输电铁塔镀锌钢腐蚀状态与表面成分关系研究

闫风洁，冯长征，李辛庚，岳增武，郭　凯

（1.国家电网公司电工新材料技术联合实验室（山东），济南　250003；2.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，济南　250003；3.国网山东省电力公司，济南　250001）

输电铁塔镀锌钢腐蚀状态与表面成分关系研究

闫风洁1，2，冯长征3，李辛庚1，岳增武1，郭凯1

（1.国家电网公司电工新材料技术联合实验室（山东），济南250003；2.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，济南250003；3.国网山东省电力公司，济南250001）

采用SEM、便携式X射线荧光光谱仪、EDS和电化学测试技术，分析在某山区和重工业区服役镀锌钢构件典型腐蚀特征。研究钢构件表面Fe元素和Zn元素成分变化与钢构件腐蚀状态的关系。结果表明，随镀锌钢构件服役年限增加，镀锌层腐蚀程度加重，镀锌层Fe元素含量增加，Zn元素含量减少，Fe/Zn比值增加，镀锌层表面Fe/Zn比与腐蚀劣化程度成正比。采用便携式X射线荧光光谱仪测量镀锌钢构件表面化学成分含量，具有较高的准确性，可用于杆塔腐蚀状态评价。

输电塔；镀锌钢；Fe/Zn比；腐蚀状态

0　引言

锌在大气环境下具有良好的耐腐蚀性能，被广泛应用于输电杆塔钢构件防腐，目前常用的防腐形式为热镀锌［1-3］。杆塔钢构件由于长期服役于野外，在腐蚀环境中极易受到严重破坏，威胁电网安全运行［4-5］。准确判断镀锌层的有效性，及时对杆塔钢构件进行防腐维护，在保证输电线路安全运行的前提下，可降低杆塔全寿命周期防腐成本［6］。

目前，对杆塔钢构件镀锌层腐蚀状态的评价主要依据线路工人的运行经验，通过目测进行判断，存在主观随意性。通过分析不同运行年限镀锌杆塔钢构件化学成分与典型腐蚀特征，探讨了镀锌层表面Fe元素和Zn元素成分变化与镀锌层有效性的关系。试验结果显示普通镀锌层表面Fe/Zn比与锌层的腐蚀状态存在明显的相关性。

1　试验方法

试验所用材料为现场割取的在役杆塔镀锌钢构件，包含某山区投运2年和5年的镀锌件以及重工业污染区投运10年、12年和15年的镀锌件。对取回来的角钢采用Supra55场发射扫描电子显微镜观察试样表面和截面形貌，使用Oxford-max 20能谱仪测量截面元素分布。采用尼通Xl3t便携式X射线荧光光谱仪在被测试试样上随机选取6个点测量镀层表面化学成分，测试前，先用无水乙醇清洗测试点浮灰。开路电位测量采用PAR2273电化学工作站，测量系统为三电极体系，试样为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为辅助电极。

2　结果及讨论

2.1镀锌钢构件服役后的宏观腐蚀形貌

镀锌杆塔表面颜色变化是反映镀锌层腐蚀状态的一个重要指标。随着镀锌层逐渐失去金属光泽，颜色由浅变深，镀锌层对基体的保护作用越来越弱。镀锌钢构件在山区服役两年后镀锌层表面颜色变成浅灰，局部仍有金属光泽。在山区服役5年后，镀锌层整体转变成浅灰色，表面无金属光泽。在重工业区服役10年后，镀锌层表面颜色变深，无金属光泽；服役12年后，局部出现红色锈点，服役15年后，表面呈暗红色，出现大面积浮锈，结果如图1所示。

图1　镀锌钢服役后的宏观腐蚀形貌

2.2镀锌钢构件服役后的微观腐蚀形貌

镀锌钢构件的表面微观腐蚀形貌如图2所示，截面微观形貌如图3所示。镀锌钢构件服役后表面出现了明显的腐蚀产物层和裂纹，而且随服役年限增加，腐蚀产物层越来越厚，裂纹数量和宽度明显增加，镀锌层厚度逐年减薄。全新镀锌层厚度可达109 μm，在山区服役2年后，尽管表面无明显腐蚀产物层，但镀锌层厚度已减薄至98 μm。在山区服役5年的镀锌钢构件表面出现了明显的腐蚀产物层，去掉腐蚀产物层镀锌层厚度仅剩71 μm，但此时的腐蚀产物较致密，表面无裂纹，具有较好的保护作用。在重工业区运行10年的镀锌钢构件，表面形貌图上可见明显腐蚀产物，而截面图上则看不到明显的腐蚀产物层，可能是由于腐蚀产物层较疏松，制样过程中存在腐蚀产物脱落的可能性。通过截面微观形貌图可以看出剩余镀层存在大量针状裂纹，该针状裂纹表层粗、内部细，横穿整个镀锌层，致使镀锌层的保护作用明显减弱。该镀锌钢构件镀层剩余厚度为58 μm。在重工业区服役12年的镀锌钢构件可见明显的腐蚀产物层，去掉腐蚀产物层镀层剩余厚度仅为20 μm，而且腐蚀产物层存在大量裂纹，对基体的保护效果差。在重工业区服役15年的镀锌钢构件表面裂纹宽而密集，腐蚀产物出现大面积脱落，结合宏观腐蚀照片可以看出，表面出现大量红锈，镀锌层早已无保护作用。可见服役年限越长，镀锌钢构件腐蚀越严重，镀层的保护效果越差。

