孫飛龍，蔣荃，劉婷婷，劉玉軍，趙春芝，馬麗萍，鄭雪穎

（1. 中國建材檢驗認(rèn)證集團股份有限公司，北京 100024； 2. 國家綠色建材重點實驗室，北京 100024）

引言

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了ISO 9223-9226大氣腐蝕性分級標(biāo)準(zhǔn)。ISO 9223標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種大氣環(huán)境腐蝕性分級分類的方法，將大氣腐蝕性分為6級：C1、C2、C3、C4、C5和CX[1]。ISO 9224標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了腐蝕性等級的腐蝕特征和指導(dǎo)值，給出了標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)材料的腐蝕速率[2-3]。指導(dǎo)值是基于大量現(xiàn)場暴曬和使用結(jié)果中獲得的，隨著近20年大氣環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)的逐漸積累和相關(guān)研究的進展，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在2012年更新了ISO 9224標(biāo)準(zhǔn)。與ISO 9224-1992相比，ISO 9224-2012進行了技術(shù)性修改。本文即是對ISO 9224-2012標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)更新進行解讀，旨在分析ISO 9224-2012標(biāo)準(zhǔn)對腐蝕性等級的指導(dǎo)值和腐蝕預(yù)測方法的改進之處。

1 大氣腐蝕性等級指導(dǎo)值

隨著材料的大氣環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)的積累和相關(guān)研究的進展[4-7]，ISO 9223-2012將大氣腐蝕性分為6類，在ISO 9223-1992前5類的基礎(chǔ)上增加了一級CX：應(yīng)用于特定海洋和海洋/工業(yè)環(huán)境[1]。同時，ISO 9224-2012也相應(yīng)地更新了材料在不同腐蝕等級的大氣中的腐蝕速率的指導(dǎo)值，如表1所示。主要變化有三：一是增加了碳鋼、鋅和銅在CX級大氣環(huán)境中的腐蝕速率的指導(dǎo)值；二是對碳鋼、鋅和銅在C1-C5級大氣環(huán)境中的腐蝕速率的指導(dǎo)值作了修改；三是刪除了耐候鋼和鋁在不同腐蝕等級的大氣中的腐蝕速率的指導(dǎo)值。刪除鋁的腐蝕速率指導(dǎo)值主要是因為鋁在大氣環(huán)境中主要發(fā)生的是局部腐蝕，尤其在腐蝕等級高的大氣環(huán)境中；而表1中數(shù)據(jù)是基于平均失重結(jié)果，因此，在此表中給出鋁的腐蝕速率的指導(dǎo)值是不合適的。刪除耐候鋼的腐蝕速率指導(dǎo)值是由于耐候鋼在大氣中的耐腐蝕性能與添加的合金元素密切相關(guān)，對其在不同腐蝕等級的大氣中的腐蝕速率的討論見第2節(jié)。

2 腐蝕速率預(yù)測

2.1 腐蝕速率預(yù)測公式

ISO 9224-2012標(biāo)準(zhǔn)更新的一個重要部分便是對材料在大氣環(huán)境中的腐蝕速率的預(yù)測展開了論述。金屬及其合金在大氣中的腐蝕速率會隨著暴露時間變化。由于表面腐蝕產(chǎn)物的積累，大多數(shù)金屬及其合金的腐蝕速率會隨暴露時間的延長而降低。研究表明腐蝕速率與暴露時間通常存在以下關(guān)系：

其中，t為暴露時間，年表示，rcorr為第一年的腐蝕速率，用g/m2·a或μm/a表示，b為金屬-環(huán)境特定時間指數(shù)，通常小于1。

應(yīng)用材料在大氣環(huán)境中的長期腐蝕速率可以計算式（1）中方程的時間指數(shù)b。ISO CORRAG大氣暴露計劃對大量材料在全球多地進行了長期暴露試驗。通過對數(shù)據(jù)的回歸分析，計算了金屬-環(huán)境特定時間指數(shù)b，并對同種材料得到的b值取平均值記為B1，如表2所示。從而可以應(yīng)用式（1）結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)對材料的腐蝕速率進行預(yù)測。標(biāo)準(zhǔn)在附錄A中展示了按照ISO 9223-2012中材料在六個等級的大氣環(huán)境中一年的腐蝕速率范圍計算的碳鋼、鋅、銅和鋁四種金屬材料在六級大氣中的最大腐蝕速率。表2中B2值為B1加上兩倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差，用于計算腐蝕速率的上限。

2.2 長期（＞20a）暴露腐蝕速率預(yù)測公式

研究表明，式（1）適用于金屬在大氣環(huán)境中暴露小于20年時的腐蝕速率預(yù)測。但當(dāng)暴露時間大于20年時，腐蝕產(chǎn)物的生長往往趨于穩(wěn)定，腐蝕速率將與時間呈線性。因此，金屬的腐蝕速率可用下式計算：

2.3 合金元素和Cl-對b值的影響

鋼表面的銹層對基體的保護性很大程度上受到添加合金元素的影響。添加不同的合金元素會使鋼的耐大氣腐蝕性能發(fā)生極大變化，促進其在暴露周期內(nèi)形成保護性更好的銹層。ISO 9224-2012標(biāo)準(zhǔn)在附錄C中闡述了考慮鋼中合金成分時腐蝕速率的計算過程。合金元素對時間指數(shù)ba的影響可表示為：

其中，ba為在非海洋大氣環(huán)境中暴露時合金元素相關(guān)b值，bi為第i個合金元素的影響系數(shù)，wi為第i種合金元素的質(zhì)量百分比。方程4基于ASTM G101數(shù)據(jù)得出[8]，0.569是純鐵在三個非海洋環(huán)境中b值的平均值[9-10]。主要合金元素的影響系數(shù)見表3。

