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        沿海工業(yè)區(qū)域輸變電電塔鋼構(gòu)件的腐蝕行為研究

        2023-08-11 00:55:30
        熱噴涂技術(shù) 2023年1期
        關(guān)鍵詞:電塔金屬構(gòu)件鍍鋅

        柴 濱

        (國(guó)華瑞豐(東營(yíng)河口)風(fēng)力發(fā)電有限公司,東營(yíng),257000)

        0 引言

        輸變電電塔安全是維持輸變電電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證[1]。然而,在電塔服役過(guò)程中,大氣腐蝕常常會(huì)使金屬構(gòu)件失效[2-4],尤其是沿海工業(yè)區(qū),輸變電電塔常年處于含有工業(yè)氣體(SO2、CO2、NxOy等)和海洋水氣的大氣環(huán)境中,其金屬構(gòu)件更容易被腐蝕。因此,金屬構(gòu)件大氣腐蝕是制約沿海工業(yè)區(qū)輸變電系統(tǒng)建設(shè)的重大難題[5, 6]。

        鍍鋅鋼是輸變電電塔常用的一種鋼材,在普通大氣下具有良好的防腐蝕性能,而沿海工業(yè)區(qū)大氣含有許多腐蝕介質(zhì),F(xiàn)uente 等[7]研究發(fā)現(xiàn),比起農(nóng)村、城市,低碳鋼長(zhǎng)期處于工業(yè)和海洋大氣環(huán)境中更容易被腐蝕,金屬腐蝕速率與海岸垂距具有指數(shù)關(guān)系;Allam[8],Chen[9],Gong[10]等認(rèn)為Cl-、HSO3-的存在是沿海-工業(yè)大氣中金屬腐蝕的主要原因;陳云等[11]認(rèn)為沿海大氣含有的Cl-、SO2、NO2等通常會(huì)促使輸變電電塔金屬構(gòu)件發(fā)生局部或整體銹蝕;張丹丹等[12]采用含有Cl-的酸性腐蝕介質(zhì)研究了海洋氣溶膠環(huán)境中的Q345 鋼腐蝕行為;孟曉波等[13]配比不同NaHSO3溶液研究了輸電桿塔架基本材料的腐蝕行為,認(rèn)為鍍鋅鋼比Q235 和Q345 鋼更能抵抗SO2的腐蝕作用。以上研究主要考慮了Cl-或SO2對(duì)金屬的腐蝕作用,而沿海工業(yè)區(qū)大氣中包含Cl-、SO2,二者共存條件下鍍鋅鋼腐蝕過(guò)程的研究還比較少。

        通常而言,將實(shí)驗(yàn)樣品暴露于戶(hù)外可直接得到鍍鋅鋼的腐蝕過(guò)程,但是實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng),大氣影響因素多,實(shí)驗(yàn)結(jié)果偶然性較大。為避免這些問(wèn)題,通常采用干濕循環(huán)方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)[14,15],該方法可縮短實(shí)驗(yàn)周期,更有利于因素分析。因此本文圍繞沿海工業(yè)區(qū)大氣的混合腐蝕介質(zhì)可能會(huì)進(jìn)一步加速服役電力設(shè)備金屬失效的問(wèn)題,以某沿海工業(yè)區(qū)為背景,配比了6 種不同的腐蝕介質(zhì),采用干濕循環(huán)方法,通過(guò)分析鍍鋅鋼腐蝕增重質(zhì)量,研究了輸變電電塔金屬構(gòu)件的腐蝕規(guī)律。

        1 實(shí)驗(yàn)試樣與方法

        1.1 試樣及腐蝕介質(zhì)制備

        實(shí)驗(yàn)材料為鍍鋅鋼,主要含鋅(Zn)98.96 wt.%和含鐵(Fe)1.04 wt.%,試驗(yàn)時(shí)采用切割機(jī)床切取數(shù)片30 mm×30 mm×2 mm 的鍍鋅鋼鋼片,然后用砂紙將鍍鋅鋼鋼片打磨、拋光[13],并采用環(huán)氧樹(shù)脂涂抹鋼片的邊緣和背面,接著分別用丙酮清和離子水洗鋼片,最后將制成的試樣放入干燥箱中備用。