图2　镀锌钢服役后的表面微观腐蚀形貌

图3　镀锌钢服役后的截面微观腐蚀形貌

2.3镀锌钢构件服役后的表面成分

通过便携式X射线荧光光谱仪获得镀层表面化学成分，求出每一测试点Fe元素和Zn元素含量的比值，然后再将所测6点的Fe元素和Zn元素的比值求平均值，即获得被测镀锌钢构件表面成分的Fe/ Zn比。图4所示为6种不同服役年限镀锌钢表面成分Fe/Zn比。结果表明：随着镀锌钢服役年限的增加，表面Fe/Zn比值增加。镀层表面成分Fe/Zn比与镀锌钢构件服役年限和腐蚀程度成正比关系。

图5为采用能谱仪进行线扫描获得的镀锌钢构件表层Fe元素和Zn元素的成分分布图。在镀锌层的整个截面中Fe元素和Zn元素的含量相对稳定，全新镀锌层中Fe元素和Zn元素含量差距最大，随服役年限和腐蚀程度增加，Fe元素和Zn元素含量差距越来越小。在重工业污染区服役15年的镀锌钢构件，镀层表面Fe元素含量约为Zn元素含量的1/3。采用能谱仪和便携式光谱仪获得的镀层表面化学成分具有较好的一致性，便携式光谱仪可以快速获得镀层表面化学成分，得到钢构件表面Fe/Zn比。

图4　镀锌钢服役后的表面Fe/Zn比

图5　镀锌钢服役后的镀层截面元素线扫描图

2.4镀锌钢构件服役后的开路电位

图6为在山区和重工业污染区服役不同年限的6种镀锌钢构件在3.5%NaCl溶液中测得的开路电位—时间曲线。未曾服役的全新镀锌钢构件开路电位最低，在山区服役2年和5年的镀锌钢构件开路电位略高于全新镀锌钢构件。而在重工业区服役10年、12年和15年的镀锌钢构件，开路电位明显高于其他3种钢构件，而且随服役年限增加开路电位上升。开路电位升高有两方面原因：一方面是由于随镀锌层服役时间增加，表层腐蚀产物增加，腐蚀产物的存在导致开路电位升高；另一方面是因为钢构件表面的Fe元素含量增加，Fe的标准电极电位高于Zn的标准电极电位，因此镀锌层表面Fe元素含量越高，构件的开路电位越高［7］。开路电位升高也进一步证明：镀锌钢构件服役过程中，随腐蚀程度增加，镀层表面Fe元素含量增加，Zn元素含量降低，Fe/Zn比值增大。

图6　镀锌钢服役后的开路电位—时间曲线

3　结语

采用便携式X射线荧光光谱仪测得的镀锌层表面元素含量Fe/Zn比与能谱线性扫描获得的结果具有较好的一致性；便携式X射线荧光光谱仪可用于快速测量在役镀锌杆塔表面元素含量。

输变电杆塔镀锌钢构件表面元素含量Fe/Zn比与钢构件服役年限、腐蚀状态具有明显的相关性；钢构件表面Fe/Zn比与构件服役年限成正比，与镀锌层剩余厚度成反比，可客观判断镀锌钢构件的镀层状态。

［1］樊志斌，李辛庚，胡新芳，等.电弧喷涂Zn-22Al-Mg-RE合金涂层的耐蚀性能［J］.稀有金属材料与工程，2014，43（3）：627-630.

［2］原徐杰，张俊喜，张世明，等.镀锌层破损输电杆塔用镀锌钢在干湿交替作用下的腐蚀行为［J］.中国腐蚀与防护学报，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］宋焕东.浅议高压输电线路的防腐措施［J］.民营科技，2010（1）：28-30.

［5］樊志彬，李辛庚.输电杆塔钢构件腐蚀防护技术现状和发展趋势［J］.山东电力技术，2013（1）：30-34.

［6］岳增武，李辛庚，樊志彬，等.输电铁塔腐蚀防护全寿命周期成本［J］.中国电力，2015，48（2）：150-155.

［7］梁成浩.金属腐蚀学导论［M］.北京：机械工业出版社，1995.

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

YAN Fengjie1，2，FENG 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

闫风洁（1976），女，高级工程师，从事输变电钢构件腐蚀评价方面的研究工作。