王 梓

（河南省郑州市郑东新区中国铁塔，河南 郑州 450018）

0 引言

通信铁塔作为信号传输线路的承重结构，是信号传输线路中最重要的基础设施之一，其安全可靠对通信系统的安全运行起着至关重要的作用［1］。通信铁塔的塔身、塔脚和接地系统等金属部件均会发生腐蚀，而塔脚腐蚀因环境复杂恶劣、腐蚀状态隐蔽、防腐难度大、腐蚀危害性大等特点，是通信铁塔所有腐蚀问题中的重点和难点［2-3］。经大量研究发现，常见的通信铁塔腐蚀情况有4种（见图1）。①塔脚钢构与连接螺栓出现腐蚀，表面镀漆出现老化剥落的现象，部分螺栓被锈蚀；②塔身主材和主连接钢板出现腐蚀现象；③铁塔斜材出现腐蚀现象；④铁塔通信光缆金属垂钓物被严重腐蚀［4］。由于通信铁塔用钢在外界环境中会发生严重锈蚀，且在发生锈蚀后，铁塔用钢的力学性能发生显著退化，导致其无法再满足设计要求，使铁塔在服役期间要经过多次维修养护才能达到工程的使用要求，从而造成人力和经济资源的严重浪费。因此，研究通信铁塔用钢的腐蚀行为和腐蚀机理具有重要的工程意义。

图1 铁塔用钢发生锈蚀

国内外学者从20世纪60年代开始便对不同环境中的碳钢及低合金钢的腐蚀行为进行了大量研究，并得到实际数据和研究结果，为后续深入研究奠定坚实的基础。肖葵等［5］通过对腐蚀环境中的Q235钢材的腐蚀机理进行研究，得到Q235钢随着腐蚀损伤程度的增大，其力学性能也随之退化的规律。Almusallam［6］通过对不同直径的钢筋在不同腐蚀率下进行单向拉伸试验，试验结果表明，钢筋直径最大时基本不受腐蚀变化的影响，其抗拉强度相比未腐蚀试件不降低。可见腐蚀是造成通信铁塔钢结构失效的主要原因之一。中国通信塔的数量约为220万座，其中80%的通信塔属于钢结构，且材质以碳钢和Q345等低合金钢为主，通信塔的腐蚀类型以大气腐蚀为主，即以高湿度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大气环境为主要诱因。

基于此，为了研究铁塔用钢的腐蚀行为，笔者对Q345B钢材开展室内加速腐蚀试验，研究Q345B钢的腐蚀行为，并基于通信铁塔的局部腐蚀机理，制定有效预防铁塔局部出现腐蚀损伤的防护对策，以期为通信铁塔的设计与服役期间的维护提供一定参考。

1 通信铁塔腐蚀原因分析

通过查阅大量国内外相关文献，并结合在役通信铁塔不同部位的现场腐蚀形貌，经过深入分析，总结出通信铁塔发生锈蚀的原因主要有以下3点。第一，高湿度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大气环境是通信铁塔快速锈蚀的主要原因；第二，通信铁塔用钢外表面的防护涂层的厚度不够以及质量不过关，尤其通信铁塔的斜材、螺栓以及主斜材连接件，或铁塔的材质不适用于该地区特殊的腐蚀环境；第三，通信铁塔在安装过程中防护涂层被破坏，比如焊接、机械安装部位容易发生涂层破坏，从而使其达不到相应的防腐要求。

2 室内加速腐蚀试验

2.1 试件选材与腐蚀方案

为了研究通信铁塔用钢Q345B钢材在工业大气环境中的腐蚀行为，本研究在中国铁塔公司的资金支持下，开展Q345B钢材室内酸性溶液的周期浸润腐蚀试验，选取试件的尺寸为200 mm×50 mm×15 mm，材料的质量等级和力学性能参数均满足规范要求，将加工好的试件进行编号及称重。本研究采用周期性浸润加速腐蚀方案，来模拟工业大气环境中通信铁塔用钢Q345B钢的腐蚀行为，并对腐蚀机理进行分析。腐蚀溶液为0.01 mol/L NaHSO3+0.001 mol/L NaCl、环境温度为35℃±2℃、湿度为70±5% RH、pH值为4.4～4.8、循环周期为1 h（包含20 min浸润、40 min干燥）。腐蚀试件每间隔10 d取样一次，取件周期为10 d、20 d、30 d、40 d和50 d。

2.2 宏观腐蚀形貌

由不同腐蚀周期的Q345B钢试件的宏观形貌可知，未腐蚀的试件具有良好的金属光泽，随着腐蚀试验的进行，试件的金属色泽逐渐变暗，表面分布有少量黄褐色点状锈蚀产物，以局部腐蚀为主；随着损伤程度的增加，腐蚀产物包裹基体表面，金属色泽逐渐丧失，此时腐蚀向均匀腐蚀过渡；腐蚀20 d时，红褐色生成物迅速增多，并呈层片堆积状分布于钢材表面，且质地疏松，局部发生腐蚀剥落的现象。对试件除锈后，Q345B钢试件腐蚀前后的质量平均值见表1。其中，ηs为质量损失率；m0、m1为腐蚀前和腐蚀后质量（g）。由试验数据可知，质量损失率随腐蚀周期的增加而成线性增加，同一周期内的实测数据存在离散性，这符合材料常规的线性腐蚀损伤变化规律。经过研究发现，在腐蚀环境中，通信铁塔用钢的腐蚀锈层较疏松，且容易发生腐蚀剥落的现象。因此，腐蚀锈层无法阻止或抑制钢材在工业大气环境中继续被锈蚀。

