王繼勇

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測(cè)研究分院，北京100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013）

0 引 言

化學(xué)注漿技術(shù)作為治理工作面斷層、軟弱破碎帶、松軟巷道的一種有效手段被廣泛應(yīng)用[1-4]?；瘜W(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，促進(jìn)了高分子注漿材料在煤礦的大力推廣[5-7]。高分子加固材料的粘結(jié)性能、阻燃等安全性能十分重要，如王玉超研究了加固材料粘結(jié)性能影響因素[8]，張連軍討論了高分子材料的阻燃、最高反應(yīng)溫度、有害物質(zhì)等安全特性[9]。但高分子加固材料在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，材料環(huán)保及對(duì)設(shè)備的腐蝕性能同樣重要[10-11]。高分子加固材料納入安全標(biāo)志認(rèn)證管理后，《煤礦井下反應(yīng)型高分子材料補(bǔ)充安全技術(shù)要求》規(guī)定，高分子加固材料腐蝕性試驗(yàn)方法執(zhí)行GB/T 38498-2020《消毒劑金屬腐蝕性評(píng)價(jià)方法》，要求為基本無(wú)腐蝕或輕度腐蝕。

高分子加固材料對(duì)金屬腐蝕的結(jié)果，可以為注漿裝置在金屬材料選型、設(shè)計(jì)方面提供借鑒，以便選擇合適金屬材質(zhì)，延長(zhǎng)注漿裝置工作壽命方面發(fā)揮更好作用。作者前期研究了高分子加固材料對(duì)金屬的腐蝕速率和腐蝕等級(jí)[12]，發(fā)現(xiàn)采用GB/T 38498-2020 仍有一些特殊情況要處理，如高分子加固材料與消毒劑在組成和使用方法上的差異，不能簡(jiǎn)單用水來(lái)處理試片。鑒于目前尚無(wú)高分子加固材料金屬腐蝕性能統(tǒng)一的評(píng)價(jià)方法，作者查閱有關(guān)腐蝕性評(píng)價(jià)方法，希望通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果探求高分子加固材料金屬腐蝕性更適宜的評(píng)價(jià)方法，也為高分子加固材料金屬腐蝕性試驗(yàn)方法的建立提供技術(shù)支持。

1 金屬腐蝕性評(píng)價(jià)方法

當(dāng)前廣泛應(yīng)用的金屬腐蝕性評(píng)價(jià)方法主要有3個(gè)，各評(píng)價(jià)方法之間的差異僅是對(duì)照組（空白組）的試驗(yàn)過(guò)程不同，見(jiàn)表1。

表1 金屬腐蝕性評(píng)價(jià)方法對(duì)比Table 1 Comparison of metal corrosion test method

由表1 可知，GB/T 38498 中對(duì)照組試樣要經(jīng)過(guò)與試樣相同的浸泡試驗(yàn)，只是對(duì)照組的腐蝕介質(zhì)由消毒劑（本試驗(yàn)為加固材料兩組分） 換為去離子水。而JB/T7901-2001 及消毒技術(shù)規(guī)范（2002） 評(píng)價(jià)方法，對(duì)照組試驗(yàn)不經(jīng)過(guò)腐蝕介質(zhì)的浸泡，而是直接進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)處理等過(guò)程。

金屬材料的腐蝕速率的計(jì)算公式和腐蝕等級(jí)見(jiàn)GB/T 38498-2020。

2 試驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)儀器：同參考文獻(xiàn)[12]。

2.2 腐蝕性試驗(yàn)

金屬片前處理：按照GB/T 38498-2020 中5.2.1進(jìn)行。

金屬片腐蝕試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)選擇2 種常用加固材料為腐蝕介質(zhì)，將金屬片浸泡于高分子加固材料兩組分中72 h，每個(gè)金屬片用1 個(gè)容器。

金屬片試驗(yàn)后處理：金屬片試驗(yàn)后用去離子水反復(fù)漂洗，再用軟毛刷或橡皮器具去除腐蝕產(chǎn)物，并進(jìn)行化學(xué)方法處理。

高分子加固材料B 組分含異氰酸酯，其容易與含活潑氫物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。因此去離子水不適宜為B 組分金屬腐蝕性試驗(yàn)后處理。經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，試驗(yàn)中采用表2 中清洗溶劑進(jìn)行處理，并按GB/T 38498-2020 中5.2.2.1 去除腐蝕物。

表2 高分子加固材料各組分的清洗溶劑Table 2 Rinsing solvents for each component of polymer consolidating materials

