Q420碳钢在川西高原地区大气环境中的腐蚀行为

李伟光,肖 盼,潘吉林,林修洲

(1.电信科学技术第五研究所有限公司,成都 610062;2.四川成都土壤环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站,成都 610062;3.四川轻化工大学,自贡 643000)

川藏铁路作为打通四川与西藏地区交通的大动脉,能够极大地带动中西部地区经济社会发展,是我国“十三五”计划的重中之重,加快川藏铁路建设意义重大[1]。然而,川藏铁路沿线生态环境系统复杂,海拔起伏变化大,气候变化剧烈,这对各类材料和设备的安全服役形成了较大考验,特别是川西高原地区,气候环境极为严苛、多变,高寒与亚热带半湿润气候交错,风力强,日温差大,淋露、覆霜现象严重,对铁路基础材料的性能劣化产生了未知的影响[2-3]。

碳钢作为川藏铁路修建的基础性料之一,其腐蚀与失效直接决定了川藏铁路的使用寿命。针对不同的环境条件,影响碳钢大气腐蚀的主要环境因素通常有3个:(1) 在零度以上时湿度超过临界湿度 (80%) 的时间;(2) SO2的含量;(3) 盐粒子、灰尘粒子的含量[4-6]。在不同环境中,碳钢材料的腐蚀机理存在差异。王志高等[7]研究了Q235碳钢在四川德阳地区3个变电站环境中暴露1 a的大气腐蚀行为,发现腐蚀产物主要由α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4组成,且腐蚀严重地区锈层中α-FeOOH含量有所增加。宋子博等[8]对Q235碳钢在冀北地区进行了暴露1 a的大气腐蚀试验,结果表明相对湿度对碳钢的腐蚀影响最大,此外大气中SO2含量对腐蚀速率的影响大于Cl-。刘雨薇等[9]对碳钢Q235和耐候钢Q450NQR1 在南沙大气环境中的初期腐蚀行为进行了研究,发现两种钢的腐蚀产物主要为γ-FeOOH、α-FeOOH和Fe3O4,且朝天面的产物中Fe3O4含量少于朝地面,γ-FeOOH的含量多于朝地面。Q420碳钢常用于铁路桥梁钢结构,目前对于Q420碳钢材料在川西高原地区大气环境的腐蚀行为研究较少。

笔者选取理塘(海拔4 000 m)和雅江(海拔2 600 m)作为川西高原和高山峡谷区域的典型代表,对暴晒1 a的Q420碳钢试样进行分析和测试。通过失重试验、拉曼光谱分析、电化学测试等,研究了Q420碳钢在川西高原地区的腐蚀行为特点,以期为川藏铁路的建设和川藏地区材料的长周期使用与防护提供参考。

1 试 验

试验材料为Q420碳钢,将其制成100 mm×50 mm×3 mm的大气暴晒标准样,Q420碳钢的主要化学成分如表1所示。自然环境暴露试验地点为理塘和雅江,自然环境暴露试验方法参照GB/T 14165-2008《金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求》执行。

表1 Q420碳钢的化学成分

按照GB/T 19292.4-2018《金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性 第四部分:用于评估腐蚀性的标准试样的腐蚀速率的测定》,去除表面腐蚀产物,计算试片暴晒1 a后的腐蚀速率。

采用基恩士VHX-7000型超景深体视学显微镜对带锈试样以及除锈后试样的形貌和多个区域的腐蚀坑深度进行观察和统计。

采用LabRAM HR拉曼光谱仪分析腐蚀产物的主要成分。

采用瑞士万通Autolab PGSTAT302N电化学工作站进行极化曲线测试和电化学阻抗(EIS)测试。采用传统三电极体系,辅助电极为铂电极,参比电极为饱和氯化银电极,工作电极为大气暴晒1 a后的表面带锈Q420碳钢试样。 EIS测试结果使用ZSimpwin软件进行等效拟合。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀速率

按照GB/T 19292.4-2018标准,用除锈液去除试样表面腐蚀产物后,酒精清洗,冷风干燥后称量。按照式(1)计算腐蚀速率。

(1)

式中:r为腐蚀速率,g/(m2·a);W1为试样原始质量,g;W2为试样去除腐蚀产物后质量,g;a,b和c分别为试样长、宽、厚;t为试样在大气中暴晒的时间,t=1 a。

Q420碳钢在雅江的平均腐蚀速率为23.75 g/(m2·a),在理塘的平均腐蚀速率为8.48 g/(m2·a)。根据GB/T 19292.1-2018《金属和合金的腐蚀大气腐蚀性 第1部分:分类、测定和评估》,Q420碳钢在理塘大气环境中的腐蚀等级属于C1级,而其在雅江环境中的大气腐蚀等级为C2级。

使用超景深体视学显微镜对Q420碳钢试样表面进行观察,由图1和2可见:经过雅江大气环境1 a大气暴晒后,试样表面的腐蚀产物成片、成团簇结构,部分区域出现一定程度的开裂和孔洞,裂缝等缺陷的存在有利于腐蚀性介质穿过锈层截面,加速碳钢的腐蚀;在理塘大气环境中1 a大气暴晒后,试样表面腐蚀产物则成点状分布,腐蚀产物分布较为分散,与碳钢基体连结紧密。

图1 Q420碳钢理塘大气环境中暴晒1 a后表面微观形貌和腐蚀坑分布图Fig.1 Surface micro-morphology (a) and distribution of corrosion pits (b) of Q420 carbon steel exposed to air in Litang atmosphere for 1 year