表1 试件质量损失率

2.3 微观腐蚀形貌

通过PS50 3D非接触便携式表面形貌仪得到不同腐蚀周期试件的微观形貌。当腐蚀10 d后，腐蚀产物会呈现出随机性分布的特点，尚未发现有蚀坑的产生，损伤程度弱，实测高度不超过310 μm，腐蚀最大深度约为165 μm。随着腐蚀周期的增加，点蚀尺寸也在逐渐增加，扫描区域的形貌起伏差异大，分布有少量蚀坑；当腐蚀30 d后，试件表面会产生大量致密堆积物，且腐蚀是沿着表面水平方向快速扩展，最终锈蚀物完全包裹试件外围；当腐蚀50 d后，实测高度不超过620 μm，腐蚀最大深度约为435 μm。研究表明，腐蚀50 d后，较深的点蚀坑使得钢材在荷载的作用下发生应力集中，点蚀坑处的应力骤增，同时点蚀坑的存在也会导致钢材的延性降低。因此，在通信铁塔点蚀较为严重的部位，由于应力集中使得钢材承受的应力超过屈服强度而发生塑性变形，加之点蚀降低了钢材的延性，使得钢材的耗能能力更弱，在荷载作用下更容易被破坏。

同时，为了表征不同腐蚀周期下试件的微观形貌变化规律，基于扫描区域蚀坑尺寸的试验数据，可得到试件表面的体积损失率ηv、腐蚀深度速率ζ、质量损失速率K，以及扫描区域的参数统计，如实测蚀坑平均深度d、平均宽度w、深宽比d/w。通过分析可知，试件的腐蚀损伤面积与腐蚀周期近似成线性递增。在腐蚀初期，腐蚀主要是沿着试件的深度方向进行延伸的，表面分布着大量针尖状形貌，以点蚀产物为主。随着腐蚀的进行，沿深度方向的腐蚀扩展幅度明显降低，此时水平方向的腐蚀速率明显高于纵向，试件表面的点蚀形貌逐渐向坑蚀形貌过渡，腐蚀损伤区域的表面积也随之增加，导致蚀坑的深宽比减小。研究结果表明，在腐蚀环境中，通信铁塔用钢的微观形貌会发生较大变化，由腐蚀初期的点蚀逐渐变为均匀腐蚀，严重削弱通信铁塔用钢的力学性能，从而使通信铁塔在服役期间发生损坏。

3 通信铁塔用钢预防腐蚀措施

通过分析研究，得到通信铁塔用钢的腐蚀原因及腐蚀机理，从而可因地制宜地制定出有效预防通信铁塔用钢在大气环境中遭受腐蚀而导致钢材出现严重锈蚀，使其力学性能出现明显退化的防护对策。预防通信铁塔用钢腐蚀的主要原则是阻断通信铁塔用钢腐蚀的有利诱因，抑制相应的腐蚀环节，减小腐蚀对通信铁塔用钢的危害，从而极大地降低由环境腐蚀造成的人力和物力浪费。预防通信铁塔用钢腐蚀的对策有以下4个。①现场技术人员定期对通信铁塔进行检查，及时清理钢材表面由自然沉降而堆集的盐分、尘土等。②在制作混凝土维护帽时，将其制成斜面，防止尘土在塔脚根部堆集。③在通信铁塔的连接处涂抹环氧树脂，敷上厚度为1 mm的保护层，对于通信铁塔易出现腐蚀的部位，要避免其直接接触腐蚀介质。④积极推进耐候钢在通信铁塔中的应用，在通信铁塔建设中使用耐候钢，能缩短制造和建设工期，也可减轻铁塔结构的自重，节约建设成本，且有利于通信铁塔的共享建设［7］。

4 结语

通过对国内外大量文献进行研究发现，铁塔用钢的腐蚀类型以大气腐蚀为主，即以高湿度、大降雨量和富含碳氧、氮氧化物的大气环境为主要诱因。通过通信铁塔用钢Q345B钢材进行室内加速腐蚀试验发现，随着腐蚀的进行，钢材固有的金属光泽会逐渐变暗，表面分布有少量的黄褐色点状锈蚀产物，以局部腐蚀为主，且随着腐蚀周期的增加，腐蚀产物包裹基体表面，金属光泽完全丧失，逐渐向均匀腐蚀过渡。通过通信铁塔用钢Q345B钢材的室内加速腐蚀试验发现，在腐蚀初期，点蚀尺寸逐渐增加，扫描区域的形貌起伏差异大，分布有少量蚀坑；随着腐蚀损伤程度的增加，试件表面会产生大量的致密堆积物，且腐蚀过程开始沿着表面水平方向快速扩展，最终锈蚀物将试件外围完全包裹，当腐蚀50 d后，腐蚀最大深度约为435 μm。因此，为避免通信铁塔用钢腐蚀造成的危害，大力推广高性能耐候钢在通信铁塔建设中的应用是一种行之有效的方法。针对目前通信铁塔质量验收存在的安全隐患，相关部门应尽快完善现有通信铁塔验收标准中的安全性能指标；大力发展科学技术，提高相应的测量技术水平，使得通信铁塔在安装过程中不易测试的质量指标得以测量与对比，如铁塔钢材的尺寸、厚度、含量等；相关部门应逐步完善工程竣工验收的指标检测。