復合型氣相緩蝕劑的電力設備大氣腐蝕防護研究

吳 迪，潘建喬，徐 克，張 煒，胡澤友

（1.國網浙江平湖市供電有限公司，浙江平湖314200；2.浙江工業大學化學工程學院，杭州310014）

電力行業有大量的電力電子設備，其中很多設備需要長時間放置在室外大氣環境，反復經歷高溫高濕的使用環境，使設備的外殼和內部電子設施容易老化腐蝕，縮短設備的使用年。材料的腐蝕也使得設備故障頻發，給國家造成巨大的經濟損失，急需有效的防腐措施[1-2]。

然而，很多電力系統設施內部構成復雜，各種電路共存于一個狹小的空間，金屬材料種類繁多，一般的防腐措施很難在不影響設備正常使用的前提下提供良好的防護效果[3-4]。氣相緩蝕劑能通過揮發氣至金屬材料表面，吸附在金屬表面形成穩定的保護膜，從而抑制腐蝕反應的發生，不受被保護物體實際形狀和大小的影響[5-10]。將緩蝕劑添加至金屬涂層也能提高涂層的保護性能，延長涂層使用壽命[11-12]。在化工、基建、航空、機械和軍事等領域具有廣泛的應用[13]。

當前常用的氣相緩蝕劑有亞硝酸鹽緩蝕劑、磷酸鹽緩蝕劑、苯并三氮唑與烏洛托品等[14]。亞硝酸鹽對生物體有不利影響，磷酸鹽也因為致使河流和湖泊富營養化而被限制使用[15]。目前研制環保低毒的通用型氣相緩蝕劑已成為近年來氣相緩蝕劑的主要發展趨勢[13,16]。

為了應對電力設備在室外高溫高濕環境中易腐蝕的難題，開發了一種氣相緩蝕劑。

1 實驗部分

1.1 氣相緩蝕劑

所研究的緩蝕劑為復配型緩蝕劑，由一種甲基咪唑類衍生物與苯并三氮唑按一定比例混合的復配物。在鹽霧實驗中，先將該復合緩蝕劑負載在納米硅膠粉體上，再摻入相應的涂層中。

1.2 模擬環境腐蝕掛片

將A3 鋼、鋁、紫銅和黃銅4 種金屬依次用280#、660#、3000#砂紙打磨光亮，浸泡于丙酮中超聲振蕩10 min，然后用蒸餾水洗滌，氮氣吹干備用。將4 個1 L 廣口瓶，分別倒入40 mL 市政自來水，2個放入25 mL小燒杯，燒杯內裝入0.5 g緩蝕劑，另外2個作為空白對照組。廣口瓶底部為質量分數5%的NaCl的溶液，金屬片用尼龍繩掛起，懸掛于溶液上方，尾端做好標記，瓶口密封。實驗采用強化方式，即掛片條件為12 h室溫，12 h水浴加熱50 ℃，記錄試樣表面腐蝕現象。

測試結束后，取出試樣并按GB/T 16545－2015 中的化學清洗方法（鋼、紫銅及黃銅、鋁分別選用C.3.1、C.2.2 和C.1.1 的清洗方法）去除腐蝕產物，后用無水乙醇和蒸餾水清洗，氮氣吹干，稱量，通過失量計算緩蝕率[17]。

1.3 鹽霧實驗

A3 鋼表面涂覆涂層，其中一個涂層添加緩蝕劑，另一個為普通涂層。參考ISO 9227-2017，使用鹽霧實驗機進行加速腐蝕測試，測試周期為24 h，其中8 h 噴霧，16 h 不噴霧[18]。溶液NaCl 的質量分數為5%，pH 為6.4，工作室溫度35 ℃，飽和壓力桶溫度47 ℃，鹽霧沉降量為1.0～2.0 mL/(80 cm3·h)。

測試結束后拍照記錄表面宏觀形態，采用場發射掃描電鏡（SEM）觀察微觀表面形態，使用能譜儀（EDS）分析試樣表面腐蝕物。

1.4 電化學測試

采用CHI660C 工作站進行電化學測試，研究含緩蝕劑和不含緩蝕劑的環境中掛片試樣的表面腐蝕行為。工作電極為掛片實驗后的5種金屬試片（裸露面積為1 cm2），鉑電極為對電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。電化學極化曲線在質量分數5%的NaCl 電解質溶液中測試，掃描速率0.05 mV/s。

2 結果與討論

2.1 腐蝕掛片

圖1 4種金屬在有緩蝕劑時掛片5 d后的形貌Fig 1 The surface morphology of four kinds of metals with corrosion inhibitor after 5 d testing

由圖1和圖2可知，A3鋼在無緩蝕劑環境中腐蝕嚴重，表面整體呈棕黃色，生成大量的3價鐵腐蝕物；而有緩蝕劑保護環境中，試片僅中間部位由于液膜層被水蒸氣聚集成流沖刷而成條狀腐蝕帶，其余區域只有少量的點狀腐蝕，腐蝕產物相對較少。對于紫銅來說，無緩蝕劑環境中試片表面色澤變化明顯，試片整體呈暗黑色，且腐蝕后表面有大片腐蝕產物發生脫落；緩蝕劑環境下的試片整體腐蝕程度較輕，顏色略微變暗，腐蝕產物少且無黑色腐蝕產物。對于黃銅來說，無緩蝕劑環境下的金屬表面基本被腐蝕產物覆蓋，腐蝕產物有較大范圍脫落；有緩蝕劑環境下的試片整體腐蝕程度較輕，只有少部分腐蝕產物脫落。對于鋁片來說，2種環境中的試片腐蝕程度均比較輕微，宏觀差異不明顯。

