大氣環(huán)境對風(fēng)電機(jī)組腐蝕的影響

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(北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176)

風(fēng)電機(jī)組的服役環(huán)境隨安裝地區(qū)而發(fā)生變化，由于各地區(qū)的氣候環(huán)境不同，因此各機(jī)組的腐蝕情況也不一。研究風(fēng)電機(jī)組所服役大氣腐蝕環(huán)境，能夠?yàn)闄C(jī)組的環(huán)境適應(yīng)性防腐蝕設(shè)計(jì)提供依據(jù)。美國ASTM早在1916年便開始系統(tǒng)研究碳鋼的大氣腐蝕[1]。LARRABEE等[2]對美國3個試驗(yàn)點(diǎn)270種鋼進(jìn)行了15.5 a的大氣暴露試驗(yàn)。我國的大氣腐蝕研究起于19世紀(jì)60年代。其中，我國環(huán)境腐蝕試驗(yàn)研究網(wǎng)站自1983年就開始了20 a大氣腐蝕數(shù)據(jù)積累研究計(jì)劃[3]。目前，國家材料環(huán)境腐蝕平臺已經(jīng)建立了包括萬寧、西沙、拉薩、青島在內(nèi)的15個大氣腐蝕監(jiān)測站點(diǎn)[4]。海南峨蔓風(fēng)電場地處沿海，山西平陸風(fēng)電場地處內(nèi)陸，在這兩地風(fēng)電機(jī)組腐蝕情況均較為嚴(yán)重。在目前已公開的大氣腐蝕監(jiān)測報(bào)道中，均未涉及海南峨蔓及山西平陸兩地大氣腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)[4-13]。

為了更好地對風(fēng)電機(jī)組腐蝕原因進(jìn)行合理分析，本工作在海南峨蔓及山西平陸風(fēng)電場對碳鋼進(jìn)行為期1 a的大氣暴露試驗(yàn)，同時持續(xù)監(jiān)測各暴露點(diǎn)大氣中氯離子及硫酸根離子含量。

1 試驗(yàn)

大氣暴露試樣采用尺寸為100 mm×150 mm×2 mm的碳鋼鋼板，其化學(xué)成分見表1。 試驗(yàn)開始前對試樣進(jìn)行除油、去離子水清洗、干燥、稱量。除油工藝配方為40 g/L NaOH、30 g/L Na2CO3、40～50 g/L Na3PO4·12H2O，溫度為80～90 ℃，時間5 min。將兩組試樣分別投放于海南峨蔓和山西平陸兩個暴露點(diǎn)，每組投放9個平行試樣。采用濕燭法對海南峨蔓和山西平陸大氣中氯離子和硫酸根離子進(jìn)行采集，用賽默飛ICS 2100型離子色譜儀檢測沉降收集液中的離子含量，并計(jì)算離子沉降率(用于表征大氣中的離子含量)。兩暴露點(diǎn)的大氣環(huán)境參數(shù)見表2。

表1 試驗(yàn)用碳鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of the carbon steel (mass) %

表2 兩暴露點(diǎn)大氣環(huán)境參數(shù)Tab. 2 The atmospheric parameters of two test sites

試樣回收后，在室溫下對其進(jìn)行除銹處理，除銹液由50%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸(密度1.19 g/mL)、3.5 g/L六次甲基四胺配制而成。采用ZEISS EVO-18型掃描電鏡(SEM)觀察碳鋼表面腐蝕形貌；采用Rigaku D/max型X射線衍射儀(XRD)檢測腐蝕產(chǎn)物的成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕形貌與腐蝕產(chǎn)物成分

由圖1可見：在海南峨蔓及山西平陸兩風(fēng)電場暴露1 a后，碳鋼表面均被銹層覆蓋，銹層較厚且存在若干裂紋。其中，在海南峨蔓風(fēng)電場進(jìn)行大氣暴露試驗(yàn)后，碳鋼表面的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物相互連接、堆積形成平整、致密的銹層，局部存在針狀并連接成片的腐蝕產(chǎn)物；在山西平陸風(fēng)電場進(jìn)行大氣暴露試驗(yàn)后，銹層凹凸不平，腐蝕產(chǎn)物較為疏松。

對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖2。由圖2可見：衍射譜中均未發(fā)現(xiàn)Fe的衍射峰，主要為γ-FeOOH的衍射峰及少量的α-FeOOH和γ-Fe2O3的衍射峰，γ-FeOOH呈顆粒狀，這與掃描電鏡分析結(jié)果基本吻合，說明碳鋼暴露表面已完全被腐蝕產(chǎn)物覆蓋。研究表明，氯離子在γ-FeOOH中滲透能力較強(qiáng)[14]，在α-FeOOH中次之，較強(qiáng)的氯離子滲透能力在一定程度上加速了碳鋼的腐蝕。

2.2 腐蝕速率

采用失重法按式(1)計(jì)算腐蝕速率，結(jié)果見表3。

(1)

