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本文以碳鋼Q235為研究對象，開展碳鋼Q235在GJB 150.11A的標準試驗條件下的長期鹽霧腐蝕試驗，給出碳鋼Q235在GJB 150.11A的標準試驗條件與自然海洋氣候環(huán)境下鹽霧腐蝕的加速等效性關系。

 

金屬腐蝕模型

 

金屬和合金在自然環(huán)境中的腐蝕速率隨暴曬時間的變化而變化，對于大多數(shù)金屬和合金來說，由于腐蝕產物在金屬表面的積累使得腐蝕速率隨著暴曬時間的延長而減小。對于工程應用中的金屬和合金的腐蝕過程來說，總的腐蝕失重與暴曬時間的對數(shù)成線性關系。這種變化關系表明，總的腐蝕損失D可用單位面積的質量損失或者腐蝕深度來表示，按式（1）計算：

 

（1）

式中：

t—暴曬時間，單位年（a）；

—第一年的腐蝕速率，單位[（g/（m2.a）]或（μm/a）；

b——金屬環(huán)境特性參數(shù)，通常小于1。

 

鋼在空氣中暴曬后所形成的銹層對基體的保護作用受到鋼中所含合金元素的影響較大。特別是耐候鋼，特定合金元素的加入促進基體表面在暴曬過程中形成保護性銹層。其他碳鋼和低合金鋼成分不同，在大氣中暴露后銹層的保護性差別很大。

 

在鋼的成分已知或基于標準、平均成分可以推算組成成分時，在非海洋性大氣中暴曬時式（1）中的b值可由式（2）得出：

（2）

式中：

ba—合金在非海洋大氣中暴曬時的特征參數(shù)b；

bi—第i個合金元素的影響系數(shù)；

wi—第i個合金元素的質量百分比。

0.569是純鐵在三種非海洋大氣中暴曬后b的平均值。

 

表1給出了對銹層的形成起重要影響的合金元素的bi值。

表1 合金元素的環(huán)境特性參數(shù)

 

 

在海洋大氣中，Cl-的沉積降低了銹層的保護性，Cl-的沉積量受到以下幾個方面的影響，包含與海面的距離、風向、風速，試樣表面的放置方向，試樣的尺寸，影響空氣流通的顆粒及其它影響因子。式（1）中的環(huán)境特性參數(shù)b的增量Δb和Cl-的沉積率Sd之間的關系如下：

 

（3）

式中：

Δb—b值的增量；

Sd—Cl-的沉積率，單位：毫克每平方米天mg/(m2.d)。

 

碳鋼Q235海洋環(huán)境大氣腐蝕數(shù)據(jù)

 

作者在湛江市東海島距離海岸線200 m的地方進行了掛片取樣試驗。樣品材料碳鋼：Q235；掛片尺寸為150 mm×100 mm×3 mm，試樣固定在暴露架上，與水平面成45°角。試驗結果見表2。

 

表2 Q235海洋環(huán)境腐蝕試驗數(shù)據(jù)

 

 

將表2的數(shù)據(jù)代入式（1），擬合得到：b=1；g/（m2.a）。

在一年內碳鋼Q235的海洋腐蝕為線性腐蝕，按照的取值范圍，查詢GB/T 19292.1標準，C5級大氣腐蝕等級環(huán)境下，碳鋼的第一年腐蝕速率為（650～1500）g/（m2.a），可知海洋試驗場所在位置腐蝕級別為C5級。

 

碳鋼Q235海洋環(huán)境大氣腐蝕試驗只開展了240天，只能給出式（1）中第一年碳鋼在海洋環(huán)境下的腐蝕速率。

 

由于腐蝕產物在金屬表面的積累使得腐蝕速率隨著暴曬時間的延長而減小，針對長期腐蝕量計算公式（1）中的b值通常小于1，b值的計算依據(jù)式（2）和式（3）。

 

碳鋼Q235化學成分表見表3。

 

表3 Q235化學成分表（質量分數(shù)%）

 

根據(jù)式（2），采用表1和表3的數(shù)據(jù)，可以計算ba=0.569。

 

作者對廣東省湛江市東海島龍海天景區(qū)，進行了氯離子沉降率測量。分別在距離海岸線50，100，150，200 m處安置采樣裝置。從2015年12月14日到2016年6月4日連續(xù)半年對大氣中氯離子沉降速率進行檢測。在距海岸線200 m處，氯離子沉降速率平均值30 mg/（m2.d）。

 

根據(jù)式（3），可以計算得到Δb=0.205，進而可以得到在湛江市東海島距離海岸線200 m試驗場，碳鋼Q235長期腐蝕的環(huán)境特性參數(shù)。

 

碳鋼Q235鹽霧試驗

 

01  試驗方案

 

