通信鐵塔用鋼的腐蝕試驗及對策研究

王 梓

（河南省鄭州市鄭東新區中國鐵塔，河南 鄭州 450018）

0 引言

通信鐵塔作為信號傳輸線路的承重結構，是信號傳輸線路中最重要的基礎設施之一，其安全可靠對通信系統的安全運行起著至關重要的作用［1］。通信鐵塔的塔身、塔腳和接地系統等金屬部件均會發生腐蝕，而塔腳腐蝕因環境復雜惡劣、腐蝕狀態隱蔽、防腐難度大、腐蝕危害性大等特點，是通信鐵塔所有腐蝕問題中的重點和難點［2-3］。經大量研究發現，常見的通信鐵塔腐蝕情況有4種（見圖1）。①塔腳鋼構與連接螺栓出現腐蝕，表面鍍漆出現老化剝落的現象，部分螺栓被銹蝕；②塔身主材和主連接鋼板出現腐蝕現象；③鐵塔斜材出現腐蝕現象；④鐵塔通信光纜金屬垂釣物被嚴重腐蝕［4］。由于通信鐵塔用鋼在外界環境中會發生嚴重銹蝕，且在發生銹蝕后，鐵塔用鋼的力學性能發生顯著退化，導致其無法再滿足設計要求，使鐵塔在服役期間要經過多次維修養護才能達到工程的使用要求，從而造成人力和經濟資源的嚴重浪費。因此，研究通信鐵塔用鋼的腐蝕行為和腐蝕機理具有重要的工程意義。

圖1 鐵塔用鋼發生銹蝕

國內外學者從20世紀60年代開始便對不同環境中的碳鋼及低合金鋼的腐蝕行為進行了大量研究，并得到實際數據和研究結果，為后續深入研究奠定堅實的基礎。肖葵等［5］通過對腐蝕環境中的Q235鋼材的腐蝕機理進行研究，得到Q235鋼隨著腐蝕損傷程度的增大，其力學性能也隨之退化的規律。Almusallam［6］通過對不同直徑的鋼筋在不同腐蝕率下進行單向拉伸試驗，試驗結果表明，鋼筋直徑最大時基本不受腐蝕變化的影響，其抗拉強度相比未腐蝕試件不降低。可見腐蝕是造成通信鐵塔鋼結構失效的主要原因之一。中國通信塔的數量約為220萬座，其中80%的通信塔屬于鋼結構，且材質以碳鋼和Q345等低合金鋼為主，通信塔的腐蝕類型以大氣腐蝕為主，即以高濕度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大氣環境為主要誘因。

基于此，為了研究鐵塔用鋼的腐蝕行為，筆者對Q345B鋼材開展室內加速腐蝕試驗，研究Q345B鋼的腐蝕行為，并基于通信鐵塔的局部腐蝕機理，制定有效預防鐵塔局部出現腐蝕損傷的防護對策，以期為通信鐵塔的設計與服役期間的維護提供一定參考。

1 通信鐵塔腐蝕原因分析

通過查閱大量國內外相關文獻，并結合在役通信鐵塔不同部位的現場腐蝕形貌，經過深入分析，總結出通信鐵塔發生銹蝕的原因主要有以下3點。第一，高濕度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大氣環境是通信鐵塔快速銹蝕的主要原因；第二，通信鐵塔用鋼外表面的防護涂層的厚度不夠以及質量不過關，尤其通信鐵塔的斜材、螺栓以及主斜材連接件，或鐵塔的材質不適用于該地區特殊的腐蝕環境；第三，通信鐵塔在安裝過程中防護涂層被破壞，比如焊接、機械安裝部位容易發生涂層破壞，從而使其達不到相應的防腐要求。

2 室內加速腐蝕試驗

2.1 試件選材與腐蝕方案

為了研究通信鐵塔用鋼Q345B鋼材在工業大氣環境中的腐蝕行為，本研究在中國鐵塔公司的資金支持下，開展Q345B鋼材室內酸性溶液的周期浸潤腐蝕試驗，選取試件的尺寸為200 mm×50 mm×15 mm，材料的質量等級和力學性能參數均滿足規范要求，將加工好的試件進行編號及稱重。本研究采用周期性浸潤加速腐蝕方案，來模擬工業大氣環境中通信鐵塔用鋼Q345B鋼的腐蝕行為，并對腐蝕機理進行分析。腐蝕溶液為0.01 mol/L NaHSO3+0.001 mol/L NaCl、環境溫度為35℃±2℃、濕度為70±5% RH、pH值為4.4～4.8、循環周期為1 h（包含20 min浸潤、40 min干燥）。腐蝕試件每間隔10 d取樣一次，取件周期為10 d、20 d、30 d、40 d和50 d。

2.2 宏觀腐蝕形貌

由不同腐蝕周期的Q345B鋼試件的宏觀形貌可知，未腐蝕的試件具有良好的金屬光澤，隨著腐蝕試驗的進行，試件的金屬色澤逐漸變暗，表面分布有少量黃褐色點狀銹蝕產物，以局部腐蝕為主；隨著損傷程度的增加，腐蝕產物包裹基體表面，金屬色澤逐漸喪失，此時腐蝕向均勻腐蝕過渡；腐蝕20 d時，紅褐色生成物迅速增多，并呈層片堆積狀分布于鋼材表面，且質地疏松，局部發生腐蝕剝落的現象。對試件除銹后，Q345B鋼試件腐蝕前后的質量平均值見表1。其中，ηs為質量損失率；m0、m1為腐蝕前和腐蝕后質量（g）。由試驗數據可知，質量損失率隨腐蝕周期的增加而成線性增加，同一周期內的實測數據存在離散性，這符合材料常規的線性腐蝕損傷變化規律。經過研究發現，在腐蝕環境中，通信鐵塔用鋼的腐蝕銹層較疏松，且容易發生腐蝕剝落的現象。因此，腐蝕銹層無法阻止或抑制鋼材在工業大氣環境中繼續被銹蝕。