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陸圖1 在海南峨蔓及山西平陸大氣中暴露1 a后碳鋼的腐蝕形貌Fig. 1 Corrosion morphology of carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province (a) and Pinglu in Shanxi province (b) for one year

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陸圖2 在海南峨蔓及山西平陸大氣中暴露1 a后碳鋼腐蝕產(chǎn)物的XRD譜Fig. 2 XRD patterns of carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province (a) and Pinglu in Shanxi province (b) for one year

表3 碳鋼在海南峨蔓及山西平陸大氣中的腐蝕速率及腐蝕等級Tab. 3 Corrosion rates and grades of the carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province

式中:vcorr為腐蝕速率,μm/a；Δm為暴露前后碳鋼腐蝕質(zhì)量損失,g；A為試樣暴露面積,m2；ρ為碳鋼密度,7.68 g/cm3；t為暴露時間,a。

由表3可見：碳鋼在兩暴露點(diǎn)的腐蝕速率均較高，其中，在海南峨蔓地區(qū)碳鋼腐蝕已經(jīng)達(dá)到C5級(根據(jù)ISO 9223-2012標(biāo)準(zhǔn))。研究表明，影響大氣腐蝕的主要因素在于大氣中二氧化硫的含量及鹽離子含量[15]。氯離子溶解會使材料表面薄液層導(dǎo)電性增強(qiáng)，電化學(xué)腐蝕加快。硫酸根溶解于材料表面液膜中成為電解質(zhì)，可誘發(fā)和加速材料腐蝕[16-17]。海南峨蔓地處沿海，海洋大氣中存在各種類型的含氯鹽，山西平陸鄰近運(yùn)城鹽湖，湖水屬于硫酸鹽型的硫酸鈉亞型,鹽湖是典型的Na+，Mg2+，Cl-，SO42-四元水鹽體系[18]，兩地區(qū)高氯、高硫酸鹽的大氣環(huán)境對碳鋼的腐蝕起到誘導(dǎo)和加速的作用。

2.3 離子沉降率

按式(2)計(jì)算海南峨蔓及山西平陸大氣中氯離子和硫酸根離子的沉降率，結(jié)果見圖3。

(2)

式中：S為濕燭離子沉降率,mg·m-2·d-1；mi為該濕燭沉降收集液中離子的總質(zhì)量,mg；m0為同體積空白溶液中離子的總質(zhì)量,mg；A為濕燭紗布暴露的表面積,m2；t為暴露時間,d。

由圖3可見：在一年中的不同季節(jié)、不同氣候濕燭采樣離子沉降率變化很大。在海南峨蔓大氣中，氯離子和硫酸根離子沉降率的變化趨勢幾乎相同，根據(jù)ISO 9223-2012標(biāo)準(zhǔn)，峨蔓大氣中氯離子污染等級為S1級，硫酸根污染等級為P1級。這主要和海南峨蔓地處沿海的特殊地理位置有關(guān)。在山西平陸大氣中，氯離子沉降率都較低，與采樣時間無明顯關(guān)系；硫酸根離子沉降率隨采樣時間波動大，且整體高于該地區(qū)氯離子沉降率。山西平陸大氣中氯離子污染等級為S0級，硫酸根污染等級為P1級。

表4為海南峨蔓和山西平陸兩地大氣中的平均離子沉降率。對比可知：海南峨蔓大氣中氯離子的平均沉降率遠(yuǎn)高于山西平陸大氣中的；兩地區(qū)硫酸根離子平均沉降率均較高，且山西平陸大氣中硫酸根離子平均沉降率高于海南峨蔓大氣中的。綜上所述，碳鋼在海南峨蔓地區(qū)高的腐蝕速率是大氣中高含量的氯離子和硫酸根離子共同作用的結(jié)果，高含量的硫酸根是碳鋼在山西平陸地區(qū)高腐蝕速率的主要原因。

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陸圖3 海南峨蔓和山西平陸大氣中的離子沉降率Fig. 3 The sedimentation rates of ions in the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province

Tab. 4 The average sedimentation rate of ions in the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province mg/(m2·d)

3 結(jié)論

(1) 碳鋼在海南峨蔓和山西平陸兩地大氣中暴露1 a后，表面顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物連接堆積成層狀，且表面完全被銹層覆蓋，腐蝕產(chǎn)物主要為γ-FeOOH及少量的α-FeOOH和γ-Fe2O3。

(2) 碳鋼在兩地區(qū)大氣中的腐蝕速率均較高，在海南峨蔓地區(qū)大氣中其腐蝕等級為C5級，在山西平陸地區(qū)大氣中其腐蝕等級為C4級，高的腐蝕速率與兩地區(qū)所處地理位置存在必然聯(lián)系。

(3) 海南峨蔓地處沿海，氯離子污染等級為S1級，氯離子和硫酸根離子的平均沉降率均較高，其共同作用導(dǎo)致碳鋼在該地區(qū)大氣中的腐蝕速率高。山西平陸臨近鹽湖，大氣主要污染物為硫酸根，高含量的硫酸根是山西平陸地區(qū)碳鋼腐蝕速率高的主要原因。

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