高矿化腐蚀环境中螺栓腐蚀行为与力学性能退化预测研究

为什么深部螺栓会悄然失效

在深部，钢制螺栓支撑着煤矿的顶板和边墙，防止巷道在作业人员内部坍塌。在一些矿井中，围岩含有大量溶解盐分，形成一种对金属有强烈侵蚀作用的化学环境，逐步蚕食这些隐蔽的支护件。本研究提出了一个简单但至关重要的问题：在此类条件下，螺栓的强度以何种速度下降？更优的螺栓是否能显著延长使用寿命？

含盐岩巷中的隐患

研究者关注的是“高矿化”矿井环境，在这里温暖、湿润的空气与富含盐分的水共同侵蚀金属。在这些巷道中，钢螺栓往往浸润在一层薄薄的盐湿膜中，而不是保持干燥，这会大幅加速腐蚀。团队指出，随着矿井开采深度增加，温度上升且地下水流动减缓，氯盐和硫酸盐的含量经常升高。这些条件使螺栓更易发生局部化损伤（局部点蚀）而非均匀生锈，因此螺栓在外观上可能大体完好，却在某个薄弱点突然断裂，增加巷道顶板坍塌和岩爆的风险。

对比测试普通螺栓与镀锌螺栓

为量化问题严重程度，作者对两类直径20毫米的钢螺栓进行了为期一年的浸泡试验：普通螺栓和经富锌扩散涂层处理的螺栓。样品被浸于不同浓度的氯离子和硫酸盐溶液中，单独或混合存在，并在较高温度下维持。365天后，研究者清除铁锈，测定质量损失以估算金属的腐蚀深度，用X射线衍射分析腐蚀产物，并在拉伸试验机上拉断螺栓以评估强度下降幅度。

盐水如何攻击钢材以及锌层如何改变这一进程

普通钢螺栓表面出现了许多小而深的点坑，而非致密均匀的氧化层。实验显示氯离子是最具侵害性的离子，在相同浓度下比硫酸盐引起更多更大的点蚀。当两种离子同时存在时，它们在金属表面争夺位点，因此提高氯离子浓度会加剧点蚀，而提高硫酸盐浓度则可能稍微转向更均匀的腐蚀形式。普通螺栓上的铁锈松散且不具保护性，允许离子和水分持续渗入。相反，镀锌螺栓生成富锌的腐蚀产物，这些产物紧密堆积，起到屏障作用。镀锌螺栓的点坑更少且更浅，同等暴露时间内其强度下降也明显较小。

从钢表面点坑到强度损失的计时表

由于点坑作为微小缺口会集中应力，团队将点坑深度直接关联到屈服强度和抗拉强度的损失。在他们观察到的损伤范围内，强度损失随平均腐蚀深度近似线性增加。为将这一关系用于预测，他们建立了一个描述在富氯水中点蚀如何起始并随时间增长的数学模型，模型中包括温度的影响。该模型以统计方式处理点坑尺寸，采用一种概率分布来表示以中等尺寸点坑为主、极小或极大点坑较少的情形。将该点坑模型与实验数据结合后，研究者导出了表达螺栓强度损失随氯离子水平、温度和服役时间变化的公式。

模型对于螺栓寿命的提示

利用基于时间的模型，作者显示氯离子浓度和温度的升高会以陡峭、近似指数的方式缩短螺栓寿命。例如，在某些中国煤矿的典型范围内，将氯含量翻倍通常会使普通螺栓的预期服役寿命减少超过一半。较高温度也有类似但略微较小的影响。当他们将模型预测与一处在高盐条件下服役约一年的实际巷道数据比较时，计算得到的腐蚀深度和强度损失与实验室测试和现场测量结果吻合良好。这种一致性表明该模型可帮助工程师估算螺栓何时可能变得危险地脆弱。

为恶劣矿井环境提供更安全的支护

为降低高矿化矿井中螺栓突发失效的风险，研究建议用镀锌处理的螺栓替换普通螺栓，并采用镀锌钢板、钢网和其他配件，使整个支护系统腐蚀更缓慢且更均匀。用致密、碱性注浆材料灌注螺栓周围并加装外套筒可以进一步阻挡富盐水侵入钢材。结合对矿井温度的更好控制和对支护件的持续健康监测，这些措施有助于延长螺栓服役期并提升地下巷道的安全性。

引用: Zhang, J., Li, S., Du, Z. et al. Study on corrosion behavior and mechanical performance degradation prediction of bolts in high mineralized corrosion environment. Sci Rep 16, 14885 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45566-2

关键词: 螺栓腐蚀, 深部煤矿, 镀锌螺栓, 点蚀, 寿命预测