雾霾天气对铁塔的腐蚀影响实验研究

陈颖敏，赵 洁，冉玉倩，王超凡

(华北电力大学 环境科学与工程学院，河北 保定071003)

0 引言

近几年来，雾霾天气频发，侵蚀着人类的身体健康，同时也腐蚀着暴露于大气中的金属及其制品。相比较于其他类型的腐蚀，大气腐蚀更加普遍。尤其海洋大气因其含有较多的无机盐粒而具有很强的腐蚀性［1～3］，我国输电杆塔一般要求使用镀锌钢材料，在沿海和因重工业生产排放所带来的环境污染并伴随自然环境气候的恶化而形成的重腐蚀环境中，役杆塔钢构件经过若干年的使用之后，锌层遭到破坏发生锈蚀，大大降低了钢结构构件的承载能力，腐蚀速率日渐加快［4～6］。特别是在工业污染区和沿海地区的镀锌层的使用年限更短，长期服役于自然环境中的输电杆塔钢构件的防腐蚀性能，是保证输电线路安全可靠运行的关键要素之一［7～9］。随着中国经济的发展，电力供应日益繁忙，输电铁塔用量大幅增加，而随着工业的快速发展，大气污染加剧，大气污染对变电站金属材料的腐蚀导致的供电事故已经成为影响电网安全运行的一个重要问题［10～12］。因此，探究雾霾天气的形成原因，探讨铁塔的腐蚀影响机理，确定有效防腐工艺，实现钢构件长寿命、少维护或免维护的防护工作是非常重要的。

1 试样制备与试验方法

1.1 仪器与试剂

FA1004A 型电子天平，QG-3 型金相试样切割机，PHS-3C 型酸度计，FQY 系列盐雾试验箱。Q235A 碳钢(碳含量＜=0．22%，锰含量＜=1．4，硅含量＜=0．35，磷含量＜=0．045，硫含量＜=0．050)，丙三醇，硫酸铜，氯化钠，亚硫酸氢钠，碳酸氢钠，硝酸钠，无水乙醇，丙酮。

1.2 实验方法

1.2.1 腐蚀试样的制备

用金相试样切割机将碳钢试片切割成50 ×25×2 mm 作为腐蚀试样。将切割好的试片先后使用粗砂纸细砂纸打磨光滑，用去离子水洗净，将洗净的试片用丙酮溶液和无水乙醇擦拭，用滤纸包好，放入干燥器内干燥备用。

1.2.2 甘油控湿法

根据文献［13～14］:25 ℃的折射率和某一温度下的湿度有如下关系:

式中:A=25．60- 0．195 0T + 0．000 8T2;H 为相对湿度(%);R 为折射率;T 为液温(℃)。

由甘油浓度和折射率与温度关系，折射率与甘油浓度的关系，可以较为方便地求得湿度与浓度的大略数值。依据甘油水溶液浓度与空气相对湿度关系，配制相应的甘油水溶液，将空气相对湿度分别控制为55%，65%，75%，85%，95%。

1.2.3 周期浸润复合循环法

周期浸润复合循环试验，实现了使腐蚀试样处于干湿交替的状态，从而可以较好地模拟待腐蚀金属在大气条件下的真实情况，很好地体现了干湿交替的大气腐蚀特征，并且可以对潮湿时的腐蚀试样进行电化学测量。研究表明，使用此法重现了金属表面经历的腐蚀过程，而且锈层也出现了与室外相同的现象，和室外的数据进行比较，有比较好的相关性［15～16］。实验采用NaCl，NaHSO3，NaHCO3，NaNO3的混合溶液作为模拟雾霾天气的浸润液，将腐蚀试样周期性地浸入模拟雾霾天气的浸润液中，较好地再现了金属在大气中腐蚀的3 种状态:浸润-潮湿-干燥，从而较好地模拟了雾霾天气对输电铁塔的腐蚀。

1.2.4 模拟雾霾天气的浸润液溶液的配制

在雾霾天气中，气体在钢铁表面水膜中溶解，蒸汽和液体之间的平衡遵循亨利定律，即气体在液膜中的浓度与气体的分压成正比:

式中:［Mi］aq 为气体在液膜中的浓度;pi为气体的分压;Hi为亨利系数，此系数与温度有关，随温度的升高，气体溶解度下降［17］。

根据气体在大气中的分压，然后查阅文献得到亨利系数，从而求得气体在液膜中的浓度。依据大气污染物浓度与金属表面液膜离子浓度关系，设置一系列雾霾污染因子浓度梯度，以表示雾霾天气的污染程度。再根据雾霾污染因子浓度梯度，配制模拟雾霾天气的浸润液，标号为1～5，代表雾霾天气不同的污染程度。浸润液的配制见表1。

