輸電桿塔鋼構(gòu)件腐蝕防護技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

樊志彬，李辛庚

（山東電力集團公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

長期服役于自然環(huán)境中的輸電桿塔鋼構(gòu)件的防腐蝕性能，是保證輸電線路安全可靠運行的關(guān)鍵要素之一［1］。在沿海和因重工業(yè)生產(chǎn)排放所帶來的環(huán)境污染并伴隨自然環(huán)境氣候的惡化而形成的重腐蝕環(huán)境中，使在役桿塔鋼構(gòu)件等重要設(shè)備腐蝕速率日漸加快，傳統(tǒng)使用的熱鍍鋅、刷涂富鋅涂料等腐蝕防護技術(shù)性能已不能滿足使用要求，有效免維護周期明顯縮短，生產(chǎn)中用于防腐維護的成本大大增加。因此，開發(fā)新型耐腐蝕防護材料和維護技術(shù)，實現(xiàn)鋼構(gòu)件長壽命、少維護或免維護的防腐效果，是保證輸電線路安全運行、建設(shè)“堅強智能電網(wǎng)”的需要。

1 輸電桿塔的腐蝕現(xiàn)狀

國內(nèi)輸電鐵塔表面大多采用熱鍍鋅防護。鍍鋅層對于桿塔基體材料與腐蝕環(huán)境具有隔離作用和陰極保護作用：一方面鋅在大氣中的腐蝕速度大約是鋼鐵的1/15，能夠有效保證外部腐蝕介質(zhì)不與鋼材基體直接接觸；另一方面以鋅犧牲陽極的形式防止構(gòu)件基體材料腐蝕來保證桿塔的結(jié)構(gòu)強度［2］。

日本熱鍍鋅協(xié)會在1964—1974年進行的熱鍍鋅大氣暴露試驗結(jié)果如表1所列［3］。

近年來的使用情況反映，鍍鋅層防腐蝕實際壽命遠遠小于表1中的數(shù)值，主要原因是與環(huán)境污染和全球氣候惡化有關(guān)。在干燥空氣中，鋅鍍層具有良好的保護性能，但在沿海等潮濕環(huán)境中，鋅表面會生成一層氫氧化鋅，在二氧化碳作用下生成堿式碳酸鋅。該腐蝕產(chǎn)物疏松、體積較大，防護作用顯著降低。鋅在工業(yè)污染嚴重地區(qū)，對二氧化硫、二氧化氮等的耐腐蝕性能較差，隨環(huán)境中二氧化硫或二氧化氮的含量增加，耐腐蝕性能下降。

湖南為大陸型中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，光、熱、雨水資源豐富且比較同步，存在株洲、湘潭等重工業(yè)污染區(qū)。2008年南方冰災(zāi)中，湖南地區(qū)由于線路覆冰而大面積倒塔的出現(xiàn)，其主要原因就包含由于環(huán)境腐蝕導(dǎo)致的桿塔構(gòu)件強度缺失。調(diào)查表明在沿海地區(qū)和重工業(yè)污染地區(qū)的輸電鐵塔投入運行3～4年便銹跡斑斑，再過經(jīng)過1～2年便轉(zhuǎn)化為整體銹蝕。

表1 鍍鋅產(chǎn)品耐用年限的規(guī)定

福建地區(qū)處于亞熱帶，光照、雨水充足，既有重工業(yè)污染區(qū)，也有沿海氣候和國家酸雨控制區(qū)。三明局220 kV后富線為后山變至富興變聯(lián)絡(luò)線，發(fā)現(xiàn)1號至3號、5號至10號鐵塔主材、聯(lián)板受銹蝕層度較重，主要原因系后山出線段地處三明鋼鐵廠、化工廠及化學(xué)試劑廠（生產(chǎn)硫酸、鹽酸）周邊，受污染物，特別是酸霧的影響所致。處于海洋氣候的廈門局將鴻線7號、8號鐵塔腐蝕嚴重。漳州220 kV總南線與三明局220 kV增列線由于地處山區(qū)環(huán)境植物茂盛，環(huán)境十分潮濕，塔腳部位腐蝕嚴重。

山東屬暖溫帶季風(fēng)濕潤半濕潤氣候類型，降水集中，雨熱同季，春秋短暫，冬夏較長。光照充足，常年降水比較豐富。在淄博地區(qū)調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，500 kV淄濰線近4～5年出現(xiàn)多基塔塔腳腐蝕，使上底座和護板減薄至設(shè)計厚度的1/2，已經(jīng)對桿塔的安全運行產(chǎn)生影響。經(jīng)分析，土壤中SO42-和Cl-離子的含量偏高，塔腳腐蝕是表面硫腐蝕和因混凝土基礎(chǔ)虹吸潮濕而發(fā)生的界面濃差腐蝕共同作用的結(jié)果。

