腐蚀的危害超过自然灾害和各类事故损失的总和，据统计，我国年平均腐蚀成本超过2万亿元，相当于因为腐蚀损耗，全国人民每年人均约承担1500元的成本。

碳钢作为常见的结构支撑和机械工程材料，被广泛应用于变压器、变电站出线门型构架、主变构架、户外敞开式隔离开关、断路器、输电线路角钢塔、导地线等输变电设备。目前，电网设备在大气环境中的腐蚀问题日益突出，严重影响电网的安全运行和可靠性，甚至导致停电跳闸、倒塔断线等事故。

通常认为温度、湿度和污染物是影响碳钢耐大气腐蚀性能的主要环境因素。在电网输变电工程中，超过90%的设备处于不同的大气腐蚀环境中，因此，有必要对碳钢在不同大气环境中的腐蚀规律进行研究，为输变电工程设计、选材、基建、运维阶段开展差异化防腐蚀措施提供理论指导。

本工作选取四川省宜宾市三个典型变电站作为暴晒试验站点，对碳钢材料进行为期一年的大气暴晒试验，分析了Q235碳钢的腐蚀行为和规律，以期为该地区的差异化防腐蚀措施提供理论指导。

1   试验材料

试验材料为Q235碳钢，其主要化学成分为：0.16%C，0.20%Si，0.61%Mn，S<0.023%，P<0.019%，Fe余量。按照国标截取尺寸为150 mm×70 mm×3 mm的大气暴晒标准试样，试样经过车铣、打钢印、打磨、除污清洗及干燥后，使用精度为0.0001 g的分析天平进行称量并记录。

选取四川省宜宾市三个典型变电站作为暴晒试验站点，对碳钢材料进行为期一年的大气暴晒试验。

A变电站

位于四川省宜宾市区，所处环境为城市大气环境，年平均温度19.1℃，年降雨量1064.1 mm，年均湿度82.3%，SO2年平均浓度15 μg/m3

B变电站

位于四川省宜宾市屏山县某工业园区附近，距离重工业污染源较近且污染源集中，所处环境可划分为重污染工业环境，年平均温度17.9℃，年降雨量1205.7 mm，年均湿度83.9%，SO2年平均浓度19 μg/m3

C变电站

位于四川省宜宾市长宁县，距离大气污染源较远且污染源较为分散，所处环境为轻工业污染环境，年平均温度18.7℃，年降雨量864 mm，年均湿度81.6%，SO2年平均浓度17 μg/m3

2   腐蚀形貌及腐蚀产物

利用Quanta 250型扫描电镜和自带的能谱仪分析不同地区暴露一年后碳钢试样的表面腐蚀形貌和锈层化学成分。

(a) A变电站         (b) B变电站

(c) C变电站

图1 Q235碳钢在宜宾A，B，C变电站大气环境中暴露一年后的宏观形貌

由图1可见：在A变电站大气环境中，Q235碳钢表面腐蚀产物分布不均，底层腐蚀产物较为致密，表层腐蚀产物较为分散，多呈条棒状分布，谷壑分明，锈层呈深棕色，腐蚀程度较轻；在B变电站和C变电站大气环境中，Q235碳钢表面腐蚀产物较为疏松，锈层呈现红棕色，且表层锈层脱落情况明显，腐蚀程度较为严重。

(a) A变电站

(b) B变电站

(c) C变电站

图2 Q235碳钢在宜宾A，B，C变电站大气环境中暴露一年后表面腐蚀产物的微观形貌

由图2可见：在三个地区暴露后，碳钢表面的腐蚀产物形貌存在明显的差异；在城市大气环境中（A变电站所处环境），碳钢表面生成大量的球状腐蚀产物，高倍下可见腐蚀产物呈现出纳米网状结构；在B变电站所处重污染工业环境中，碳钢表面生成细小的球状腐蚀产物，表面存在裂纹，高倍下可见腐蚀产物多为针状结构；在C变电站所处轻污染大气环境中，碳钢表面生成的腐蚀产物较为平整，存在少量裂纹，在高倍下腐蚀产物多为纳米网状和针状结构。由以上结果可知，Q235碳钢在三个地区暴露一年后，表面腐蚀产物与锈层结合较为紧密，局部存在少量的裂缝和孔洞，裂缝等缺陷的存在有利于腐蚀性介质穿过锈层，从而加速碳钢的腐蚀。