        腐蝕介質(zhì)采用NaCl 和NaHSO3混合溶液,6種配比方案如表1 所示。

        表1 腐蝕介質(zhì)溶液配比方案Table 1 Corrosive media solution proportioning scheme

        1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        采用干濕交替法[14,15]研究金屬構(gòu)件腐蝕過(guò)程,首先采用電子天平稱(chēng)取試驗(yàn)的初始重量,記錄為m0;然后吸取腐蝕介質(zhì)40μL/cm2均勻鋪展到樣品暴露面,并將試樣夾入試驗(yàn)箱,保持溫度(25℃)和相對(duì)濕度(60%)恒定,12h 后取出稱(chēng)重;最后在試樣表面均勻鋪展等量的蒸餾水后放入試驗(yàn)箱,該過(guò)程為干濕交替1 次循環(huán)。

        2 結(jié)果分析

        2.1 鍍鋅鋼腐蝕增重變化分析

        模擬海洋工業(yè)大氣環(huán)境下的鍍鋅鋼腐蝕增重變化曲線(xiàn)如圖1 所示,經(jīng)過(guò)不同的腐蝕介質(zhì)溶液處理后,鍍鋅鋼試樣的腐蝕增重均隨著干濕交替循環(huán)次數(shù)的增大而增大;腐蝕介質(zhì)溶液的HSO3-具有腐蝕鍍鋅鋼的作用,Cl-濃度的增加,會(huì)加劇鍍鋅鋼的腐蝕程度。

        圖1 鍍鋅鋼試樣腐蝕增重變化曲線(xiàn)Fig.1Corrosion weight gain curve for galvanized steel specimens

        2.2 腐蝕過(guò)程的階段劃分

        預(yù)測(cè)任意時(shí)刻金屬構(gòu)件的腐蝕增重有利于探究金屬腐蝕規(guī)律,預(yù)測(cè)公式一般為[16,17]:

        式中Δm為單位面積試樣的腐蝕增重,mg/cm2;A為第一次完成干濕交替時(shí)的腐蝕增重,mg/cm2;N為干濕交替的次數(shù);k為常數(shù),可反應(yīng)金屬腐蝕速度[8],k>1,表示腐蝕加速過(guò)程,k=1 表示腐蝕速率為常數(shù),k<1 表示腐蝕減速過(guò)程。根據(jù)公式(1),擬合結(jié)果如表2,R2均大于0.94,表明公式(1)能較好預(yù)測(cè)試樣的腐蝕增重。

        表2 不同腐蝕介質(zhì)下的腐蝕增重?cái)M合方程Table 2 Fitting equations for corrosion weight gain in different corrosive media

        由圖1 可知,腐蝕初期試樣腐蝕增重非常小,而在腐蝕后期,試樣的腐蝕速度明顯增快,這表明k存在多值。因此,直接采用公式(1)不能準(zhǔn)確描述鍍鋅鋼的腐蝕過(guò)程。為解決這一問(wèn)題,將公式(1)兩邊取對(duì)數(shù):

        根據(jù)公式(2)得出試樣的腐蝕增重雙對(duì)數(shù)圖如圖2。

        圖2 鍍鋅鋼試樣腐蝕增重的雙對(duì)數(shù)擬合曲線(xiàn)Fig.2Double logarithmic fitting curve for corrosion weight gain of galvanized steel specimens

        由圖2 可知,鍍鋅鋼腐蝕增重的log(Δm)-logN數(shù)據(jù)可分段擬合3 條曲線(xiàn),不同擬合曲線(xiàn)的分段斜率如表3 所示。

        表3 擬合方程的斜率Table 3Slope of the fitted equations

        l1、l2、l3曲線(xiàn)斜率不同,表明試樣的腐蝕過(guò)程具有初期、中期和后期三個(gè)階段。同一組實(shí)驗(yàn)斜率大小均呈現(xiàn):k3>k1>k2,這是因?yàn)樵诟g初期,經(jīng)過(guò)拋光處理的試樣表面較平整,致密性較好,在該階段鍍鋅鋼表層的Zn 與O2、Cl-、HSO3-等分子接觸,腐蝕增重較??;而后隨著干濕交替次數(shù)增加,鍍鋅鋼表面逐漸產(chǎn)生了一層含有ZnCl2、ZnO、Zn(OH)2、Zn5(OH)8Cl2等成分的銹層[14,18],該銹層疏水性較強(qiáng),具有一定致密性,可對(duì)鍍鋅鋼的基體起保護(hù)作用,因而試樣的腐蝕速度減緩,擬合曲線(xiàn)的斜率從k2減至k1;在腐蝕后期,因HSO3-的酸性會(huì)破壞Zn(OH)2形成孔洞,在干濕交替作用下,干燥處理又會(huì)使銹層產(chǎn)生局部裂隙,所以隨著N的增大,鍍鋅鋼在具有較強(qiáng)透性的Cl-作用下進(jìn)一步被腐蝕,擬合曲線(xiàn)的斜率從k2增加至k3,該階段主要是碳鋼基體的腐蝕。另外,在腐蝕同一階段中,不同實(shí)驗(yàn)組的k值不同,表明不同濃度的腐蝕介質(zhì)具有不同的腐蝕能力,但是k 值隨著溶液中Cl-濃度的增加沒(méi)有明顯的規(guī)律,這可能是因?yàn)閗值只能定性表征金屬構(gòu)件的腐蝕速度。