表1 浸润液成分 mmol/L

2 试验结果与分析

2.1 相对湿度对试片的腐蚀效果分析

实验采用甘油控湿法控制相对湿度分别为55%，65%，75%，85%，95%，将试片用1 号和2 号浸润液浸润，再放置在不同的相对湿度环境中，观察试片的腐蚀状况，并且记录试片的增重，从而得到不同相对湿度环境中的腐蚀速率图，如图1、2 所示。

图1 1 号浸润液中，不同相对湿度下的腐蚀速率图

图2 2 号浸润液中，不同相对湿度下试片的腐蚀速率图

由图1、图2 可得，在模拟雾霾浸润液的浓度一定的时候，试片的腐蚀速度随着空气湿度的增加而呈加快趋势，当空气相对湿度为65%时，随着腐蚀时间的增长，试片的腐蚀速度增长趋势较平缓;而当空气湿度大于65%时，随着腐蚀时间的增长，试片的腐蚀速度增长较快。

2.2 污染离子浓度对试片的腐蚀效果分析

配制一系列由NaCl，NaHCO3，NaHSO3和NaNO3组成的不同浓度的模拟雾霾天气浸润液，分别标号为1～5，将腐蚀试片分别用这5 种浸润液润湿，放置在相对湿度为85%和95%的环境中，试片的腐蚀速率如图3、图4。

图3 相对湿度为85%时，5 种不同浓度的浸润液条件下试片的腐蚀速率图

图4 相对湿度为95%时，5 种不同浓度的浸润液条件下试片的腐蚀速率图

由图3、图4 可得，当空气的相对湿度保持不变时，试片腐蚀速度随着污染离子浓度的增大而增加，这是由于试片表面水膜中的污染离子浓度增大，液膜的导电率增大，加速了试片表面的电化学反应。污染离子中的Cl-有强的侵蚀性，不仅起到导电介质的作用，还会破坏金属表面的保护膜，导致细微裂缝，腐蚀介质通过裂缝渗入金属里，从而加速了金属的腐蚀。

2.3 pH 值对试片的腐 蚀效果分析

雾霾天气中的酸性物质能够溶解于输电铁塔表面的水膜中，影响输电铁塔的电化学腐蚀，因此有必要研究pH 值对试片腐蚀的影响，结果如图5 所示。

图5 相对湿度为55%，不同pH 值对试片的腐蚀影响速率图

图6 相对湿度为85%，不同pH 值对试片的腐蚀影响速率图

由图6 可得，随着pH 值的降低，试片的腐蚀速度加快，这是由于雾霾天气中的SO2溶于输电铁塔表面的水膜中，进而钢铁表面的电解液膜酸化，提高了电解液膜的导电性，同时也会使得钢铁表面的保护层溶解，加速了输电铁塔的腐蚀。雾霾天气中的NO2溶解于输电铁塔的表面电解液膜中，发生反应使电解液膜酸化，同样会加速铁塔的电化学腐蚀。

2.4 浸润时间对试片的腐蚀效果分析

实验采用干湿交替周期浸润的方法，以6 h为周期对试片进行周期浸润，每隔24 h，将试片取出，用冷风吹干后称重，并记录数据，从以上图1～5 可以得到浸润时间对试片的腐蚀影响。在腐蚀初期，金属表面有液膜存在，形成电解液薄层，开始发生电化学腐蚀过程，此时腐蚀速率开始增大，金属表面形成铁锈层，而铁锈层在湿润条件下也会加快腐蚀速率，锈层干燥时，金属表面与金属锈层之间形成开路，腐蚀又可在锈层表面进行，因此腐蚀加重。而当锈层厚度增加，氧的渗入缓慢，因此到腐蚀后期，腐蚀速率慢慢减小。

3 结论

雾霾天气时，空气相对湿度加大，超过65%时，铁塔的腐蚀速率明显加快，污染离子浓度对铁塔的腐蚀也有一定的影响，浓度加大，铁塔表面pH 值降低，钢铁表面的电解液膜酸化，提高电解液膜的导电性，从而使得钢铁表面的保护层溶解，加速了铁塔的电化学腐蚀，暴露于室外的铁塔在雾霾天气中的腐蚀形态是干湿交替腐蚀的，随着腐蚀时间的延长，金属表面会形成铁锈层，铁锈层表面也可进行腐蚀，长此以往铁塔表面腐蚀深度加深，从而引发铁塔的脆裂断开，对电网的运输存在极大的危害。因此，随着雾霾天气的加剧，铁塔的腐蚀也越来越严重，寻求更加有效地防腐措施迫在眉睫。

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