表1 图2中不同位置处的EDS分析结果

由表1可见，部分地区腐蚀产物中存在Si，Al等元素，这些元素可能是大气中风沙携带的土壤、污染物等物质沉积到试样表面，这些吸湿性物质或粉尘的存在会加速碳钢的大气腐蚀。

利用X射线衍射仪对试样表面的腐蚀产物进行成分分析，相关测试参数为：扫描范围10°~90°，扫描速率4°/min。

图3 Q235碳钢在宜宾不同变电站大气环境中暴露一年后表面腐蚀产物的XRD谱

由图3可见，在三个地区暴露一年后Q235碳钢表面的腐蚀产物主要由α-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4组成。通过半定量分析可知：在A变电站所处环境（城市气候）中，Q235碳钢表面腐蚀产物中γ-FeOOH含量最高；在重污染工业大气及轻工业污染大气（B变电站和C变电站）中，Q235碳钢表面腐蚀产物中α-FeOOH含量有所增加，说明在腐蚀过程中，生成的γ-FeOOH可转化为α-FeOOH和Fe3O4，锈层中α-FeOOH含量升高，这在一定程度上提高了锈层的保护性。

依据GB/T 16545-2015《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》标准，选用除锈液对试样表面的腐蚀产物进行清洗。除锈液的成分为：500 mL盐酸+500 mL去离子水+3.5 g六次甲基四胺。将试样置于除锈液中超声清洗10 min后，经去离子水清洗、乙醇溶液浸泡后，用吹风机冷风吹干后称量。

利用Keyence VK-X250型激光共聚焦显微镜对除锈后试样的表面形貌和多个区域的腐蚀坑深度进行观察和统计。

(a) A变电站

(b) B变电站

(c) C变电站

图4 Q235碳钢在宜宾不同变电站大气环境中暴露一年后表面腐蚀坑的分布

如图4所示，不同地区环境中暴露后Q235碳钢表面均出现大量的腐蚀坑。对多个区域内的腐蚀坑深度进行统计分析可知，三个变电站暴露后Q235碳钢表面点蚀坑最大深度分别为47.2 μm、125.9 μm和82.9 μm。根据统计结果可以看出，Q235碳钢在B变电站工业大气环境中的腐蚀最为严重，腐蚀坑大且深，表明Q235碳钢在重工业环境中的腐蚀程度中相比于在城市大气环境中更为严重，局部点蚀扩展成大且深的腐蚀坑。这主要是因为在重工业环境中，空气中大量的SO2等污染物会随雨水沉降到试样表面，从而加速碳钢的腐蚀。

3   腐蚀速率

按照以下公式计算试样的腐蚀质量损失率：

式中：R为腐蚀质量损失率，μm/a；w0为试样原始质量，g；wt为去除腐蚀产物后质量，g；S为试样暴露面积，cm2；ρ为Q235碳钢的密度，7.86 g/cm3；t为试样在大气中暴晒时间，年，此处t=1年。

根据腐蚀速率计算公式可得Q235碳钢在A，B，C变电站大气环境中暴露一年后的平均腐蚀速率分别为19.68 μm/a、41.4 μm/a和28.75 μm/a，按照大气腐蚀等级划分，A变电站大气腐蚀等级为C1，B和C变电站大气腐蚀等级为C2。

