酸雨对防雷装置的腐蚀分析

吕长春++朱冬安

摘要 本文介绍了酸雨的形成和发展，分析了酸雨对金属的腐蚀机理和腐蚀过程。为探究外部防雷装置受酸雨的影响，通过模拟酸雨对材料腐蚀试验中的基于质量减少法所得的数据，量化酸雨对金属的腐蚀破坏程度。结果表明，随着酸雨酸性的降低和SO2浓度的增加，金属材料的腐蚀速率增大，导致防雷装置的有效寿命大幅缩短。

关键词 酸雨；防雷装置；腐蚀；原理；模拟

中图分类号 X517；TU856 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）22-0213-02

Abstract In this paper，the formation and development of acid rain were introduced，the mechanism and process of corrosion were analyzed. In order to investigate the influence of acid rain on the external lightning protection device，based on the data obtained from the simulation of acid rain in the corrosion test of materials，the corrosion damage degree of acid rain to metal was quantified. The results showed that with the decrease of acidity of acid rain and increase of SO2 concentration，the corrosion rate of metal materials increased，leading to a sharp reduction in the effective life of lightning protection devices.

Key words acid rain；lightning protection device；corrosion；mechanism；simulation

本文首先介紹中国酸雨的形成及其危害，接着分析了酸雨对金属的腐蚀形式，进而研究酸雨对涉及防雷装置金属的腐蚀原理和分析。因为试验条件有限，所用数据是王慧婷等在实验室模拟酸雨对材料腐蚀试验所得。然后，结合防雷装置的规范要求、规格尺寸及失效形式，重点进行酸雨对防雷装置腐蚀程度的分析，针对8 mm圆钢在几种不同酸雨酸度和SO2浓度下的有效寿命进行了预测。通过结果分析，得出结论，并提出相应的解决措施和建议。

1 酸雨的形成及危害

酸雨的形成与酸性物质的排放有密切关系，同时还有一些重要因素，如酸性污染物质的迁移和扩散、土壤性质、大气中的硫酸铵和亚硫酸铵、大气颗粒物。由于大气颗粒主要来自于土壤，其组成与土壤组成非常相似，所以颗粒物酸碱性主要取决于土壤性质[1-4]。

2 酸雨对金属的腐蚀

2.1 主要的腐蚀类型

防雷装置多采用钢筋、铁等金属材料，酸雨对其的腐蚀即为金属腐蚀。金属的腐蚀类型不是单一的，通常为混合发生[5-6]，主要的腐蚀形式有6种，分别为全面腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、磨损腐蚀（冲刷腐蚀）、应力腐蚀破裂。

2.2 腐蚀原理

对材料大气腐蚀因素有2种：环境因素和气候因素。气候因素是气温、大气相对湿度、降雨、风向、日照等。大量研究表明，影响大气腐蚀因素主要有3个：润湿时间；盐粒子的含量；氯离子、二氧化硫等离子的含量。研究得出，大气腐蚀性可用综合因子N来表示，综合因子N又由雨水酸度、侵蚀因子、润湿因子构成。

铁锈的生成是一个比较复杂的化学过程，一般分为3个阶段：①生产1～4 nm厚度稳定的钝化状态氧化物或氢氧化物膜；②当暴露于近中性的含水环境中时候，这层膜转变为2种绿色沉积物；③然后绿锈转变成易碎的氢氧化物和棕色氧化物层。通常情况下第一阶段发生在毫秒到秒的量级内；第二阶段，绿锈一般3 h左右形成；第三阶段，四氧化三铁的形成通常需要几天的时间，其间碳钢的腐蚀速率呈线性变化。

Mattsson总结了碳钢在不同大气环境中的年腐蚀速率：乡村大气4～65 μm；城市大气23～71 μm；工业大气25～175 μm；海洋大气26～104 μm。耐候钢的平均腐蚀速率低于碳钢，在典型城市大气中的年腐蚀速率为4～10 μm。