在海洋環(huán)境中，氯離子的沉積將降低鋼表面銹層的保護性。氯離子沉積速率Sd對時間指數(shù)增量Δb的影響如下式所示：

表1 碳鋼、鋅和銅在不同腐蝕等級的大氣中的腐蝕速率的指導(dǎo)值

其中，Δb為Cl-導(dǎo)致b的增量，Sd為氯離子沉積速率[mg/(m2·d)]。式（5）是由19種鋼在9個海洋大氣環(huán)境中的數(shù)據(jù)得出[11-13]。

3 問題和注意事項

以上腐蝕速率預(yù)測的計算方法有幾個方面需要注意：

1）鋼鐵的縫隙和遮蔽處會遭受比式（1）預(yù)測結(jié)果更高的腐蝕破壞。

2）表2中的B1值是商業(yè)純鋅的計算結(jié)果，而其他鋅合金在大氣暴露環(huán)境下具有更高的b值。

3）鋅合金的腐蝕對SO2尤其敏感，在SO2氣體含量高的環(huán)境（SO2范圍P3）中，鋅合金的腐蝕速率高于式（1）預(yù)測結(jié)果。這種情況下，謹(jǐn)慎起見可以假定腐蝕速率和時間呈線性關(guān)系，b值取1。

4）銅合金（例如黃銅、青銅、白銅）在大氣環(huán)境中的腐蝕速率與紫銅的相近或更低，因此表2中的B1和B2用于銅合金的腐蝕預(yù)測是足夠的。

5）鋁合金在自然環(huán)境中既會發(fā)生均勻腐蝕亦會發(fā)生局部腐蝕。因此，按照以上方法計算將嚴(yán)重低估鋁合金的最大腐蝕深度。

表2 腐蝕速率預(yù)測時間指數(shù)

表3 合金元素影響系數(shù)

4 結(jié)論

與ISO 9224-1992相比，ISO 9224-2012進行了重要的技術(shù)更新，主要技術(shù)更新包括以下三方面：

1）在ISO 9223-2012大氣腐蝕性分級增加的基礎(chǔ)上，ISO 9224-2012增加了碳鋼、鋅和銅在CX級大氣環(huán)境中的腐蝕速率的指導(dǎo)值；結(jié)合大氣環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)的積累和相關(guān)研究的進展，ISO 9224-2012相應(yīng)更新了碳鋼、鋅和銅在C1-C5級大氣環(huán)境中的腐蝕速率的指導(dǎo)值，刪除了耐候鋼和鋁在不同腐蝕等級的大氣中的腐蝕速率的指導(dǎo)值。

2）當(dāng)暴露時間小于2 0年時，金屬的腐蝕速率與暴露時間通常存在關(guān)系當(dāng)暴露時間大于2 0年時，金屬的腐蝕速率可表示為

3）通過對ISO CORRAG大氣暴露計劃中大量數(shù)據(jù)的回歸分析，得到了碳鋼、鋅、銅和鋁的時間指數(shù)b；合金元素對鋼的時間指數(shù)ba的影響可表示為在海洋環(huán)境中，氯離子沉積速率對時間指數(shù)增量Δb的影響為

[1]ISO 9223-2012, Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres – Classif ication[S].

[2]ISO 9224-1992, Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres – Guiding values for the corrosivity categories[S].

[3]ISO 9224-2012, Corrosion of metals and alloys - Corrosivity of atmospheres –Guiding values for the corrosivity categories[S].

[4]Corvo F. Haces C, Betancourt N., et al., Atmospheric corrosivity in the Caribbean Aria[J]. Corrosion Science, 1997, 39(5): 823-833.

[5]Veleva L., Pérez G., Acosta M., Statistical analysis of the temperature-humidity complex and time of wetness of a tropical climate in the Yucatán Peninsula in Mexico[J]. Atmospheric Environment. 1997, 31(5): 773-776.

[6]Morales J., Martin-Krijer S., Diaz F., et al., Atmospheric corrosion in subtropical areas: inf luences of time of wetness and def iciency of the ISO 9223 norm[J]. Corrosion Science, 2005, 47: 2005-2019.

[7]Morales J., Diaz F., Hernandez-Borges J., et al., Atmospheric corrosion in subtropical areas: Statistic study of the corrosion of zinc plates exposed to several atmospheres in the province of Santa Cruz de Tenerife (Canary Islands, Spain)[J]. Corrosion Science, 2007, 49: 526-541.

[8]ASTM G101, Standard guide for estimating the atmospheric corrosion resistance of low-alloy steels[S].

[9]Townsend H. E., The effects of alloying elements on the corrosion resistance of steel in industrial environments[C]. Proceedings of the Fourteenth International Corrosion Congress, Corrosion Institute of the South Africa, 1999.

[10]Townsend H. E., Estimating the atmospheric corrosion resistance of weathering steels[C]. Outdoor Atmospheric Corrosion, PA, USA,2002.

[11]Townsend H. E., Effects of silicon and nickel contents on the atmospheric corrosion resistance of ASTM A500 weathering steel[C]. Atmospheric Corrosion, PA, USA, 1995.

[12]Coburn S. K., Komp M. E., Lore S. G., Atmospheric corrosion rates of weathering steels test sites in the eastern United States –Affect of environment and test panel orientation[C]. Atmospheric Corrosion, PA, USA, 1995.

[13]Morcillo M., Simancas J., Feliu S., Long-term atmospheric corrosion in Spain: results after 13-16 years of exposure and comparison with worldwide data[C]. Atmospheric Corrosion, PA,USA, 1995.