根据腐蚀速率计算结果可以看出，碳钢在宜宾不同地区的腐蚀速率差别较大，Q235碳钢在B变电站（重工业污染大气环境）暴露一年后的平均腐蚀速率最大，分别是在C变电站和A变电站的1.4倍和2.1倍。B变电站附近有多家化工、冶金、碳素等重工业污染企业，这对碳钢的大气腐蚀速率有明显影响。

4   极化曲线

使用PARSTAT 3F电化学工作站对暴晒后的碳钢进行电化学测试。采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），工作电极为未去除腐蚀产物的Q235碳钢试样，工作面积为1 cm2，其余面用环氧树脂封装。极化曲线测试扫描速率为0.5 mV/s。电化学阻抗测试频率为10 mHz~100 kHz，幅值为10 mV。电化学测试前，体系稳定30 min，试验温度为25 ℃，试验溶液为3.5% NaCl溶液。

图5 在宜宾不同变电站大气环境中暴露一年后Q235碳钢在3.5% NaCl溶液中的极化曲线

由图5可见：在三个地区分别暴露一年后，Q235碳钢的腐蚀电位和腐蚀电流密度差距较为明显，表明在宜宾不同变电站环境中Q235碳钢的腐蚀行为存在较大差异，腐蚀电流密度越大，表明带锈试样的耐蚀性越差。相比于未暴露的裸钢试样，在三个区域暴露一年后Q235碳钢试样的腐蚀电位均有所上升，且腐蚀电流密度显著增加，说明暴露一年后Q235碳钢试样的耐蚀性降低，其表面的腐蚀产物并不具有保护性，反而会加速腐蚀。

(a) Nyquist图

(b) Bode图

图6 在宜宾不同变电站大气环境中暴露一年后Q235碳钢在3.5% NaCl溶液中的电化学阻抗谱

由图6可见在不同变电站暴露一年后，试样的Nyquist曲线均由容抗弧和扩散过程组成，不同环境对Q235碳钢腐蚀的影响存在差异，具体表现为容抗弧半径的大小。

图7 电化学阻抗谱的等效拟合电路

采用图7的等效电路对试样的电化学阻抗谱进行拟合。其中，Rs为溶液电阻，Q1为腐蚀产物层电容，Rr为电极表面腐蚀产物层电阻，Qdl为工作电极表面的双电层电容，Rct为工作电极表面反应的电荷转移电阻，W为腐蚀区域内基底金属的有效扩散层阻抗。

表2 在宜宾不同变电站大气环境中暴露一年后Q235碳钢在3.5% NaCl溶液中的Rr和Rct

如表2所示在三个变电站环境中，Q235碳钢表面形成锈层的性能存在明显的差异；在重污染大气环境（变电站B）中，Q235碳钢表面形成的锈层保护性能较差，其锈层电阻仅8.5 Ω·cm2，说明锈层对基体基本没有保护作用，随着暴露时间的延长，腐蚀进一步加剧；在城市和乡村环境（A和C变电站）中，由于空气中污染物较少，Q235碳钢的腐蚀进程较缓慢，其表面形成的锈层具有一定的保护性能。

5   结论

(1) 在宜宾A，B，C三个变电站环境中暴露一年后，Q235碳钢的平均腐蚀速率分别为19.68 μm/a、41.4 μm/a和28.75 μm/a，最大点蚀深度分别为47.2 μm、125.9 μm和82.9 μm。

(2) 在B变电站环境中，Q235碳钢表面锈层存在裂纹，腐蚀性溶液很容易进入基体，加速基体的腐蚀。在宜宾三个变电站环境中暴露一年后，Q235碳钢表面的腐蚀产物均由α-FeOOH，γ-FeOOH和Fe3O4组成。在B和C变电站环境中，Q235碳钢表面腐蚀产物中的α-FeOOH含量较高。

(3) Q235碳钢在B变电站中形成的腐蚀产物的膜层电阻小于其他两个地区，说明B变电站环境中Q235碳钢表面形成的锈层对基体的保护性能较差。