試驗樣品：碳鋼Q235試樣尺寸為50 mm×50 mm×0.8 mm，上邊緣打φ4 mm的圓孔用于固定。樣品數(shù)量：14件，編號Q0~Q13。樣品Q0作為清洗比對試樣，不進行鹽霧試驗。

 

試驗條件：依據(jù)GJB 150.11A鹽霧試驗條件開展，鹽溶液濃度（5±1）%，PH值范圍6.5~7.2。試驗采用24h噴霧，24 h干燥的模式。噴霧期間溫度（35±2）℃，鹽霧沉降率1~3 mL/(80cm2.h)；干燥條件為溫度（15~35）℃，相對濕度不高于50 %。

 

試驗安裝：試驗時樣品背面用透明膠帶粘貼保護，樣品試驗面朝上安裝在塑料支架上，樣品試驗面與垂直方向成20°±5°角。

 

試驗前測試：試驗前對每個樣品進行拍照、尺寸測量和稱重測量。

 

試驗過程中測試：取樣周期2d、6d、12d、20d、30d、40d。每次依編號順序取2個試樣，首先進行拍照記錄腐蝕宏觀形貌，然后去除試樣背面保護性膠帶，用刀片輕輕刮掉金屬表面浮銹（不能刮傷基體），接著進行酸洗除銹。酸洗溶液選用20 %（質量分數(shù)）檸檬酸二胺水溶液，酸洗溶液浸泡10 min后，用水清洗試樣，若仍有腐蝕層可多次進行酸洗除銹過程，直到銹層完全剝離，最后用乙醇清洗，干燥后稱重。

 

02 試驗數(shù)據(jù)

 

試驗前稱重和面積測量數(shù)據(jù)、試驗后稱重和空白試樣酸洗修正后質量損失數(shù)據(jù)見表4。試驗過程樣品腐蝕的典型照片見圖1、圖2。

 

表4 鹽霧試驗質量損失數(shù)據(jù)

 

 

圖1 試驗6天后腐蝕照片

 

圖2 試驗20天后腐蝕照片

03 試驗數(shù)據(jù)處理

 

 

根據(jù)表4試驗數(shù)據(jù)，同一批次的樣品修正質量損失取平均值，得到碳鋼Q235鹽霧試驗質量損失數(shù)據(jù)見表5。

 

表5 碳鋼Q235鹽霧試驗質量損失

 

根據(jù)表5繪制碳鋼Q235鹽霧試驗腐蝕失重曲線見圖3。

 

圖3 碳鋼Q235鹽霧試驗腐蝕失重曲線

 

從圖3可以看出在20天內腐蝕量與時間為線性關系。當碳鋼Q235在海洋環(huán)境第一年腐蝕量為775.625 g/m2時，鹽霧試驗對應時間為16.45天。從而得到碳鋼Q235在GJB 150.11A鹽霧試驗環(huán)境下相對于湛江市東海島距離海岸線200 m海洋環(huán)境試驗場環(huán)境的加速系數(shù)倍。

 

依據(jù)GB/T19292.1標準，C5級大氣腐蝕環(huán)境下，碳鋼的第一年腐蝕速率為（650～1500）g/（m2.a），可以計算出GJB150.11A鹽霧試驗相對于C5級大氣腐蝕環(huán)境的加速系數(shù)在11.3～26.6之間。

 

根據(jù)第2節(jié)的試驗和計算結果，碳鋼Q235在湛江市東海島距離海岸線200 m的海洋環(huán)境試驗場長期腐蝕量模型：

 

（4）

 

式中：

t—單位為年。

 

根據(jù)式（4）模型可以計算海洋環(huán)境試驗場長期腐蝕失重數(shù)據(jù)，并于本次鹽霧試驗數(shù)據(jù)進行比對見表6。從表6看出根據(jù)加速系數(shù)計算得到的海洋環(huán)境試驗場長期腐蝕失重數(shù)據(jù)與GJB 150.11A試驗數(shù)據(jù)吻合性較好。

 

表6 腐蝕模型數(shù)據(jù)與鹽霧試驗數(shù)據(jù)比對

 

結論

 

 

1）碳鋼Q235在GJB 150.11A鹽霧試驗環(huán)境下相對于C5級大氣腐蝕環(huán)境的加速系數(shù)α在11.3-26.6之間。

 

2）碳鋼Q235在GJB 150.11A鹽霧試驗環(huán)境下相對于湛江市東海島距離海岸線200 m海洋環(huán)境試驗場環(huán)境，加速系數(shù)α=22.19倍。

 

3）碳鋼Q235在GJB 150.11A鹽霧試驗環(huán)境下的長期腐蝕符合GB/T19292.2標準的腐蝕模型：。腐蝕模型長期腐蝕預測數(shù)據(jù)與本次鹽霧試驗數(shù)據(jù)誤差小于6.04%?？梢砸罁?jù)GJB 150.11A鹽霧試驗標準開展碳鋼的海洋大氣環(huán)境加速腐蝕研究。