成都市大气环境中Q235碳钢不同暴露阶段的大气腐蚀分析及锈蚀演变研究

摘要

为了有效地降低和延缓成都电网输变电设备的腐蚀，提高供电可靠性，本文选择了电网中应用最广泛的金属材料Q235碳钢作为研究对象。在西南地区成都市城市大气环境中进行了暴露试验。研究了Q235碳钢材料在不同季节的腐蚀行为。分别用数码相机和扫描电镜（SEM）观察了腐蚀后的宏观和微观形貌。采用能谱仪（EDS）、X射线衍射仪（XRD）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）等分析手段，对铁锈层及腐蚀产物的元素分布进行了表征，并对腐蚀机理进行了简要分析。

一。介绍

近几十年来，随着我国输变电工程建设规模的不断扩大，输变电设备腐蚀问题日益突出，严重影响了电网系统的安全运行[1个–7个]. 输变电设备的金属构件在室外长期运行，由于各种恶劣环境的影响，容易受到腐蚀和损坏，降低输变电设备的可靠性，产生安全隐患[八–10]. 例如，某500千伏变电站的变压器散热器发生腐蚀穿孔，导致漏油故障，停电后必须更换。另一座220 kV变电所室外终端柜腐蚀，造成柜内密封不良、潮湿，易造成元件故障和设备误动。某110 kV变电所高压隔离开关的连杆和齿轮板部件腐蚀，导致操作机构卡死，开关无法到达指定位置。在220kv输电线路中，由于电力金具的腐蚀失效，导致导线断开或脱落，造成停电事故。

成都是中国西南地区的特大城市，人口1604万，面积14600平方公里。成都电网35千伏以上变电站410座，总容量6176万千伏安，35千伏以上输电线路8808公里。成都气候湿润多雨，年平均气温16.6℃，年平均相对湿度81%，年平均降雨量966.9 mm[11]. 此外，近年来成都市大气环境受到严重污染，主要污染物包括_2个，NO_2个，O个_三，公司，项目经理₁₀，和PM_2.5条[12]。无论是气候和环境条件会加速金属材料的腐蚀速率。各种因素影响腐蚀的相互作用是复杂的，这反映了金属材料的腐蚀和动态演变特征。大气污染物的多样性也导致了腐蚀层的差异。然而，关于成都市的具体大气环境在电网中使用的金属材料的腐蚀研究是非常稀缺的。因此，有必要研究金属材料在成都大气环境，保证输变电设备在成都电网的安全运行，这是非常重要的腐蚀行为。

本研究根据成都市大气腐蚀环境多雨、高湿、高酸性污染的特点，对输变电工程中广泛使用的Q235碳钢材料长期暴露在大气中后的腐蚀行为和规律进行了评价。重点研究了Q235碳钢在不同暴露阶段腐蚀层的形成和演化机理。研究结果将有助于成都市城市大气环境有针对性地制定腐蚀防护策略，以有效地控制腐蚀，保证成都电网安全稳定运行。

2。材料和方法

2.1条。材料和样品制备

本研究选用Q235碳钢材料进行腐蚀试验。Q235碳钢材料是输变电工程中应用最广泛的金属材料之一。Q235碳钢化学成分见表1个.

所有用于大气暴露试验的Q235碳钢样品被切割成 通过线电极切割。然后，他们被机械研磨到800粒光滑的表面。用超声波清洗剂在无水乙醇中清洗表面油，然后用吹风机吹干试样，并将其储存在干燥容器中。

2.2条。曝光实验

在成都大气腐蚀站进行了大气暴露试验。将制备的Q235碳钢试件安装在倾斜45°的试验架上，暴露于环境空气中，水平朝天，朝南，暴露一年（2016年11月至2017年11月）。环境参数如温度、相对湿度、降水量、降水pH值等_2个浓度，和Cl^-成都市大气暴露试验中的沉降速率见表2个.

