新型Q550qENH耐候桥梁钢海洋大气环境下的腐蚀行为

2026-04-08 14:46:15 作者：本网发布来源：中国冶金分享至：

新型Q550qENH耐候桥梁钢海洋大气环境下的腐蚀行为

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朱经炜^{1, 2},缪永成¹,张可^{1, 3}, 高博²,李景辉¹,夏志升³,李昭东²,黄重³

(1. 安徽工业大学冶金工程学院, 安徽马鞍山 243032;2. 钢铁研究总院有限公司工程用钢研究院, 北京 100081;3. 安阳钢铁集团有限责任公司先进钢铁材料产业研究院, 河南安阳 455004)

摘要

高原强辐照、气候多变以及海洋高温、高湿、高盐等复杂腐蚀环境, 对高性能耐候桥梁钢提出了更高要求。本文以新型低C+(Cu-Cr-Ni)合金化Q550qENH耐候钢为研究对象, 并选择普通Q355B碳钢为对比钢, 探究模拟海洋大气环境下的腐蚀行为; 采用周浸试验、扫描电子显微镜、X射线衍射仪及电化学测试等方法研究了Q550qENH钢在3.5%NaCl溶液中腐蚀不同周期(72、168、360、576 h) 下的腐蚀失重及锈层演变规律。结果表明, 腐蚀时间为72~360 h时, Q550qENH钢的表面锈层由部分覆盖转为全面覆盖, 腐蚀失重速率随着时间的延长快速增大。腐蚀产物的X射线衍射分析表明, 试验钢不同周期内腐蚀产物均由α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe₃O₄组成, 其中α-FeOOH占比最高, 其次为Fe3O4和γ-FeOOH。随着腐蚀时间延长至576 h, 试验钢腐蚀失重速率略有增加, 腐蚀产物主要为α-FeOOH, γ-FeOOH含量减少。电化学测试结果显示, 随着腐蚀时间从72 h延长至576 h, Q550qENH钢的极化曲线均向右移, 自腐蚀电流密度呈现先升高后降低的变化趋势, 即随着腐蚀的进行, Q550qENH钢表面锈层逐渐增厚且致密性增强。相较于普通Q355B碳钢, 不同腐蚀周期内, Q550qENH钢的失重速率分别为Q355B的53.56%、67.38%、96.45%和74.85%。腐蚀后期, Q550qENH钢腐蚀产物中α-FeOOH含量显著高于Q355B钢, 锈层更加致密, 有效抑制腐蚀介质向基体的渗透, 从而表现出优于Q355B钢的耐蚀性能。

关键词

耐候桥梁钢 ;海洋大气腐蚀 ; 周浸试验 ;

失重速率 ; 腐蚀产物

引言

高原铁路公路桥梁及近海/跨海大桥等工程建设对高性能桥梁钢需求大幅增长^[1-2]。面对高温、高湿、高盐、强辐射等苛刻服役环境，桥梁钢腐蚀与防护等问题已成为制约重大桥梁工程技术发展的主要瓶颈之一^[2-3]。耐候钢以其优异的耐腐蚀性、高强度与韧性的良好匹配以及免涂装的高经济价值，在众多低合金焊接结构钢中脱颖而出^[4-6]，但随着大型工程项目不断实施，尤其在海洋环境中，由于空气中氯离子含量过高，传统耐候钢表面形成的锈层仍无法对基体起到有效的保护作用。这是因为高浓度的氯离子会穿过锈层在其下方形成蜂窝状聚集区，导致钢材表面难以形成致密稳定的α-FeOOH锈层，进而加剧腐蚀^[7]。例如，美国1973年启用的匹兹堡Fern Hollow大桥，于2022年1月因腐蚀问题发生断裂坍塌。为适应沿海及海洋大气环境中高湿、高氯盐等严苛服役条件，国内在传统耐候钢的基础上，相继开发出Q500qENH、Q550qENH等新一代高强度耐候钢，通过在Cu、Cr、Ni等耐蚀元素体系中引入Nb、Ti、Mo等微合金元素，并优化控轧控冷(TMCP) 工艺，实现了强度与耐蚀性的协同提升。同时，合金元素对耐候钢抗腐蚀性造成的负面影响也逐渐显现，例如，Al元素在使耐候钢表面锈层更加致密的同时，也会促进点蚀行为的发生^[8-9]，Cr元素在提升钢耐蚀性的同时，可能引发耐候钢的局部酸化^[10-11]。因此，研究合金元素的协同耐蚀性机理^[12-13]，对新型耐候钢的研究具有重要意义。

