輸電鐵塔用耐候鋼的研製^*

輸電鐵塔用耐候鋼的研製*

曾尚武1，徐德錄1，郭曉宏2，張 磊1，張瑞琦2，李鳳輝1

(1.北京國網富達科技發展有限責任公司，北京100070；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114001)

摘 要：耐候鋼在大氣中能形成緻密和粘附良好的穩定銹層，使其耐腐蝕性能明顯優於普通碳鋼。西方國家已將耐候鋼應用於輸電杆塔中，而國內還未開始使用。採用新型環保耐腐蝕鋼是未來輸電鐵塔選材方向。採用金相、拉伸、掃描、周期浸潤和鹽霧加速腐蝕、電化學等實驗方法，對實驗室冶煉軋制輸電鐵塔用耐候鋼進行了組織、力學性能研究，以及對比試樣Q345B鋼模擬實際應用環境中的腐蝕行為規律，探討了鉻元素對耐候鋼耐腐蝕性能的影響。結果表明，試驗耐候鋼具有優異的力學性能；耐腐蝕性優於Q345B鋼；隨著鉻含量的增加，耐候鋼的耐腐蝕性逐漸提高。

關鍵詞：輸電鐵塔用鋼；耐候鋼；耐腐蝕性能；力學性能

長期以來，我國輸電線路鐵塔主要採用碳鋼和低合金結構鋼(如Q235鋼、Q345鋼等)作為塔材，並進行熱鍍鋅防腐[1-4]。隨著電網建設水平的不斷提高，以及同塔多迴路、緊湊型線路和多分裂大截面導線等輸電新技術的應用，使得桿塔載荷和鐵塔自重越來越大[5]，而鍍鋅防腐特有的除銹、酸洗、鍍鋅工序造成的材料浪費、維護成本增加和環境污染等問題迫切需要解決；因此，應用節能、環保的新材料、新工藝和新技術是電網建設和發展的必然趨勢。

耐候鋼具有綠色、環保、節能和壽命長等特點，並且兼具高強、高韌等性能，在箱罐、車輛、建築和橋樑等領域得到廣泛的應用[6-10]。耐候鋼通過加入磷、銅、鉻、鎳等合金元素提高其耐腐蝕性能。耐候鋼在使用過程中，鋼板表面與腐蝕大氣接觸，經過電化學作用，磷、銅、鉻、鎳等元素在鋼板表面富集，並與空氣中的氧氣以及水分反應，在表面生成緻密的非晶態尖晶石氧化物，以保護鋼材基體，防止腐蝕氣氛進一步腐蝕鋼材基體。其能達到較高的耐大氣腐蝕性能，其耐蝕性是碳素結構鋼的4～8倍[11-12]。

在輸電線路應用耐候鋼鐵塔，不僅具有較高的強度，還可以減少環境污染，降低鋼耗和加工成本，且具有顯著的經濟效益和社會效益；因此，性能良好的耐候鋼在輸電塔上使用有巨大的潛力。本文通過在實驗室冶煉，並軋制出輸電鐵塔用耐候鋼，對其組織、力學性能和耐腐蝕性能進行測試分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

通過實驗室冶煉3爐耐候鋼，其成分見表1。冶煉的鑄錠經實驗室軋機13道次軋製成6 mm厚鋼板，開軋溫度約為1 120 ℃，終軋溫度約為850 ℃。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數) (%)

試樣CSiMnPSCrNiCuNbTiV1#0．100．420．64<><><>

1.2 試驗方法

從試驗鋼上取10 mm×10 mm×5 mm的試樣，經磨拋後，使用酒精清洗，然後用4%的硝酸酒精腐蝕，在PMG3型光學顯微鏡下觀察微觀組織。

拉伸試驗、衝擊試驗和彎曲試驗等力學性能測試取樣方向平行於軋向，試樣尺寸按GB/T 4171—2008標準(耐候結構鋼)，測試分別在Z600拉伸試驗機、ZBC2602全自動衝擊試驗機和WB-1000電液伺服彎曲試驗機上進行。

