李昕，吳昊波，劉琴

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鄂爾多斯供電分公司，鄂爾多斯 017004）

引言

輸變電電塔設(shè)備作為輸變電系統(tǒng)中重要的金屬結(jié)構(gòu)裝置，其服役穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行是十分重要的。輸變電電塔設(shè)備在長(zhǎng)期服役過(guò)程中會(huì)遭遇不同程度的腐蝕破壞，銹蝕后輸電塔的各項(xiàng)性能大幅度下降，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的工作效率與安全。尤其在沿海以及工業(yè)污染較為嚴(yán)重的環(huán)境中時(shí)，大氣中所含的Cl-、SO2、NO2腐蝕介質(zhì)濃度較高，嚴(yán)重危害輸電塔安全運(yùn)行，同時(shí)造成了經(jīng)濟(jì)上的重大損失[1-3]。研究表明，高濕度和鹽度、pH范圍和溫度條件，都顯著提高了腐蝕過(guò)程的速率，所以減緩電網(wǎng)輸變電電塔設(shè)備在自然環(huán)境下的腐蝕是我們迫切需要解決的問(wèn)題[4-6]。目前，輸變電電塔設(shè)備常用的抗腐蝕技術(shù)主要有熱浸鋅防護(hù)技術(shù)與涂料涂層防護(hù)技術(shù)兩種[7]。但均具有成本過(guò)高、施工復(fù)雜和服役穩(wěn)定性等問(wèn)題。針對(duì)以上不足，急需開(kāi)發(fā)新的防腐蝕涂層材料。

1 實(shí)驗(yàn)材料與測(cè)試參數(shù)

1.1 涂層制備與基材選擇

本文以45#鋼為實(shí)驗(yàn)基體，在當(dāng)前的輸變電電塔設(shè)備腐蝕防護(hù)技術(shù)中，保護(hù)性涂料都面臨著結(jié)合力不好和服役時(shí)長(zhǎng)較大時(shí)易粉塵化的弊端，因此，本文使用噴涂型金屬涂層對(duì)表面進(jìn)行處理達(dá)到腐蝕防護(hù)的目的。其中，熱噴涂易造成活性噴涂材料的快速氧化，而Zn和Al材料都為典型的活性材料，易在噴涂過(guò)程中在高溫環(huán)境下形成氧化物，降低犧牲陽(yáng)極的效率[7]。基于以上特性，這里通過(guò)ANESTIWATA冷氣動(dòng)力學(xué)噴涂設(shè)備制備Al-Zn金屬涂層，制備前需要對(duì)基體進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)噴砂去除表面殘存的污染物。噴涂載氣溫度 230 ℃，載氣壓力為 1.8 MPa，進(jìn)粉速率為 1.6 g/s，噴涂距離為 20 mm。

1.2 電化學(xué)測(cè)試

極化曲線（Polarization curve）是表征電極表面電位與極化電流的關(guān)系曲線，在金屬腐蝕電極體系中，金屬電極表面同時(shí)發(fā)生陽(yáng)極溶解和陰極還原反應(yīng)，通過(guò)對(duì)極化曲線進(jìn)行 Bulter-Volmer（B-V）方程擬合得到材料的腐蝕速率等參數(shù)[8,9]，測(cè)試開(kāi)始前需要靜置 10 min 等待體系穩(wěn)定，常規(guī)動(dòng)電位極化曲線由相對(duì)開(kāi)路電位-300 mV起始，以 1 mV/s 的速度正向掃描，采樣間隔 1 mV/s，當(dāng)陽(yáng)極電流密度達(dá) 到 1 mA/cm2停止。

1.3 腐蝕失重測(cè)試

重量法是測(cè)定金屬腐蝕速度的一種方法。其試驗(yàn)結(jié)果由單位時(shí)間內(nèi)的單位面積下材料的質(zhì)量變化得到，以失重法、增重法為主，大多用于均勻腐蝕類(lèi)型下的腐蝕速度評(píng)價(jià)，是應(yīng)用最為廣泛的實(shí)時(shí)腐蝕速度評(píng)價(jià)測(cè)試方法[10]。對(duì)于失重法，其腐蝕速度可用以下公式得到：

式中：

S—腐蝕速度；

W0、W—測(cè)試前后的材料質(zhì)量；

A—面積；

t—時(shí)間。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：①去離子水沖洗吹干后測(cè)量試樣的初始重量。②腐蝕環(huán)境使用同樣的3.5 wt.%溶液，將試樣至于溶液中。③試樣浸泡2 h，5 h，12 h，24 h，48 h，96 h后取出，去離子水沖洗后吹干。④在去腐蝕產(chǎn)物劑中超聲震蕩十分鐘。⑤測(cè)量此時(shí)試樣的質(zhì)量。去腐蝕產(chǎn)物劑由1∶1的濃鹽酸和水，添加3.5 g/L的六次甲基四胺制成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 涂層表征

圖1為兩種金屬涂層的截面 SEM 形貌圖。由圖可知，兩種涂層厚度均為30 μm左右，涂層與基體之間的附著情況良好。表面的金屬層界面區(qū)分明顯，圖1中均可看到細(xì)小的金屬顆粒堆積在材料表面，組成完整的金屬涂層，其中， Zn涂層（圖1（a））中的顆粒小孔隙較大，而Zn-Al合金涂層之間的結(jié)合較為致密，孔隙較小，對(duì)腐蝕介質(zhì)的物理屏蔽作用較差。

