摘要：采用扫描电镜（SEM )、能谱分析（EDS）、X射线衍射（XRD）、红外分析（FTIR）、热重分析（TGA）等对变电所屋外构筑物钢结构件上的腐蚀产物进行分析表征。结果表明：该腐蚀产物主要为Fe3O4、α-FeOOH的混合物，钢结构件的锈蚀失效是由潮湿大气环境下碳钢材料的电化学腐蚀所引起的。另外，在提高钢结构件的稳定性方面作了一些探讨，提出了合理可行的整修建议。
变电所屋外构造构筑物上的钢结构支架长期暴露于户外，易受外界介质的侵蚀，经常存在严重的腐蚀隐患。由于受到环境因素和材料材质的双重影响，腐蚀断裂通常发生在构件的缺陷点或连接处，尤以金属电化学与化学腐蚀为主[1.2]。如果防护措施不当，轻则造成构件变形、强度下降，重则断路器失效。电机短路，危及变电装置的正常运行。因此，对变电所钢结构件的失效分析有重要的现实意义。
为此，选取上海石油化工股份有限公司金山西区变电所的屋外构筑物钢结构件作为研究对象，确定失效原因，提出合理可行的防护措施，为变电所钢结构件的防腐设计提供了重要的依据。
1.变电所概况与试验研究方法
1.1.变电所的周围环境与腐蚀情况
变电所位于金山石化公司的经一路，处在化工生产区内，建造年已近30年（始建于1982年）。在近期的检查中发现，其屋外构筑物的钢结构件有不同程度的腐蚀开裂。车间报告中已发生过由于高压断路器接口处的钢构件腐蚀脱落所造成的重大停机事故。
根据变电所运行的实际情况，拍摄构件腐蚀受损区域形貌。屋外构筑物主要是由配电装置的设备支架等构成，整体形貌见图1。其中，高压少油断路器表面钢结构梁、板、支架等都严重锈蚀，部分钢构件和预埋物也有不同程度的生锈，见图2、图3。

图 1  变电所构筑物的整体形貌
Fig. 1  Integral pattern of substation building

图 2  高压少油断路器的腐蚀开裂层
Fig. 2  Corrosion cracking layers of high-pressure oil minimum breaker

图 3  上端钢结构件
Fig. 3  Steel structure components on the top
1.2.试样及研究方法
用锉刀将钢构件上腐蚀产物取下、分装、标记，对其进行测试分析，以判断腐蚀产物的化学结构与元素组成。
钢构件上腐蚀产物的横截面形貌测试在电子扫描显微镜下进行，相结构测试用X射线衍射仪测试。采用红外分析仪测试钢结构件表面涂层的化学结构，腐蚀产物的热变化趋势测试采用热失重分析仪测试。
2.试验过程与结果分析
2.1.微观形貌及元素分析
图4为钢结构件表面锈层的横截面形貌。从图4中可以看出，随着腐蚀时间的增加，钢结构件的的表面出现大小不等的颗粒团聚体，分布不均，外层颗粒较疏松，成条形发散；内层颗粒致密，大都团聚成块状，这说明腐蚀发生在构件的各个缺陷区域，沿截面生长。显然，在腐蚀过程中，氧向基材内部的渗透和扩散，使腐蚀逐渐向内延伸，从而形成致密的内氧化层，这个内氧化层可以在一定程度上提高材料的耐蚀性。

图 4 钢结构件表面锈层横截面形貌
Fig. 4 The cross-sectional morphologies of the rusting coating on steel structure equipment
利用电子探针所配置的EDS对腐蚀产物不同层间进行定点成分分析，结果见图5、图6。内层主要含有Fe、O、C等元素，这说明内层主要是由铁的氧化物或者羟基氧化物组成；同样，外层也含有Fe、O、C等元素，但氧的浓度要高的多，说明外层的腐蚀产物的化学结构不同于内层，可能是某种结构疏松的羟基氧化铁的内层复合物。另外，外层还含有少量的S、Cl等元素，是由于化工生产区靠近海洋环境，空气中富集的SO2、Cl-易溶解在表面液膜中，破坏碳钢材料的钝化状态，加快金属腐蚀。

图 5  外侧疏松层的EDS分析
Fig. 5  EDS analysis of out tectorium

图 6  内侧致密层的EDS分析
Fig. 6  EDS analysis of inner compact layer
2.2.腐蚀产物的相结构
为了准确判断腐蚀产物的相构成，研磨处理后送去XRD测试，如图7所示。经过标定，腐蚀产物的主要相组成为Fe3O4、α-FeOOH等羟基氧化铁的混合物。对比内外层EDS成分分析结果，可以判断腐蚀产物的外层以α-FeOOH为主，其疏松多孔的结构导致腐蚀的加剧；而内层主要为铁的氧化物即α-FeOOH结构比较致密，可以延缓锈蚀。

图 7  钢结构腐蚀产物的XRD分析
Fig. 7  XRD patterns of corrosion substances on the steel structure equipment
2.3.腐蚀产物热分解
为了进一步分析腐蚀产物随环境温度的变化情况，采用热失重分析。图8给出了腐蚀产物随温度升高的失重变化趋势。从TGA曲线看出，腐蚀产物的失重随温度的变化，出现三个明显的转折点：首先，吸附的水分先被脱除气化，失重率为2.0%左右；当温度上升到185℃时，失重开始加速，直至310℃才趋向平稳，此时的失重率为7%，这表明腐蚀产物的化学结构发生了转变，α-FeOOH失水分解成Fe2O3；当温度在310℃-600℃区间内，失重忽略不计，说明Fe2O3分子结构保持不变。腐蚀物主要是α-FeOOH的受热分解，氢氧根完全被气化掉，残余物为铁的氧化物；再升温，残余物的重量保持恒定。

图 8  金属腐蚀物的TGA曲线
Fig. 8  TGA curve of metallic corrosion substances
2.4.钢结构件表面涂层的化学结构
用有机涂层对钢结构件进行防腐处理，能够有效的阻止O2、H2O、CO2等介质与构件表面的接触，延缓碳钢的腐蚀。为了判断涂层的化学结构，采用红外测试，见图9。从图中得到，2912cm-1是C-H的伸缩振动峰；在1720cm-1是C=O的伸缩振动峰，比起正常酯C=O伸缩振动1740cm-1略低，通常为α，β-不饱和酯的吸收谱带；1622cm-1是C=C的伸缩振动峰；1236cm-1、1273cm-1是C-C-O的伸缩多重振动峰；1337cm-1、1433cm-1分别是C-H的对称弯曲振动峰和不对称弯曲振动峰；1032cm-1为C-CO-O-CO-C伸缩振动峰，可以判断出该涂层含有-COOR、C=C等有机基团。结合工程涂料应用，判断改涂层应为丙烯酸酯类。从而，认为丙烯酸酯类涂层的防腐效果不佳，难以长时间地阻止变电所结构件的锈蚀。

图 9  构件表面涂层的红外分析
Fig. 9  FTIR analysis of coating on the surface of structure equipment