周期浸潤試驗在JR-A型模擬乾濕周期浸潤腐蝕試驗機內進行，並按TB/T 2375—1993標準(鐵路用耐候鋼周期浸潤腐蝕試驗方法)。試樣尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，取3個平行樣。試驗介質為0.01 mol/L NaHSO3，試驗環境溫度為(45±2)℃、溶液溫度為(45±2)℃、濕度為(70±5)%RH，補充液為0.02 mol/L的NaHSO3。每個乾濕循環周期為60 min，浸入時間為12 min，乾燥時間為48 min。對腐蝕後試樣進行除銹並計算平均腐蝕速率，並用QUANT400掃描電鏡觀察腐蝕形貌。

鹽霧試驗在Q-FOG循環鹽霧腐蝕試驗箱內進行，並採用GB/T 10125—2012標準(人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗)。鹽霧腐蝕介質為5%NaCl水溶液，試驗環境溫度為(35±2)℃。試樣尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，取3個平行樣。採用失重方法來評估金屬的腐蝕情況。

電化學試驗在M398電化學腐蝕測試系統中進行。電解質溶液分別為3.5%NaCl和NaHSO3溶液，所用化學試劑為分析純，去離子水配製。試驗溫度為(22±1)℃，掃描速度為0.5 mv/s。試樣尺寸為50 mm×25 mm×5 mm。試驗前，先用砂紙進行倒邊；然後進行逐級打磨(到水砂紙1 000#)；最後進行冷水沖洗、去離子水清洗、酒精清洗、吹乾、冷卻，以確保試樣表面無新形成的氧化層，表面狀態均勻一致。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織

試驗耐候鋼的顯微組織如圖1所示。從圖1可以看出，組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體，有少量過冷組織出現，其中，3#試樣的過冷組織相對略多。根據GB/T 6394—2002(金屬平均晶粒度測定方法)進行評級，1#、2#試樣晶粒度為9.5級，3#試樣為10級。

圖1 顯微組織

2.2 力學性能

試驗耐候鋼力學性能見表2。從表2可以看出，與2#和3#試樣相比，1#試樣強度相對較低，2#和3#試樣屈服強度均>500 MPa；3組試驗鋼在-40 ℃時的衝擊吸收能量均>110 J，表現出優異的低溫衝擊性能；180°彎曲試驗均合格。

表2 力學性能

試樣Rp02/MPaRm/MPaA/%ak/J123α=180°彎曲試驗 1#144453533．0245353727．0113111110平均448．553630．0111．3 2#151061223．5250760323．5120125125平均508．5607．523．5123．3 3#151260425．0251660923．5123122120平均514606．524．25121．6 合格

2.3 耐腐蝕性能

圖2是經周期浸潤腐蝕後的平均絕對和相對腐蝕速率。從圖2中可以看出，對比試樣Q345B鋼隨著時間的增加，腐蝕速率呈上升趨勢；試驗耐候鋼隨著時間的增加，由於緻密、粘著腐蝕銹層的生成，阻礙腐蝕溶液侵蝕基體，腐蝕速率呈逐漸下降趨勢。經24、48和72 h周期浸潤腐蝕後，試驗耐候鋼平均相對腐蝕速率分別為對比試樣Q345B鋼的64.2%～69.9%、37.7%～44.3%和39.2%～40.9%，說明耐候鋼耐腐蝕性能大大優於對比試樣Q345B鋼。

圖2 周期浸潤腐蝕速率

銹層形貌可以在一定程度上反映材料耐腐蝕性能的好壞。銹層越緻密，裂紋孔洞越少，其耐腐蝕性就越好。採用掃描電鏡觀察72 h周期浸潤腐蝕後腐蝕銹層表面形貌，結果如圖3所示。從圖3可以看出，相對於對比試樣Q345B鋼，試驗耐候鋼銹層緻密、且無明顯裂紋。

圖3 72 h周期浸潤腐蝕銹層形貌

圖4是試驗耐候鋼72 h中性鹽霧腐蝕後的平均絕對和相對腐蝕速率。從圖4可以看出，1#、2#和3#試樣的平均絕對腐蝕速率均小於對比試樣Q345B鋼的腐蝕速率，對應平均相對腐蝕速率分別為81.5%、62.4%和68.9%，說明耐候鋼的耐腐蝕性能相對於對比試樣Q345B鋼具有一定的優勢。