全国酸雨属于硫酸型，而防雷装置一般使用的金属材料为钢、铁、镀锌钢。因此，研究防雷装置受酸雨的腐蚀主要考虑的是铁和锌在硫酸中的腐蚀。金属的腐蚀主要有2种，即化学腐蚀和电化学腐蚀[7-8]。

2.3 腐蚀程度分析理论

衡量金属的腐蚀程度常用的2种方法为质量法和电阻法。

若采用不同公式计算腐蚀速度，则年腐蚀速度（V）的计算公式分别如下。

质量法：质量增加法V+=（m1-m0）/A·d；质量减少法V-=k·Δm/（A·t·d）。

电阻法：丝状试品腐蚀V=r0[1-（R0 /R1）1/2]/t·8 760；片状试品腐蚀V={a+b-[（a+b）2-4ab△R/R1]1/2}/t·2 190。

其中，m1指所测试品腐蚀之后的质量；m0指试品的初始质量；k为常数；Δm为试品腐蚀前后的质量差，即m1-m0；A为所测试品的面积；t为试验时间；d为试品的密度；r0为丝状试品初始半径；R1为丝状试品腐蚀后电阻值；R0为丝状试品初始电阻值；a、b为片状试品截面的长和宽；ΔR为腐蚀前后电阻差值。

3 模拟酸雨对防雷装置的腐蚀程度试验

模拟酸雨对材料的腐蚀试验，是一种在实验室条件下模拟大气环境中酸雨的腐蚀情况试验，可以在短时间内得到材料受酸雨的腐蚀程度[8-9]。这种试验方法被广泛采用，并证明能够很好地反映自然大气环境下酸沉降对材料腐蚀的真实情况。endprint

用质量法进行实验室条件下的模拟酸雨对金属的腐蚀分析，是将试验材料进行清洗、干燥等处理后，称重（G0），将其放置在实验室模拟的自然条件下，包括昼夜、光照、降雨、露的循环交替过程。配置酸雨样品，提供光照、温度、湿度、风、污染物质等环境因素，在上述条件下进行酸雨腐蚀试验。经过充分的酸雨腐蚀过程后，对试验材料进行清洗、干燥等處理，称重（G1）。记录腐蚀的过程及数据，然后进行酸雨对试验材料的腐蚀定量及定性分析。

根据酸雨数据评估防雷装置使用年限的分析的设想：针对王慧婷等的模拟酸雨对材料腐蚀试验，其试验数据可以进行防雷装置受酸雨影响程度的评估[10-11]。

3.1 模拟酸雨对金属材料腐蚀试验的分析

表1和表2给出了试验材料的失重数据和由此失重数据计算得到的相应试验材料的年腐蚀速率。计算是以单位时间、单位面积上试品腐蚀后的重量损失得出腐蚀速率。

3.2 结果分析

由表2可知，酸雨的pH值对金属的腐蚀程度有很大的影响。随着pH值的降低，金属的腐蚀加剧。对于A3钢，在SO2浓度为10 mg/m3时，pH=5时的平均腐蚀速率为pH=6时的1.30倍；pH=4时的平均腐蚀速率为pH=6时的1.37倍；pH=3时的平均腐蚀速率为pH=6时的3.91倍。随着酸雨的SO2浓度的增加，其对金属的年腐蚀量增加。对于A3钢，在pH=4时，SO2浓度为500 mg/m3时的腐蚀速率是SO2浓度为10 mg/m3时的2.16倍；SO2浓度为300 mg/m3时的腐蚀速率是浓度为10 mg/m3时的1.61倍；SO2浓度为100 mg/m3时的腐蚀速率是浓度为10 mg/m3时的1.54倍。A3钢的腐蚀速率是镀锌钢的腐蚀速率的5.2～22.1倍，是漆膜钢的腐蚀速率的14.69～29.50倍。

各金属的耐腐蚀性强弱顺序依次为漆膜钢>镀锌钢>A3钢。镀锌钢和漆膜钢使金属的抗腐蚀性明显增强。因此，对金属进行热镀锌和涂漆是很好的防腐措施。

4 参考文献

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