圖1 Zn 和Al-Zn涂層的截面 SEM 形貌圖

為了進(jìn)一步判斷冷噴鋅和冷噴鋁鋅兩種涂層的構(gòu)成成分，對(duì)涂層表層進(jìn)行了 EDS分析，結(jié)果如表1 所示。如表所示，冷噴鋅涂層主要由 Zn、O、C元素構(gòu)成，大量的Zn元素可以確保金屬材料出現(xiàn)腐蝕時(shí)具備犧牲陽(yáng)極的保護(hù)效應(yīng)，且Zn涂層本身就具備一定的耐蝕性。冷噴鋁鋅涂層主要是由Al、Zn、O 元素構(gòu)成，其中Al元素的含量最多，達(dá)到了78 %以上，Zn元素占比在13 %左右，但這使得鋁鋅涂層同時(shí)具有鋁的鈍化膜保護(hù)作用和鋅的穩(wěn)定性，進(jìn)而擁有優(yōu)良的耐腐性能。由于Zn和Al兩種涂層中的O 元素的主要來(lái)源是樣品在噴涂過(guò)程中的氧化，或者樣品在空氣中存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致表面金屬元素發(fā)生了氧化。C元素的來(lái)源則可能是樣品制作過(guò)程中的污染或者是樣品在測(cè)試之前沒(méi)有將表面清潔干凈。

表1 三種金屬涂層的組成成分與含量

2.2 極化曲線測(cè)試

圖2是在3.5 wt.%的NaCl溶液中45#鋼基體和冷噴Zn涂層和冷噴Al-Zn涂層的極化曲線圖。從圖2中可以知道三種材料均呈現(xiàn)為活化溶解的趨勢(shì)。Fe、Zn和Al材料都是典型的活化材料，在3.5 wt.%NaCl溶液中呈現(xiàn)均勻腐蝕狀態(tài)，在冷噴過(guò)程中，也不會(huì)出現(xiàn)劇烈的氧化產(chǎn)生氧化膜，所以Al-Zn涂層均為活化溶解狀態(tài)。而雖然冷噴過(guò)程中Zn材料可能快速氧化在表面產(chǎn)生氧化物，但無(wú)法保證ZnO在材料表面的完全覆蓋，而ZnO-Zn原電池的組成仍然會(huì)加速Zn的腐蝕效應(yīng)，因此Zn涂層也呈現(xiàn)活化狀態(tài)。對(duì)三種材料的極化曲線進(jìn)行B-V方程擬合，得到腐蝕電流密度，以此來(lái)評(píng)價(jià)涂層耐腐蝕性能，涂層腐蝕電流密度越小，腐蝕速度就越低，耐腐蝕性能就越好。結(jié)果如表2所示，由表可以看出45#鋼，冷噴鋅涂層以及冷噴鋁鋅涂層這三種涂層的腐蝕電流密度分別為2.48×10-5，8.86×10-6和3.48×10-6。由此可知，冷噴Zn涂層和冷噴Al-Zn涂層都具有較好的腐蝕防護(hù)性能，且冷噴Al-Zn涂層的耐腐蝕性能最好。

表2 三種金屬涂層的自腐蝕電位與腐蝕電流密度表

圖2 基體與兩種涂層的極化曲線圖

2.3 失重測(cè)試

對(duì)三組試樣表面進(jìn)行逐級(jí)打磨至2000#，酒精沖洗后冷風(fēng)吹干，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，用電子天平先秤取初始重量，再置于3.5 wt.%NaCl溶液中，腐蝕浸泡時(shí)間設(shè)為2 h，5 h，12 h，24 h，48 h和96 h，室溫（25±2）℃下進(jìn)行測(cè)試。45#鋼，冷噴Zn層和冷噴Al-Zn層在焊接試樣在3.5 wt.%NaCl溶液中腐蝕浸泡后的腐蝕失重速度的測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。由圖可知，作為基體的45#鋼和冷噴得到的Zn和Al-Zn層都隨著浸泡時(shí)間的增加而增加，且隨著表面腐蝕產(chǎn)物的堆積，三種材料的腐蝕速度也在下降，這說(shuō)明兩種涂層在服役過(guò)程中具備一定的穩(wěn)定性。且兩種涂層的腐蝕失重結(jié)果與極化曲線的結(jié)果相一致，即Zn涂層與Al-Zn涂層都具備一定的腐蝕防護(hù)作用，且Al-Zn涂層的防腐效果要更好。

圖3 基體和兩種涂層的腐蝕失重曲線

3 結(jié)論

輸變電電塔設(shè)備的腐蝕防護(hù)研究對(duì)電塔長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定服役有著十分重要的意義，本文易冷噴的方式在45#鋼基體沉積了Zn和Al-Zn涂層，通過(guò)表面形貌觀察，電化學(xué)腐蝕測(cè)試和失重實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）Zn-Al 合金涂層的致密性比Zn涂層更好，由橢球狀和葫蘆狀的合 金顆粒交錯(cuò)互嵌堆積而成，鍍層顆粒之間以類(lèi)似隼接的連接方式搭接“卡鎖”。

2）Zn涂層和Zn-Al涂層都對(duì)基體有較好的腐蝕保護(hù)性能，且Al-Zn涂層的耐蝕性更好，腐蝕電流密度僅為Zn涂層的39.2%，是較為理想的腐蝕保護(hù)涂層。