2.3 試驗(yàn)方案

為考察金屬腐蝕性評(píng)價(jià)方法對(duì)金屬腐蝕性影響，設(shè)計(jì)了3 個(gè)試驗(yàn)方案。

方案（Ⅰ）：按照GB/T38498-2020 進(jìn)行加固材料各組分的金屬腐蝕性試驗(yàn)，對(duì)照組試片在去離子水中浸泡72 h，經(jīng)化學(xué)處理后稱重，計(jì)算腐蝕速率。

方案（Ⅱ）：試驗(yàn)方法同方案（Ⅰ），因高分子加固材料使用中不需與水混合，不需考慮配制消毒劑時(shí)添加的水對(duì)金屬的腐蝕性。為此，對(duì)照組試驗(yàn)質(zhì)量損失量計(jì)為0。

方案（Ⅲ） 采用JB/T 7901-2001 進(jìn)行高分子加固材料各組分的金屬腐蝕性試驗(yàn)，對(duì)照組試片不經(jīng)過(guò)腐蝕過(guò)程，經(jīng)化學(xué)處理后稱重，計(jì)算腐蝕速率。

3 結(jié)果與討論

3.1 采用GB/T 38498-2020 評(píng)價(jià)加固材料金屬腐蝕性

按照GB/T 38498-2020 試驗(yàn)方法的要求，分別將碳鋼、不銹鋼、銅試片放入高分子加固材料各組分中至72 h，處理后觀察金屬試片外觀變化。同時(shí)，按方案（Ⅰ）、（Ⅱ） 進(jìn)行對(duì)照組試驗(yàn)。碳鋼、銅、不銹鋼金屬試片的外觀變化如圖1 ～圖3所示。

圖1 碳鋼在加固材料各組分中的腐蝕性試驗(yàn)前后外觀對(duì)比Fig.1 Comparison of appearance of carbon steel before and after corrosion test in consolidating material

圖3 不銹鋼在加固材料各組分中的腐蝕性試驗(yàn)前后外觀對(duì)比Fig.3 Comparison of appearance of stainless steel before and after corrosion test in consolidating material

計(jì)算加固材料各組分對(duì)碳鋼、不銹鋼及銅片的腐蝕速率，金屬腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采用GB/T 38498-2020 評(píng)價(jià)金屬腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Metal corrosion test result by GB/T 38498-2020

由圖1 看出，加固材料各組分對(duì)碳鋼有明顯腐蝕，且加固材料A 組分對(duì)碳鋼的腐蝕比B 組分對(duì)碳鋼的腐蝕嚴(yán)重。由圖2、圖3 看出，加固材料各組分對(duì)銅、不銹鋼幾乎沒(méi)有腐蝕。這說(shuō)明銅、不銹鋼耐腐蝕性強(qiáng)于碳鋼，這主要是前者能形成致密的氧化膜。

圖2 銅在加固材料各組分中的腐蝕性試驗(yàn)前后外觀對(duì)比Fig.2 Comparison of appearance of cooper before and after corrosion test in consolidating material

由表3 可知，2 方案中，加固材料各組分對(duì)銅、不銹鋼金屬試片的腐蝕性均為基本無(wú)腐蝕；加固材料B 組分對(duì)碳鋼均為輕度腐蝕；聚氨酯材料A組分、硅酸鹽改性聚氨酯材料A 組分對(duì)碳鋼腐蝕性因?yàn)榉桨傅牟煌l(fā)生變化。其主要原因是方案（Ⅰ）、（Ⅱ） 對(duì)照組不同。因加固材料使用時(shí)不需要與水混合，不適宜減去水為腐蝕介質(zhì)下的對(duì)照組的失重量。因此，方案（Ⅱ） 更接近加固材料各組分對(duì)碳鋼的實(shí)際腐蝕性。

3.2 采用JB/T 7901-2001 評(píng)價(jià)加固材料金屬腐蝕性

按方案（Ⅲ） 試驗(yàn)，對(duì)照組試片僅進(jìn)行化學(xué)處理等過(guò)程后清洗、干燥稱重。各金屬試片的外觀變化如圖1 ～圖3 所示。加固材料各組分對(duì)碳鋼、不銹鋼及銅片的腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表4。

由對(duì)照組外觀看出，方案（Ⅲ） 碳鋼試片外觀既不像方案（Ⅰ） 中水為腐蝕介質(zhì)時(shí)腐蝕明顯，也不是方案（Ⅱ） 中想象的毫無(wú)變化。而3 個(gè)方案中，銅、不銹鋼試片的對(duì)照組外觀相近，說(shuō)明基本未發(fā)生腐蝕。

