粟雙全，羅 杰

(1.湖南省婁衡高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南婁底 417000;2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

鍍鋅鋼管具有良好的強(qiáng)度、剛度和抗沖擊能力，一定的耐溫、耐壓能力，價(jià)格適中，原材料易于獲取且易于加工，因而作為一種給排水主材被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)及建筑內(nèi)部各供水管道及消防管道［1］。應(yīng)用在建筑物內(nèi)供水管道上已有近百年的歷史。

鍍鋅管在工藝上有熱鍍鋅和電鍍鋅兩種。熱鍍鋅具有鍍層均勻、附著力強(qiáng)、耐腐蝕性能好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)各領(lǐng)域。電鍍鋅的耐腐蝕性比熱鍍鋅差，鋅層與鋼基體分層，鋅層較薄，附著在鋼管基體上，容易脫落［2，3］。

埋地管道使用壽命的長(zhǎng)短主要取決于管道腐蝕速率的大小，管道的腐蝕主要包括兩方面，內(nèi)腐蝕和外腐蝕。外腐蝕為土壤腐蝕，作為腐蝕介質(zhì)的土壤與一般腐蝕介質(zhì)相比，具有多相性、不流動(dòng)性、不均勻性［4，5］、時(shí)間季節(jié)性或地域性［6］等等諸多特點(diǎn)，并且由于土壤中微生物和有機(jī)質(zhì)等的存在并參與反應(yīng)，就更加劇了土壤腐蝕研究的復(fù)雜性［7］，但總的說(shuō)來(lái)，絕大多數(shù)土壤腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕的范疇［8］;作為給排水的埋地管道的內(nèi)腐蝕主要是水的腐蝕，同樣，水的腐蝕也屬于電化學(xué)腐蝕的范疇。

傳統(tǒng)的埋片測(cè)定腐蝕速率的方法需要時(shí)間太久［9］，不符合工程需求，所以實(shí)驗(yàn)不采取埋片法。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［10］，電化學(xué)方法是一種測(cè)定腐蝕速率迅速、簡(jiǎn)單的方法，且測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)定試樣在介質(zhì)中的極化曲線計(jì)算得到腐蝕速率［11－15］，從而推測(cè)出鍍鋅管的使用壽命。

1 工程背景

瀏陽(yáng)鋼波紋管涵采用熱鍍鋅波紋管，壁厚為4.5，5.5，6.5 mm，主要作為鋼板橋涵結(jié)構(gòu)，圖 1為施工現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖1 施工示意圖

2 試驗(yàn)方案

鍍鋅管的鍍鋅層表面有一層氧化膜，耐銹蝕性較好，但是其耐酸性介質(zhì)能力較差，埋地鍍鋅管的腐蝕受水和土壤的理化性質(zhì)的影響很大，對(duì)介質(zhì)理化性質(zhì)的分析很有必要。以介質(zhì)理化性質(zhì)作指導(dǎo)，通過(guò)電化學(xué)方法測(cè)定熱鍍鋅管在水以及土壤中的腐蝕速率，進(jìn)而預(yù)測(cè)鍍鋅管道的使用壽命。

腐蝕速率的測(cè)定采用電化學(xué)方法，尹卓湘等［16］利用電化學(xué)方法研究了鋁合金中常見(jiàn)元素的耐腐蝕機(jī)理，鄧祖宇等［17］和李勁風(fēng)等［18］采用電化學(xué)方法和極化曲線分別定量研究了鋼材和鋁合金在鹽溶液中的電化學(xué)特征。本文中利用三電極體系測(cè)定試件的自腐蝕電位變化，得到其極化曲線并由此計(jì)算腐蝕速率。三電極主要包括工作電極(試件鍍鋅鋼電極)、對(duì)電極(鉑電極)和參比電極(飽和甘汞);數(shù)據(jù)采集利用辰華Chi 660B電化學(xué)工作站進(jìn)行。

3 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

3.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用試件尺寸均為10 cm×10 cm，厚度為4.5，5.5，6.5 mm。研究主要為內(nèi)壁鍍層、內(nèi)壁鋼基底、外壁鍍層和外壁鋼基底，非研究部位用環(huán)氧樹(shù)脂封裝成為工作電極。