郝献超等^[14]研究了Cu元素和Cr元素对耐候钢在模拟海洋大气环境下腐蚀性能的影响，发现仅在碳钢中单独添加Cr (质量分数为0~3.0%) 或单独添加Cu (质量分数为0.25%~0.50%) 均无法显著提升钢的耐蚀性。单独提高耐候钢中Cr含量，虽有助于降低腐蚀初期的腐蚀速度，但不利于腐蚀后期的防护；单独提高Cu含量，有助于延缓腐蚀后期的发展趋势。同时提高耐候钢中Cu和Cr含量时，可使耐候钢获得较佳的耐大气腐蚀性能。李旺等^[15]研究了550 MPa级耐候桥梁钢在模拟工业大气环境下的腐蚀行为，发现Q550qENH-A钢和Q550qENH-B钢的腐蚀失重率随腐蚀时间的延长呈现初期快速下降、后期趋于平稳的趋势，且2种耐候钢的耐腐蚀性能均优于Q345B钢。Cr元素和Ni元素在2种耐候钢的锈层中发生富集，促进了α-FeOOH腐蚀产物的生成，提高了锈层结构的稳定性与致密性，增强了锈层对腐蚀介质的阻碍作用。刘飞洋等^[16]综述了Nb、Mo、Sb、Sn、Ce、La、Y等稀有元素对耐候钢在海洋大气环境下腐蚀锈层结构作用机理，详细阐述了Nb调控金属材料组织以及腐蚀产物的作用机理。WU W等^[17]研究了添加不同含量的Cu元素和Sb元素的3%NiWS(质量分数)钢在高盐度热带海洋环境中的腐蚀行为，发现质量分数为0.5%的Cu和质量分数为0.2%的Sb可协同强化试样钢的耐腐蚀性，这是因为两者协同作用能够形成一层厚度为45 μm，富含Cu、Sb、Ni的内层锈层。YAN Y T等^[18]研究了Al对耐候钢耐腐蚀性的影响，发现添加的Al均匀分布在结合能较低的锈层中，Al元素和Cr元素的协同作用可在腐蚀初期生成稳定的FeAl₂O，并在腐蚀后期促进γ-FeOOH向α-(Fe1-xCrx)OOH转化，从而增强钢材抵抗外部腐蚀的能力。李岩等^[19]研究了含Ni耐候钢在海洋大气下的腐蚀行为，发现Ni含量的增加可以提高耐候钢腐蚀初期的腐蚀电位，改善锈层成分，有效提升耐候钢腐蚀初期的耐腐蚀性。

综上所述，针对复杂腐蚀服役环境对高性能桥梁钢的材料需求^[20-22]，本研究开展了屈服强度为550 MPa级耐候桥梁钢耐蚀元素匹配设计，开发出新型低C+(Cu-Cr-Ni)合金化Q550qENH耐候钢^[23-24]; 研究了Q550qENH耐候钢在海洋大气中的腐蚀动力学、锈层演变、锈层成分及其电化学性质，为其在海洋平台建设中的应用、防腐设计以及服役寿命评估提供重要依据。

精选图表

结论

1) 在模拟海洋大气环境下，经加速周浸试验验证，Q550qENH钢耐蚀性能优于Q355B钢，在72、168、360、576 h腐蚀周期下，其腐蚀失重速率分别为Q355B钢的53.56%、67.38%、96.45%和74.85%。

2) 锈层产物分析表明，2种钢的腐蚀产物均由α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe₃O₄组成。随着腐蚀时间延长，Q550qENH钢中α-FeOOH含量逐渐升高，锈层结构越发致密，有效阻止了Cl-向钢基体的侵入。此外，Q550qENH钢表面致密锈层的形成能够有效抑制阳极溶解，经过576 h腐蚀后，Q550qENH钢的自腐蚀电流密度降至16 μA/cm²以下，仅为Q355B钢的1/5，表现出良好的“以锈止锈”腐蚀抑制效果。

引用文本

[1]朱经炜, 缪永成, 张可, 等. 新型Q550qENH耐候桥梁钢海洋大气环境下的腐蚀行为[J]. 中国冶金, 2026, 36(2): 83-94.

[1]ZHU Jingwei, MIAO Yongcheng, ZHANG Ke, et al. Corrosion behavior of new Q550qENH weathering bridge steel in marine atmospheric environment[J]. China Metallurgy, 2026, 36(2): 83-94.

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