由表4 可知，方案（Ⅲ） 得出的腐蝕速率結(jié)果中，2 種加固材料B 組分對(duì)碳鋼均為基本無(wú)腐蝕。聚氨酯材料A 組分、硅酸鹽改性聚氨酯A 組分對(duì)碳鋼均為輕度腐蝕。這一結(jié)果與金屬試片腐蝕外觀的表現(xiàn)一致。同樣，由于銅、不銹鋼試片的耐腐蝕性能優(yōu)良，2 種金屬試片在各組分中的腐蝕等級(jí)均為基本無(wú)腐蝕。

表4 按JB/T 7901-2001 評(píng)價(jià)金屬腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Metal corrosion test result by JB/T 7901-2001

3.3 不同評(píng)價(jià)方法腐蝕速率對(duì)比

高分子加固材料金屬腐蝕性測(cè)試中存在如下特點(diǎn)：不同評(píng)價(jià)方法中，加固材料各組分對(duì)銅、不銹鋼的腐蝕速率差異不大（腐蝕等級(jí)均為基本無(wú)腐蝕），但對(duì)碳鋼的腐蝕速率有較大差異（造成不同的腐蝕等級(jí)）。為了更直觀反映金屬腐蝕性不同評(píng)價(jià)方法對(duì)碳鋼腐蝕速率的影響，將3 種不同腐蝕性評(píng)價(jià)方法測(cè)試碳鋼的腐蝕速率進(jìn)行對(duì)比，如圖4 所示。

圖4 不同腐蝕評(píng)價(jià)方法測(cè)試碳鋼腐蝕速率對(duì)比Fig.4 Comparison of carbon steel corrosion rate by different corrosion test

由圖4 可以看出，①采用GB/T 38498-2020 方案（Ⅱ），加固材料各組分對(duì)碳鋼腐蝕速率最大，4個(gè)組分對(duì)碳鋼的腐蝕等級(jí)分別為中度、輕度、中度、輕度；②采用GB/T 38498-2020 方案（Ⅰ） 評(píng)價(jià)，4 個(gè)組分對(duì)碳鋼腐蝕等級(jí)分別為輕度、輕度、基本無(wú)腐蝕、輕度腐；③采用JB/T7901-2001 方案（Ⅲ），4 個(gè)組分對(duì)碳鋼腐蝕等級(jí)分別為輕度、基本無(wú)腐蝕、輕度、基本無(wú)腐蝕。

產(chǎn)生以上結(jié)果主要在于對(duì)照組的不同，由于高分子加固材料在使用中不需要與水混合。因此，以水為腐蝕介質(zhì)為對(duì)照組不合時(shí)宜。另外，簡(jiǎn)單將對(duì)照組的失重量取“0”也缺乏根據(jù)。選擇將進(jìn)行后續(xù)化學(xué)處理過(guò)程的金屬試片作為對(duì)照組更為科學(xué)，腐蝕性結(jié)果與加固材料各組分對(duì)碳鋼腐蝕性結(jié)果符合性也更好。

另外，高分子加固材料組成復(fù)雜，如不同型號(hào)的硅酸鹽、不同種類的聚醚多元醇（石油基多元醇、植物油基多元醇及其它生物基多元醇）、不同的添加劑種類及用量等，都可能引入氧化性物質(zhì)、酸性物質(zhì)、堿性物質(zhì)、水等，這些是對(duì)金屬腐蝕的主要因素。高分子加固材料無(wú)需像消毒劑那樣選擇水中的試片為對(duì)照組，較適宜選擇JB/T 7901-2001方案（Ⅲ） 中進(jìn)行化學(xué)處理過(guò)程的碳鋼試片作為對(duì)照組。因此，本研究也為加固材料金屬腐蝕性試驗(yàn)方法的建立提供了數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié) 論

（1） 采用3 種金屬腐蝕性評(píng)價(jià)方法測(cè)試了高分子加固材料組分對(duì)碳鋼、銅、不銹鋼的腐蝕性。按照GB/T 38498-2020 方法，采用對(duì)照組試片腐蝕失重量計(jì)為“0”的方案得到的腐蝕速率最大，腐蝕等級(jí)最嚴(yán)重。

（2） 金屬腐蝕性評(píng)價(jià)方法中，加固材料各組分對(duì)銅、不銹鋼的腐蝕速率差異不大，腐蝕等級(jí)均為基本無(wú)腐蝕。對(duì)碳鋼的腐蝕速率差異較大，腐蝕等級(jí)變動(dòng)較大。

（3） 采用GB/T 38498-2020 評(píng)價(jià)方法測(cè)試對(duì)碳鋼的腐蝕性時(shí)，試驗(yàn)方案（Ⅰ）、（Ⅱ） 測(cè)試的腐蝕速率存在不合理或不客觀的地方，測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定。而采用JB/T 7901-2001 評(píng)價(jià)方法，測(cè)試的加固材料各組分對(duì)碳鋼的腐蝕速率更為合理，適用性更好。