Q235碳钢试样分别在连续15、30、90、180和365天暴露于环境空气后，每次采集一次。分析了腐蚀过程、腐蚀形貌和锈层产物。

2.3。宏观腐蚀形态观察

使用数码相机（佳能，的PowerShot SX700 HS）采取Q235碳钢试样的宏观照片15，，90，180，以及365天成都大气环境暴露，观察到30中的宏观腐蚀后的形态。

2.4条。扫描电镜与元素分析

用扫描电镜（Hitachi，SU3500）观察了Q235碳钢试样的显微组织和断面形貌。用能谱仪（EDS，Hitachi）测定腐蚀产物中的元素。

2.5条。腐蚀产物分析

用粉末X射线衍射仪（XRD，Empyrean）对铁锈层的晶相进行了鉴定。从试样上去除锈层，并在5 的玛瑙砂浆体中完全磨平μm粒径。2θ角为10°~90°。用Jade 6.0软件对XRD结果进行了分析。

2.6。FTIR分析

在Nicolet 6700型FTIR分光光度计（Nicolet，美国）上，用4000~500 cm的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了铁锈层的组成^-1个分辨率2 cm^-1个.

三。结果和讨论

3.1条。宏观腐蚀形貌

Q235碳钢试样分别在成都大气环境中暴露15、30、90、180和365天。暴露365天的腐蚀失重为17.42 μm/a.检索样本用数码相机拍摄。数字1个展示了成都站不同暴露时间的Q235碳钢试样的宏观腐蚀形貌。数字1个（a） -1个（E）表示在不同曝光时间的试样的前侧腐蚀的形态，而图1个（一） )–1个（e） )代表在不同的曝光时间的样品的背面腐蚀形态。当Q235碳钢材料曝光15天，对前侧的检体的大部分区域中已经通过锈层被覆盖，如图1个（a） ；基底金属的一部分仍然裸露；表面呈现不均匀的棕色。数字1个（一） )显示了Q235碳钢试件背面的腐蚀形貌，背面的腐蚀程度远低于正面，锈斑较少，基体金属大部分区域仍然裸露。暴露30天后，图1个（b） 在试样正面显示腐蚀形貌，锈层面积继续扩大，裸露的基体金属明显减少。同时，在图中所示的试样背面1个（二） ),锈斑数量增多，锈层面积增大，但背面的腐蚀程度仍远低于正面。当Q235碳钢试样暴露90天时，图1个（c） 表明试件正面已被棕色锈层完全覆盖，外层锈层松散。数字1个（三） )示出了试样的背面的形态;锈点的数量明显增加，密集的，但他们并没有完全覆盖基体金属。在180天的曝光时间，试样的前侧呈现均匀的棕色锈层，并与初曝光期间相比，防锈层变得更致密（图1个（d） ）中。数字1个（四） )结果表明，试样背面的腐蚀程度继续增大，锈层几乎完全覆盖在基体金属上，只有少量基体金属未被覆盖。当Q235碳钢试样暴露365天时，图1个（e） 结果表明，试样正面呈深棕色，锈层致密。在数字中1个（e） ),与180天相比，试样背面的腐蚀程度明显增加，锈层呈红棕色，外层锈层较正面疏松。从宏观角度观察，在15d～180d的早期暴露阶段，Q235碳钢试件正面腐蚀程度较背面严重。这是因为试样正面的腐蚀主要是由雨水、冷凝水和潮湿的大气引起的。但在试样背面，雨水和冷凝水很难附着，腐蚀主要是由潮湿的大气引起的。在365天的暴露后期，试样正面已形成较致密的锈层，水分不易渗透，腐蚀生长减缓。当试件背面被相对疏松的锈层覆盖时，水分很容易渗透到外层锈层中，腐蚀继续增长。除暴露时间外，季节也影响腐蚀过程。初期15天和30天为冬季，降雨量少，湿度低，腐蚀程度低。90天暴露在春季，腐蚀程度高于冬季。夏秋季180～365天，降雨量最大，腐蚀程度最高。

3.2条。微观腐蚀形貌

SEM进行观察，在成都站不同曝光时间的Q235碳钢样品的表面微观腐蚀形貌;结果显示在图2个. 数字2（甲）–2（f）分别代表暴露15天、30天、90天、180天和365天的Q235碳钢样品的正面表面形貌。扫描电镜放大倍数均设为500倍。