        2.3 平均腐蝕速度

        圖3 為試樣腐蝕的階段轉(zhuǎn)變所需N值。從圖3 可以發(fā)現(xiàn),隨著Cl-濃度的增大,試樣從腐蝕初期進(jìn)入腐蝕中期、從腐蝕中期進(jìn)入腐蝕后期所需的N值逐漸減少,說(shuō)明Cl-濃度的增大可減少干濕交替循環(huán)次數(shù),即增大Cl-濃度可縮短試樣進(jìn)入下一腐蝕階段的時(shí)間。

        圖3 鍍鋅鋼試樣腐蝕的階段變化所需N 值Fig.3 N values required for stage change in corrosion of galvanized steel specimens

        根據(jù)表3,發(fā)現(xiàn)在腐蝕初期和中期的k值均小于1,可認(rèn)為在鍍鋅鋼在腐蝕初期和中期試樣處于腐蝕減速狀態(tài),但是在腐蝕后期由于k值大于1,試樣則處于腐蝕加速狀態(tài)。為定量研究鍍鋅鋼的腐蝕快慢程度,定義階段平均腐蝕速度[19]:

        式中:階段平均腐蝕速度(mg·cm-2/次),Δmi是階段i(i=1, 2, 3) 末期的腐蝕樣品重量(mg·cm-2),ΔNi是階段i經(jīng)歷的干濕交替次數(shù)。由式(3)得出的試樣腐蝕的階段平均速度如圖4。

        圖4 鍍鋅鋼試樣腐蝕的階段平均速度Fig.4 Stage average rate of corrosion of galvanized steel specimens

        在圖4 中,隨著Cl-濃度的增大,各個(gè)階段的平均腐蝕速度的趨勢(shì)不同。階段1 的平均腐蝕速度隨著Cl-濃度的增大先增大后減小,階段2 的平均腐蝕速度處于較小水平,比階段1 更為波動(dòng),這可能是銹層反復(fù)被破裂和有新銹層生成有關(guān)[20],但是階段2 總體呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。階段3 的平均腐蝕速度隨著Cl-濃度的增大而增大,這表明Cl-濃度的增大對(duì)鍍鋅鋼腐蝕后期的影響更大。與僅含有HSO3-(1#)的腐蝕介質(zhì)對(duì)比,隨著腐蝕時(shí)間的增加和Cl-濃度的增大,同時(shí)含有Cl-和HS的腐蝕介質(zhì)溶液的腐蝕能力更強(qiáng)。

        3 結(jié)論

        (1)通過(guò)探究輸變電電塔鋼構(gòu)件在25 ℃、6種不同濃度的腐蝕介質(zhì)中干濕交替循環(huán)的腐蝕行為,得出鍍鋅鋼試樣的腐蝕增重均隨著干濕交替循環(huán)次數(shù)的增大而增大,變化規(guī)律符合冪指數(shù)方程。

        (2)通過(guò)研究log(Δm)-logN圖,發(fā)現(xiàn)鍍鋅鋼試樣的腐蝕過(guò)程可以劃分為腐蝕初期、腐蝕中期和腐蝕后期,鍍鋅鋼的腐蝕初期、中期處于腐蝕減速狀態(tài),腐蝕后期處于腐蝕加速狀態(tài)。

        (3)定義了海洋-工業(yè)大氣環(huán)境中鍍鋅鋼腐蝕階段的平均腐蝕速度,發(fā)現(xiàn)階段1 和階段2 的平均腐蝕速度隨著Cl-濃度的增大先增大后減小,階段3 的平均腐蝕速度隨著Cl-濃度的增大而增大,Cl-濃度的增大可縮短試樣進(jìn)入下一腐蝕階段的時(shí)間,含有Cl-和HSO3-的腐蝕介質(zhì)溶液的腐蝕能力更強(qiáng)。

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