3.2 介質(zhì)理化性質(zhì)

試驗(yàn)從瀏陽(yáng)大瀏高速公路施工現(xiàn)場(chǎng)采取不同地段的水樣和土樣，并對(duì)他們的理化性質(zhì)做了分析，管道水的物化性質(zhì)見(jiàn)表1。主要測(cè)定了水的pH、電導(dǎo)率以及總含鹽量。

土壤的物化性質(zhì)見(jiàn)表2所示。

表1 管道水的物化性質(zhì)

表2 土壤理化性質(zhì)(待續(xù))

續(xù)表2 土壤理化性質(zhì)

含鹽量、pH值、含水量以及電導(dǎo)率的大小綜合反映了土壤和水的腐蝕性強(qiáng)弱。從上表可以看出，土壤以及水呈酸性，鋅的耐酸性較差，所以鍍鋅管較易腐蝕;土壤的含水量平均在百分之十幾，腐蝕性較大;土壤的平均含鹽量小于0.05%，對(duì)腐蝕速率影響較小;水的含鹽量也小于0.05%，對(duì)腐蝕速率影響較小。

3.3 鍍鋅層形貌及成分

鍍層的形貌，厚度以及成分是影響腐蝕速率的重要因素，將鍍鋅管在不破壞鍍鋅層的前提下切割成1 cm2的正方形小塊，通過(guò)掃描電鏡測(cè)定鍍鋅層厚度以及鍍鋅層的形貌特征。

圖2A為鍍層表面放大3 000倍時(shí)的形貌，圖2C為鍍層表面放大5 000倍時(shí)的形貌，圖2B為內(nèi)壁鍍層截面放大1 000倍的形貌，圖2D為外壁鍍層截面放大1 000倍的形貌。從圖2A可以清晰的看出，鍍層表面有坑洞;從圖2B和圖2D也可以看到鍍層內(nèi)部有少許空隙，內(nèi)壁鍍層厚度99.8 μm，外壁鍍層75.2 μm，鍍層厚度比較均勻。

圖2 鍍層的形貌及厚度

3.4 鍍層的成分

鍍層的成分采用EDX確定，主要成分如圖3和圖4。

圖3 內(nèi)壁鍍層EDX譜圖

圖4 外壁鍍層成分

從譜圖4中可以看出，鍍層表面主要成分為鋅，高達(dá)90%以上，氧含量為1%～8%，含有少許的Al，Si，P，S，Cl，F(xiàn)e 等雜質(zhì)(總雜質(zhì)含量低于 2%)，鍍層表面的鋅被氧化，故具有較高的氧含量的表面成分，在鋅層內(nèi)部是無(wú)氧存在的，表面的氧化鋅膜對(duì)鍍層起到一定的保護(hù)作用。

3.5 腐蝕速率的測(cè)定

采用年均腐蝕深度D表示試件在給定環(huán)境下的腐蝕速率，根據(jù)金屬的自腐蝕平衡條件，可采用式(1)計(jì)算，即:

其中;M金屬為金屬的摩爾質(zhì)量;ρcorr為自腐蝕電流密度，通過(guò)測(cè)得的極化曲線計(jì)算得到;n為金屬失電子數(shù);常數(shù)96 500為1 mol電子所帶電荷;ρ金屬為金屬的密度。

3.5.1 內(nèi)壁鍍層及鋼基底極化曲線和腐蝕速率

內(nèi)壁水的極化曲線的測(cè)定采用三電極系統(tǒng)，工作電極(試件鍍鋅鋼電極)、對(duì)電極(鉑電極)和參比電極(飽和甘汞)，在開(kāi)路電勢(shì)上下偏差200 mV范圍內(nèi)測(cè)定，數(shù)據(jù)采集利用辰華Chi 660B電化學(xué)工作站進(jìn)行。裝置如圖5。