表1 試件質量損失率

2.3 微觀腐蝕形貌

通過PS50 3D非接觸便攜式表面形貌儀得到不同腐蝕周期試件的微觀形貌。當腐蝕10 d后，腐蝕產物會呈現出隨機性分布的特點，尚未發現有蝕坑的產生，損傷程度弱，實測高度不超過310 μm，腐蝕最大深度約為165 μm。隨著腐蝕周期的增加，點蝕尺寸也在逐漸增加，掃描區域的形貌起伏差異大，分布有少量蝕坑；當腐蝕30 d后，試件表面會產生大量致密堆積物，且腐蝕是沿著表面水平方向快速擴展，最終銹蝕物完全包裹試件外圍；當腐蝕50 d后，實測高度不超過620 μm，腐蝕最大深度約為435 μm。研究表明，腐蝕50 d后，較深的點蝕坑使得鋼材在荷載的作用下發生應力集中，點蝕坑處的應力驟增，同時點蝕坑的存在也會導致鋼材的延性降低。因此，在通信鐵塔點蝕較為嚴重的部位，由于應力集中使得鋼材承受的應力超過屈服強度而發生塑性變形，加之點蝕降低了鋼材的延性，使得鋼材的耗能能力更弱，在荷載作用下更容易被破壞。

同時，為了表征不同腐蝕周期下試件的微觀形貌變化規律，基于掃描區域蝕坑尺寸的試驗數據，可得到試件表面的體積損失率ηv、腐蝕深度速率ζ、質量損失速率K，以及掃描區域的參數統計，如實測蝕坑平均深度d、平均寬度w、深寬比d/w。通過分析可知，試件的腐蝕損傷面積與腐蝕周期近似成線性遞增。在腐蝕初期，腐蝕主要是沿著試件的深度方向進行延伸的，表面分布著大量針尖狀形貌，以點蝕產物為主。隨著腐蝕的進行，沿深度方向的腐蝕擴展幅度明顯降低，此時水平方向的腐蝕速率明顯高于縱向，試件表面的點蝕形貌逐漸向坑蝕形貌過渡，腐蝕損傷區域的表面積也隨之增加，導致蝕坑的深寬比減小。研究結果表明，在腐蝕環境中，通信鐵塔用鋼的微觀形貌會發生較大變化，由腐蝕初期的點蝕逐漸變為均勻腐蝕，嚴重削弱通信鐵塔用鋼的力學性能，從而使通信鐵塔在服役期間發生損壞。

3 通信鐵塔用鋼預防腐蝕措施

通過分析研究，得到通信鐵塔用鋼的腐蝕原因及腐蝕機理，從而可因地制宜地制定出有效預防通信鐵塔用鋼在大氣環境中遭受腐蝕而導致鋼材出現嚴重銹蝕，使其力學性能出現明顯退化的防護對策。預防通信鐵塔用鋼腐蝕的主要原則是阻斷通信鐵塔用鋼腐蝕的有利誘因，抑制相應的腐蝕環節，減小腐蝕對通信鐵塔用鋼的危害，從而極大地降低由環境腐蝕造成的人力和物力浪費。預防通信鐵塔用鋼腐蝕的對策有以下4個。①現場技術人員定期對通信鐵塔進行檢查，及時清理鋼材表面由自然沉降而堆集的鹽分、塵土等。②在制作混凝土維護帽時，將其制成斜面，防止塵土在塔腳根部堆集。③在通信鐵塔的連接處涂抹環氧樹脂，敷上厚度為1 mm的保護層，對于通信鐵塔易出現腐蝕的部位，要避免其直接接觸腐蝕介質。④積極推進耐候鋼在通信鐵塔中的應用，在通信鐵塔建設中使用耐候鋼，能縮短制造和建設工期，也可減輕鐵塔結構的自重，節約建設成本，且有利于通信鐵塔的共享建設［7］。

4 結語

通過對國內外大量文獻進行研究發現，鐵塔用鋼的腐蝕類型以大氣腐蝕為主，即以高濕度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大氣環境為主要誘因。通過通信鐵塔用鋼Q345B鋼材進行室內加速腐蝕試驗發現，隨著腐蝕的進行，鋼材固有的金屬光澤會逐漸變暗，表面分布有少量的黃褐色點狀銹蝕產物，以局部腐蝕為主，且隨著腐蝕周期的增加，腐蝕產物包裹基體表面，金屬光澤完全喪失，逐漸向均勻腐蝕過渡。通過通信鐵塔用鋼Q345B鋼材的室內加速腐蝕試驗發現，在腐蝕初期，點蝕尺寸逐漸增加，掃描區域的形貌起伏差異大，分布有少量蝕坑；隨著腐蝕損傷程度的增加，試件表面會產生大量的致密堆積物，且腐蝕過程開始沿著表面水平方向快速擴展，最終銹蝕物將試件外圍完全包裹，當腐蝕50 d后，腐蝕最大深度約為435 μm。因此，為避免通信鐵塔用鋼腐蝕造成的危害，大力推廣高性能耐候鋼在通信鐵塔建設中的應用是一種行之有效的方法。針對目前通信鐵塔質量驗收存在的安全隱患，相關部門應盡快完善現有通信鐵塔驗收標準中的安全性能指標；大力發展科學技術，提高相應的測量技術水平，使得通信鐵塔在安裝過程中不易測試的質量指標得以測量與對比，如鐵塔鋼材的尺寸、厚度、含量等；相關部門應逐步完善工程竣工驗收的指標檢測。