圖2 4種金屬無緩蝕劑掛片5 d后的形貌Fig 2 The surface morphology of four kinds of metals without corrosion inhibitor after 5 d testing

表1是4種金屬在2種環境中掛片5 d后的失量數據。

表1 不同條件下各金屬的失重及緩蝕效率Tab 1 Weight loss of various metals and inhibition efficiency under different conditions

由表1 可知，黃銅試片和A3 鋼試片的緩蝕效果最好；鋁的緩蝕率相差不明顯，這可能與鋁具有良好的自鈍性能有關。表明緩蝕劑的存在能明顯減緩金屬腐蝕速率和腐蝕程度。這與圖1不同條件下金屬表面宏觀形態的結果相一致。

2.2 掛片后試樣的電化學分析

圖3～圖5是A3鋼、紫銅和黃銅在2種環境中掛片3 d 后的極化曲線，表2 是由圖2 中極化曲線所得的3種金屬的自腐蝕電位和腐蝕電流密度。

由圖3～圖5 和表2 可知，盡管三種金屬在兩種環境中的Tafel 曲線自腐蝕電位(Ecorr)非常相近，但有緩蝕劑環境中的腐蝕電流密度（i）卻明顯小于無緩蝕劑環境的腐蝕電流密度，其中A3鋼、黃銅、紫銅的腐蝕電流密度比無緩蝕劑環境分別降低了0.597、4.14×10-3、5.30×10-3mA/cm2。從極化曲線圖還可看出，該緩蝕劑對于A3 鋼、黃銅和紫銅都屬于混合型緩蝕劑，緩蝕劑揮發至金屬表面成膜能夠同時增大腐蝕電化學反應的陰極極化和陽極極化，從而大幅減小金屬試片的腐蝕電流密度即明顯減緩腐蝕速率和腐蝕程度。

圖3 A3鋼掛片3 d后的極化曲線Fig 3 Polarization curves of A3 steel after 3 d

圖4 紫銅掛片3 d后的極化曲線Fig 4 Polarization curves of copper after 3 d

圖5 黃銅掛片3 d后的極化曲線Fig 5 Polarization curves of brass after 3 d

表2 3種金屬掛片3 d后的腐蝕電流和腐蝕電位Tab 2 Corrosin Current and corrosion potential of three kinds of metals after 3 d

2.3 鹽霧掛片

以A3 鋼為例，研究緩蝕劑復合于涂層中對金屬基體的保護作用。圖6 是A3 鋼涂層試樣鹽霧實驗27 d后的宏觀形貌。

圖6 A3鋼涂層鹽霧實驗27 d后宏觀形貌Fig.6 The macroscopic morphology of A3 steel coating's salt-spray test

由圖6可知，普通涂層整個試片表面發生了不同程度的腐蝕，涂層破損，色澤也發生明顯變化，在掛孔、試樣邊緣腐蝕尤為嚴重。而涂覆緩蝕劑+涂層的試片整體腐蝕輕微，涂層色澤鮮亮，僅在上部小范圍有輕微腐蝕，說明在涂層中添加緩蝕劑能夠配合涂層對金屬基底起到聯合保護作用，提高金屬使用壽命。

圖7 是A3 鋼涂層鹽霧實驗27 d 后的試樣SEM表面微觀形貌。

圖7 A3鋼涂層鹽霧實驗27 d的SEM形貌Fig.7 SEM micrograph of A3 steel coating

由圖5可知，有緩蝕劑涂層的試片表面較為平整，未發現明顯腐蝕；而無緩蝕劑涂層試片則腐蝕明顯，主要發生在涂覆層薄弱區域、破損區域。此類區域由于失去涂層保護，裸露出金屬基體，與周圍形成了大陰極小陽極的腐蝕電池，從而加速了裸露部位的腐蝕。

綜上，涂層中復合少量緩蝕劑是改善涂層保護作用、防止局部腐蝕的一個有效手段。

2.4 鹽霧實驗試片的EDS分析

表3 是A3 鋼2 種涂層鹽霧實驗后金屬表面EDS分析結果。

表3 A3鋼2種涂層鹽霧實驗后EDS分析結果Table 3 EDS results for two coatings on A3 steel after salt spray testing

C、Si、Ti 是金屬涂層的成分，Fe 和部分O 來自于基體金屬的腐蝕。由表3 可知，有緩蝕劑涂層的試片Fe 元素含量極低，說明腐蝕極其微弱；對于無緩蝕劑涂層，鐵含量較高，發生了明顯腐蝕。這也進一步說明單一涂層不能起到很好的保護作用，緩蝕劑的加入對涂層保護具有積極的作用。

3 結 論

復合型氣相緩蝕劑可揮發至鋼、紫銅、黃銅等金屬表面形成保護膜，同時提高腐蝕體系的陰極極化和陽極極化。在模擬高濕環境中的測試表明，復合型氣相緩蝕劑對鋼、紫銅和黃銅的緩蝕效率可達71.86%、44.12%和78.13%，適用于電力行業相關金屬材料的保護。

緩蝕劑添加到涂層中能對金屬基體起到聯合保護作用，鹽霧實驗結果表明，添加緩蝕劑后涂層的防護性能得到顯著提高，緩蝕率可達98.3%，具有良好的應用前景。