圖5 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)共采用了三標(biāo)、四標(biāo)K15、四標(biāo)K16、七標(biāo)、十四標(biāo)5個(gè)水樣，分別做了內(nèi)壁鍍鋅層以及鋼基底在水中的塔菲爾曲線。

圖6為內(nèi)壁鍍層在水中的極化曲線。由圖6所得數(shù)據(jù)將各個(gè)試件計(jì)算得到的自腐蝕電流密度代入式(1)，可得腐蝕速率見(jiàn)表3所示。

圖6 內(nèi)壁鍍層的水極化曲線

表3 鋅鍍層在不同水樣中的腐蝕速率

從表3的數(shù)據(jù)看出，四標(biāo)K16的水樣中腐蝕速率最大，四標(biāo)K15的水樣腐蝕速率最小。

圖7為內(nèi)壁鋼基底在水中的極化曲線。計(jì)算得到內(nèi)壁鋼基底的腐蝕速率見(jiàn)表4。從表4的數(shù)據(jù)可知，四標(biāo)K16和三標(biāo)都較小，七標(biāo)的水樣鋼管腐蝕速率最大。

圖7 內(nèi)壁鋼基底的水極化曲線

表4 鍍鋅管鋼基底在不同水樣中的腐蝕速率

3.5.2 外壁鍍層及基底極化曲線和腐蝕速率

外壁的土壤極化曲線的測(cè)定同樣采用三電極系統(tǒng)，具體裝置如圖8。實(shí)驗(yàn)選取了四標(biāo)K15中下層、七標(biāo)中上層和四標(biāo)K16中上層3種土樣。

圖8 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖9為外壁鍍鋅層在土壤中的極化曲線。根據(jù)圖9的曲線獲得的數(shù)據(jù)計(jì)算得到外壁鍍鋅層的腐蝕速率見(jiàn)表5所示。

表5 鍍鋅層在不同土樣中的腐蝕速率

表5表明，七標(biāo)中上層土壤對(duì)鍍鋅層的腐蝕速率最小，四標(biāo)K15中下層的土壤腐蝕速率最大。

圖10為外壁鋼基底在土壤中的極化曲線。由圖10獲得的腐蝕電流密度和腐蝕速率數(shù)據(jù)列表于表6。

圖10 外壁鋼基底在土壤中的極化曲線

表6 鋅鍍管鋼基底在不同土壤中的腐蝕率

表6顯示，四標(biāo)K15中下層土壤對(duì)鋼管的腐蝕速率最小，四標(biāo)K16中上層對(duì)鋼管的腐蝕速率較大。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以得出鍍鋅管鍍層以及鋼基底的平均腐蝕速率見(jiàn)表7。根據(jù)表7的數(shù)據(jù)可以計(jì)算鍍鋅管的使用壽命。

表7 鍍鋅管內(nèi)外壁平均腐蝕速率

如果按照表7所列最大腐蝕速率來(lái)計(jì)算，外壁鍍層大概4 a后完全腐蝕，內(nèi)壁鍍層5 a后完全腐蝕，50 a后鍍鋅管外壁腐蝕3.2 mm，內(nèi)壁腐蝕2.8 mm。鍍鋅管實(shí)際尺寸是4.5～6.5 mm，根據(jù)這種計(jì)算，如果留有1 mm的鋼壁厚度不被腐蝕，那么4.5 mm的管線鋼可以安全使用30 a，而6.5 mm的管線鋼可以安全使用44 a，50 a管道完全被腐蝕掉。但是腐蝕速率是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐步下降，最終出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的腐蝕速率，實(shí)際的耐腐蝕壽命可能會(huì)小于該理想條件下的計(jì)算值，而目前的試驗(yàn)條件和設(shè)備雖無(wú)法完全模擬實(shí)際環(huán)境和各種不利因素，但該計(jì)算值同樣具有一定的工程參考價(jià)值。

4 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，大瀏高速公路選用的4.5～6.5 mm的鍍鋅波紋管，未加任何防護(hù)措施的情況下可安全使用30～44 a。如果采用保戶措施，如陰極保護(hù)，涂裝等措施，可進(jìn)一步使鍍鋅波紋管的壽命延長(zhǎng)。

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