从图上可以看出2（甲）Q235碳钢试样在曝光前放大后出现了一个条纹状表面，这是由于对基体金属的表面抛光所致。当Q235碳钢试样暴露15天时，图中有几个圆形区域2（b）是局部腐蚀点，其中所述腐蚀产物组成的球形颗粒具有不同大小的，并且剩余的横纹肌区域是未腐蚀基底金属。曝光后30天为反映在图2（c）腐蚀面积继续增大，表面形貌不均匀。腐蚀产物以球形和不规则颗粒为主。当Q235碳钢试样暴露90天时，图2（d）结果表明，随着腐蚀面积的进一步扩大，基体金属的大部分区域被腐蚀产物覆盖，表面形貌不均匀。可观察到许多不同大小的泡状结构，部分泡状结构受损，受损表面下可见球形、棒状、针状腐蚀产物。在180天的暴露时间，图2（e）结果表明，Q235碳钢的腐蚀产物由大量棒状和球形颗粒组成，棒状和球形颗粒聚集成团状，团状腐蚀产物疏松多孔，更有利于水的吸附，加速了碳钢的腐蚀速率。当Q235碳钢样品暴露365天时，图2（f）表明，大多数已连接在一起的腐蚀产物颗粒的形成层状腐蚀产物;少数球形颗粒仍然紧密相连;锈层的表面出现紧凑和光滑，但仍有在其上产生裂纹。

3.3条。断面图中的微观腐蚀形貌

数字三示出了在剖面视图中的Q235碳钢样本，分别暴露在成都大气环境为0，15，30，90，180，和365天，的微观腐蚀形态。扫描电镜倍率均设定为2000倍。对于所有的附图中，下部分是碳素钢基底，和上部的部分是锈层。如从图中可以看出三随着暴露时间的增加，Q235碳钢试样的腐蚀深度增加。如图所示3（b）在15d的早期暴露阶段，Q235碳钢试件的锈层厚度较小。锈层不均匀，最大腐蚀深度达12.1 μm、 最小腐蚀深度为7.0 μm、 Q235碳钢材料暴露30d后，随着暴露天数的增加，锈层厚度增大，腐蚀厚度在11.2 之间μm和26.0 μm、 锈层厚度不均匀，如图所示3（c）. 锈层中还存在不同粒径的颗粒腐蚀产物，这与图中观察到的不均匀表面形貌和不同粒径的颗粒腐蚀产物的结果一致2（c）. 如图所示，在90天的曝光时间3（d）锈层厚度在11.6 之间μm和14.9 μm、 小于30天。锈层厚度的波动也逐渐变小。这是因为基体金属大部分被腐蚀产物覆盖，表面疏松的腐蚀产物逐渐脱落。当Q235碳钢材料暴露180天时，图3（e）可见，锈层的厚度进一步增加，其范围为13.6〜18.1 μ米;也，球形和棒状颗粒的腐蚀产物可被观察到，这与在图锈层的表面形态的观察结果一致2（e）. 数字3（华氏度）显示了暴露365天的Q235碳钢样品的截面形貌。可见，在28.5~29.4 的深度范围内，锈层明显增厚μm、 这是相当公平的。另外，锈层表面较致密，锈层底部较疏松，有颗粒状腐蚀产物。

3.4。XRD分析

对成都站不同阶段暴露的Q235碳钢试样，刮去表面锈渣进行XRD分析，XRD结果如图所示4个.当Q235碳钢材料在成都市的大气环境受到15天，腐蚀产物主要含有γ-哦，α-哦，哦（哦）_三,γ-铁_2个O型_三，和FeSO_4个·小时_2个O.此时的衍射峰α-FeOOH不明显，说明α-哦。在30天的暴露时间内，腐蚀产物与15天的相同；所有产物的峰值强度增加，表明所有腐蚀产物的含量增加。特别是，对应于γ-哦，还有α-FeOOH更明显，表明腐蚀产物的含量γ-哦，还有α-FeOOH大大增加。对于曝光时间90天，暴露时间，铁180天腐蚀产物_三O型_4个在腐蚀产物中发现α-哦，还有γ-铁_2个O型_三也得到了增强。当Q235碳钢试样暴露365天时，腐蚀产物主要为γ-哦，α-哦，哦（哦）_三,γ-铁_2个O型_三，铁_三O型_4个，和FeSO_4个·小时_2个O、 与以前的腐蚀期相比γ-FeOOH降低，表明不稳定腐蚀产物的含量γ-FeOOH减少。然而，峰强度α-哦，γ-铁_2个O型_三，和Fe_三O型_4个显著增加，表明稳定腐蚀产物的含量α-哦，γ-铁_2个O型_三，和Fe_三O型_4个变得更多。

通过对在碳素钢的大气腐蚀的过程中化学反应的机理分析，在曝光的初始阶段，碳钢的腐蚀反应过程如下：

哦^-与铁结合²⁺形成Fe（OH）_2个:

铁（OH）_2个不稳定，被O逐渐氧化成FeOOH_2个溶解在电解质溶液中：

当碳钢表面形成完整的锈层时，腐蚀反应过程如下：

在通过XRD分析的腐蚀产物中，γ-FeOOH是一种挥发性腐蚀产物，也是碳钢材料腐蚀早期锈层的主要成分。它会脱水形成γ-铁_2个O型_三. 然而，在长期暴露后，它可能转变成铁_三O型_4个更具热力学稳定性。铁_三O型_4个可能被氧化成α-FeOOH氧的作用下，α-FeOOH是一种相对稳定的腐蚀产物，其晶粒比γ-哦。内容包括α-随着FeOOH含量的增加，铁锈层的稳定性增强，暴露时间越长，铁锈层越致密。胶体氢氧化物Fe（OH）_三含有一定量的结晶水，可以脱水成FeOOH或Fe_2个O型_三在一定条件下。FeSO的形成_4个·小时_2个O来自于SO的吸附_2个在大气中；它沉积在湿锈层的表面，然后与铁反应。

3.5条。EDS分析

对Q235碳钢在成都大气环境中暴露15、30、90、180和365天后的表面进行了EDS扫描和元素分析。EDS结果如表所示三不同暴露时间的锈层中主要含有铁和氧元素，因此成都站Q235碳钢材料暴露的主要腐蚀产物为含铁和氧的化合物，与腐蚀产物的XRD分析结果一致：γ-哦，α-喂，喂_三O型_4个，和Fe_2个O型_三. 同时，锈层中还含有微量的S、Cl和N元素。S元素可以从SO派生_2个或硫酸盐沉积在大气环境中，N元素可能来自NO或NO_2个而氯元素可能来自大气环境中的氯离子污染。

3.6条。红外光谱分析

成都站不同时间暴露的Q235碳钢腐蚀产物的FTIR光谱如图所示5个. 从图形的红外光谱5个在1144 cm处出现特征峰^-1个，1021 厘米^-1个，和745 厘米^-1个对应的特征吸收γ-哦，说明一种腐蚀产物γ-哦。在1630 cm附近有一个强吸收峰^-1个由于是-OH的弯曲振动特征峰，说明腐蚀产物中含有大量结晶水。此外，可以看出α-海拔798 cm^-1个随着暴露时间的增加逐渐反映，表明在180天和365天的后期暴露时间中，γ-FeOOH开始转变成α-慢慢地。

在各种羟基氧化铁中α-FeOOH是最好的，而其他腐蚀产物如β-哦，γ-哦，δ-FeOOH和非晶相均具有电化学活性，易于还原。因此，在铁锈层发生后，对其有一定的保护作用α-铁锈层中的FeOOH。当Q235碳钢试样在成都高湿大气环境中暴露365天时，大量的γ-FeOOH形成。然而，有没有大量的腐蚀产物α-由于腐蚀时间不够长，在锈层中检测到FeOOH。结果表明，尽管Q235碳钢试样表面形成了致密的锈层，但其锈层仍存在电化学不稳定性。综合XRD和FTIR分析表明，Q235碳钢材料在成都大气环境中暴露365天的腐蚀产物主要为γ-哦，哦（哦）_三，铁_三O型_4个，以及少量α-同时，腐蚀产物中存在大量结晶水。而且，随着曝光时间的增加，γ-费欧开始转变成α-FeOOH，所以锈层的电化学稳定性有增加的趋势。

4。结论

（一）在Q235碳钢材料的腐蚀过程中，正面的腐蚀程度远大于背面。随着暴露时间的增加，锈层面积逐渐扩大，锈层逐渐增厚（二）随着曝光时间的延长，表面微观腐蚀形态从不规则颗粒和囊泡结构改变为棒状和球形颗粒和松散的簇。最后，腐蚀产物连接到所述层状结构，并且表面锈层明显致密且平坦（三）腐蚀产物主要由γ-哦，α-哦，哦（哦）_三,γ-铁_2个O型_三，铁_三O型_4个，和FeSO_4个·小时_2个O、 在以后的暴露期内α-哦，γ-铁_2个O型_三，和Fe_三O型_4个增加了

数据可用性

本文包含了支持本研究结果的数据。

利益冲突

作者声明本论文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项研究是由中国的电网四川省电力公司国家科技计划项目（编号521997160013）资助。

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