圖4 72 h中性鹽霧試驗腐蝕速率

2.4 電化學

使用3.5%NaCl和NaHSO3溶液模擬實際應用環境，分別進行試驗鋼和對比試樣Q345B鋼的電化學性能測試，通過研究鋼種的開路電位和極化曲線預判其耐腐蝕性能。

圖5是試樣在3.5%NaCl和NaHSO3溶液中的電位隨時間的變化曲線。從圖5可以看出，在3.5%NaCl溶液中，4種試樣開路電位由高至低順序為2#>1#>3#>Q345B鋼，發生腐蝕的傾向性由小到大的順序依次為2#<>#<>#<>3溶液中4種試樣開路電位由高至低順序為2#>3#>1#>Q345B鋼，發生腐蝕的傾向性由小到大的順序依次為2#<>#<>#<>

圖6是試樣在3.5%NaCl和NaHSO3溶液中測試的陽極極化曲線。從圖6可以看出，試樣極化曲線的趨勢是一致的，試驗耐候鋼的耐腐蝕性能相差很小。採用數據擬合的方法計算的腐蝕電流數值，在3.5%NaCl溶液中，對比試樣Q345B鋼的腐蝕電流最大，耐腐蝕性能最差；在NaHSO3溶液中，2#試樣的陽極極化電流最大，極化電阻最小，耐腐蝕性能較差，3#試樣的陽極極化電流最小，極化電阻最大，耐腐蝕性能較好。

圖5 開路電位

圖6 極化曲線

綜合耐腐蝕和電化學試驗結果可知，耐腐蝕性能由高到低的順序是：2#>1#>3#>Q345B鋼。

鉻元素能在鋼表面形成緻密的氧化膜，提高鋼的鈍化能力，當鉻與銅同時加入鋼中時，效果尤為明顯。M. Yamashita 等[13]的研究表明，增加鉻含量有利於細化α-FeOOH，當銹層/基體界面的α-FeOOH中w(Cr)>5%時，能有效抑制腐蝕性陰離子，特別是氯離子的侵入。T. Kamimura等[14]的研究認為添加鉻元素可阻止乾濕交替過程中，Fe3+→Fe2+的還原反應，提高鋼的耐候性。鎳元素的加入可使鋼的自腐蝕電位向正方向變化，增加了鋼的穩定性[15]，少量的鎳對提高鋼的耐腐蝕性作用不明顯，通常，當w(Ni)>3%時，對提高耐腐蝕性才有明顯的影響。綜上所述，在試驗耐候鋼2#試樣中鉻含量最高，耐腐蝕性能最好，其次是3#和1#試樣，並且均優於傳統的Q345B鋼。

3 結語

通過上述研究，得出結論如下。

1)試驗耐候鋼組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，有優異的綜合力學性能。

2)周期浸潤和鹽霧試驗結果表明試驗耐候鋼耐腐蝕性能優於Q345B鋼。

3)2#試樣的開路電位最高，腐蝕傾向性最小；3#試樣的陽極極化電流最小，耐腐蝕性能最好。

4)輸電鐵塔用耐候鋼可適當增加鉻含量，以提高其耐腐蝕性能。

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Development of Weathering Steel for Transmission Tower

ZENG Shangwu1, XU Delu1, GUO Xiaohong2, ZHANG Lei1, ZHANG Ruiqi2, LI Fenghui1

(1.Beijing Guowang Fuda Science & Technology Development Co., Ltd., Beijing 100070, China;2.Iron & Steel Research Institute of Ansteel Group, Anshan 114001, China)

Abstract： The weathering steel has enhanced corrosion resistance for a dense and well-adhering corrosion product layer forms on the surface, which has been widely used in the transmission tower in western countries, but has been seldom used in China. The application of weathering steels for transmission towers is an important development direction. The experiment weathering steel for transmission tower is prepared in laboratory, and the microstructure, mechanical property and corrosion behavior of Q345B in simulated practical application are studied by means of OM, SEM, cyclic immersion corrosion, and electrochemical workstation. Besides, effect of Cr element on corrosion property of the test weathering steel is discussed. The results show that the weathering steels exhibited excellent mechanical properties. The surface of weathering steel has a better corrosion resistance than Q345B steel. With the increase of the Cr content, the corrosion resistance of weathering steel increases.

Key words: steel for transmission tower, weathering steel, corrosion resistant performance, mechanical property

中圖分類號：TG 172.3

文獻標誌碼：A

* 國家電網公司科技項目(SGSDFDOOTTJS1600949)

作者簡介：曾尚武(1983-)，男，工程師，主要從事輸電線路材料等方面的研究。

收稿日期：2017-04-24

責任編輯 馬彤

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