 ACM 累计电量之间符合线性关系，通过 ACM 可以较准确地预测 Q235 平板钢在大气环境的腐蚀行为，这一结果与 Pei 等[2] 的结果有较好的相似性。将环境腐蚀性分级标准列于图 6 中，从而建立了 ACM 累计电量与环境腐蚀性等级之间的对应关系，如表 1 所示。ACM 标准无法评价 C1 等级的环境，这可能是通过 ACM 标准评价环境腐蚀性时，其背景电量较大，影响了低电量环境中检测的准确性。因此，不建议将 ACM 方法评价标准用于低腐蚀性环境。另外，ACM 标准通过 Q235 平板钢得到，对于腐蚀速率较快的 Q345 平板钢和 Q235 角钢，建议在这一标准下考虑材料因子 κm 和形状因子 κs，可得到对应的腐蚀等级。

图 6 ACM 累积电量与腐蚀速度之间的关系

表 1 ACM 环境腐蚀性评价标准与 ISO 环境腐蚀性评价标准的对比

*γcorr 表示年腐蚀速率，Q 表示 ACM 累积电量

3 结论

本文通过大气暴晒试验和 ACM 技术研究了碳钢在湖南大气环境中的腐蚀行为，探讨了碳钢大气腐蚀的影响因素，给出了 ACM 评价大气环境腐蚀性的标准。主要结论如下：

1.  湖南地区碳钢腐蚀速率与空气中 SO2 沉积量呈正相关关系。SO2 是湖南地区碳钢大气腐蚀的主要环境因素。但是，特殊环境下还需要考虑其他因素的影响，如氯化工厂附近需要考虑 Cl-的影响。

2.  在相同大气环境中，Q345 平板钢的腐蚀速率快于 Q235 平板钢，Q235 角钢的腐蚀速率快于 Q235 平板钢。碳钢等级和形状是影响碳钢大气腐蚀行为的重要因素，在大气腐蚀行为研究和环境腐蚀性评价中应予以考虑。

3.  ACM 累计电量与 Q235 平板钢大气腐蚀速率之间符合线性关系，可用于碳钢大气腐蚀行为预测和环境腐蚀性评定。通过 ACM 进行环境腐蚀性评定时，需要考虑材料因子 κm 和形状因子 κs 对结果的影响。

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