图2 Q420碳钢雅江大气环境中暴晒1 a后表面微观形貌和腐蚀坑分布图Fig.2 Surface micro-morphology (a) and distribution of corrosion pits (b) of Q420 carbon steel exposed to air in Yajiang atmosphere for 1 year

由图1和2还可见:在雅江或理塘大气环境中暴晒1 a后,试样表面均出现明显的腐蚀坑, 对多个视野内的腐蚀坑深度进行统计,雅江大气环境中Q420碳钢的最大腐蚀坑深度为57.11 μm,而在理塘大气环境中试样的最大腐蚀坑深度为24.88 μm。试样在雅江或理塘大气环境中暴晒1 a后的平均蚀坑深度分别为15.13 μm和9.47 μm。可以看出,Q420钢在雅江大气环境中腐蚀更加严重。

2.2 锈层成分分析

由图3可见:在不同地区大气暴晒1 a后,Q420碳钢表面腐蚀产物主要都由γ-FeOOH、α-FeOOH和γ-Fe2O3组成,此外,理塘地区试样表面的腐蚀产物中出现了α-Fe2O3。研究表明[10],在腐蚀初期,碳钢锈层成分以Fe2O3为主,大约占80%(质量分数)[11-13]。保护性锈层要具有以下两个条件,即好的附着力及致密性。由于Fe2O3粗大的枝晶,锈层孔洞较大,致密性差,Fe2O3只会使锈层变得疏松和多孔,并降低锈层的附着力。相反α-FeOOH晶体形貌呈致密团状,晶体团相互之间紧密堆积,这使其既有好的致密性又有好的附着力,能更好地隔绝基体与腐蚀环境,提高基体的耐蚀性。γ-FeOOH不易形成相对致密的氧化膜,不利于提高材料的耐蚀性。在腐蚀环境中,初期形成的腐蚀产物γ-FeOOH稳定性较低,发生向α-FeOOH和γ-Fe2O3转变的相变反应;然后γ-Fe2O3再转变成γ-Fe2O3和α-Fe2O3。

图3 Q420碳钢在雅江、理塘大气环境中暴晒1 a后的拉曼光谱Fig.3 Raman spectra of Q420 carbon steel exposed to the atmosphere of Yajiang (a) or Litang (b) for 1 year

2.3 电化学试验

为了解锈层对Q420碳钢腐蚀行为的影响,对在雅江和理塘环境中大气暴露1 a的Q420碳钢带锈试样进行了电化学性能测试,试验溶液为3.5%NaCl溶液[14]。从图4可以看出,在不同地区暴晒1 a后,碳钢试样的腐蚀电流密度相差不大,在雅江地区试样的腐蚀电流密度略大于在理塘地区试样的。

图4 在不同地区大气环境中暴晒1 a后试样的极化曲线Fig.4 Polarization curves of samples exposed to different atmospheric environments for 1 year in different regions

带锈试样的电化学阻抗谱能够反映锈层的结构特点,如图5所示,Rs为溶液电阻,CPEf为腐蚀产物层电容,Rf为电极表面腐蚀产物层电阻,CPEdl为工作电极表面的双电层电容,Rt为工作电极表面反应的电荷转移电阻。在等效电路中,Rf可以反映锈层的致密性和其阻碍腐蚀介质离子透过薄膜层的能力,它是评价锈层保护能力大小的关键参数; Rt则在一定程度上反映出基体发生电化学腐蚀反应的难易程度[15]。由表2可见:在理塘大气环境中暴晒1 a后,试样的Rf远大于在雅江大气环境中试样的。由腐蚀产物微观形貌可知,在雅江大气环境中试样表面锈层出现一定程度的开裂和孔洞,这有利于腐蚀性介质穿过锈层截面,将加快碳钢的腐蚀;在理塘环境中试样表面的锈层致密,腐蚀产物间结合紧密,阻碍了基体与介质的反应,减缓碳钢表面的进一步腐蚀。通过气象站在线监测两地雨季气候环境参数发现,地处川西高原的理塘呈现低气温特性,日平均气温、日最低气温和日最高气温均显著低于地处川西高山峡谷的雅江,降雨量和空气相对湿度值高出雅江10%～16%。研究表明,干湿交替的干湿比越大,对碳钢腐蚀的加速作用越显著[16]。此外理塘的污染物浓度、光照量、紫外线强度、风速均明显高于雅江,这些环境因素也可对材料的性能劣化产生一定的影响。综上可以判断,雅江地区更高的温度是造成碳钢在该地区自然环境中腐蚀程度更为严重的主要原因。

图5 在不同地区大气环境中暴晒1 a后试样的电化学阻抗谱及其等效电路Fig.5 EIS (a) and its equivalent circuit (b) of samples exposed to different atmospheric environments in different regions for 1 year

表2 EIS拟合结果

3 结 论

(1) 在雅江和理塘大气环境中暴晒1 a后,Q420碳钢表面均出现明显的锈层,平均腐蚀速率分别为23.75 g/(m2·a)和 8.48 g/(m2·a);最大腐蚀坑深度分别为57.11 μm和24.88 μm;平均点腐深度分别为15.13 μm和9.47 μm。Q420碳钢在雅江大气环境中的腐蚀更为严重。

(2) 在雅江和理塘大气环境暴晒1 a后,Q420碳钢表面腐蚀产物主要由γ-FeOOH、α-FeOOH和γ-Fe2O3组成。此外,理塘地区试样的腐蚀产物出现了α-Fe2O3。

(3) 在理塘大气环境中,Q420碳钢表面腐蚀产物层的电阻和电荷转移电阻均远高于在雅江环境中的,表明腐蚀产物对于基体的保护作用也相对较好。气温是Q420碳钢在理塘和雅江两地腐蚀行为差异的主要因素。