對500 kV川淄線調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，部分鐵塔多處主材、聯(lián)板的鍍鋅層出現(xiàn)紅褐色銹斑，銹蝕較重。桿塔所處位置為農(nóng)田，而附近日用陶瓷、建筑陶瓷生產(chǎn)廠家較多，燒結(jié)等工業(yè)廢氣排放較多，污染嚴重。

在海洋氣候中，由于較大的空氣濕度和鹽含量，熱鍍鋅層的腐蝕加劇，使用壽命縮短。煙臺地區(qū)龍湯一、二線，龍東線、龍沈線等近海岸電廠出線線路，常年受潮濕海風(fēng)侵蝕，桿塔和導(dǎo)線腐蝕嚴重。在四面環(huán)海的廣東南澳縣，一條10 kV的配電線路，在1993—1997年間，由于嚴重的鹽霧腐蝕架空導(dǎo)線斷線15起。鍍鋅的桿塔鐵構(gòu)件半年左右就開始生銹，一年就銹跡斑斑。

從調(diào)研的情況可以發(fā)現(xiàn)，目前的熱鍍鋅桿塔防腐和日常的富鋅涂料的維護難以滿足設(shè)計使用壽命的要求，需要發(fā)展新型防護技術(shù)防止桿塔的腐蝕，保證輸電線路的安全。

2 國內(nèi)外桿塔防腐技術(shù)

2.1 熱鍍鋅技術(shù)的發(fā)展

自1983年起，奧地利電網(wǎng)在380 kV線路上開始試驗 “鍍鋅封閉”（DUPLEX-coating，鐵塔在工廠鍍鋅后立即進行涂料封閉涂裝）防護技術(shù)。結(jié)果顯示自投運到首次維護時間可長達40～50年之久，大大提高了鍍鋅鐵塔的抗蝕性，大幅度降低了運行維護成本，后被廣泛應(yīng)用于新建線路。經(jīng)統(tǒng)計，使用“鍍鋅封閉”增加的費用占整條線路費用的2.5%，但是從全壽命周期分析，顯著降低了成本［4］。荷蘭熱浸鋅研究所發(fā)表了類似的等加效應(yīng)結(jié)果，即：無論熱浸鋅、電弧噴鋅，鋅層加重防腐涂料復(fù)合涂層壽命為兩者使用壽命之和的1.8～2.4倍。

為了提高熱鍍鋅涂層耐蝕性能，熱浸鍍鋅鋁涂層成為近幾十年的研究熱點。鋁由于擁有良好的鈍化性能，其耐蝕性能更優(yōu)于鋅。但鈍化后的鋁對鋼鐵基體缺乏陰極保護作用，而鋅鋁涂層同時具備了鋅涂層和鋁涂層兩者的優(yōu)點［5］。比較著名的商業(yè)涂層有 Galfan （Zn+5%Al）、Galvalume（Zn+55%Al+1.6%Si）和 SUPER ZINC（Zn+5%Al+0.1%Mg）。試驗表明鋅鋁涂層耐蝕性能遠好于純鋅浸鍍層，在海洋氣候及重工業(yè)污染區(qū)的防腐性能也很優(yōu)異。

Galfan在工業(yè)污染和海洋環(huán)境中耐腐蝕性能為熱浸鍍鋅的 2～3 倍［6］，Galvalume 為熱浸鍍鋅耐蝕性能的 3～6倍［7］。1998年，新日鋼鐵株式會社研制的Zn-Al-Mg合金涂層ZAM，不僅具備Zn-Al涂層良好的耐蝕性能，而且由于鎂的加入改善了陰極保護功能［8］。研究顯示，在熱浸鍍液中加入微量的稀土元素，可以改善鍍液與鋼材的潤濕性能，增加流動性，得到均勻的涂層，并明顯提高鍍層耐蝕性能［9］。在熱鍍鋅過程中加入合金元素幾乎不提高生產(chǎn)成本，但是涂層使用壽命得到了顯著地提高，是一種比較理想的熱鍍鋅替代技術(shù)。但是，這些熱浸鍍鋅鋁技術(shù)在國內(nèi)桿塔上還沒有推廣使用。

2.2 涂料

由于涂料成本低、施工工藝簡單，因此成為銹蝕鐵塔防護的主要手段［10］。普通涂料體系耐腐蝕性能差，防護時間只有2～3年，如醇酸紅丹涂料等。隨著輸電鐵塔防腐技術(shù)的發(fā)展，重防腐體系涂料逐漸應(yīng)用于輸電鐵塔防護。重防腐涂料體系是指在惡劣腐蝕環(huán)境下具有長效防護作用的一類高性能涂料，常用的涂料包括聚氨酯涂料、環(huán)氧樹脂涂料、橡膠涂料、富鋅涂料等［11-12］，通常是由底漆、中間漆、面漆組成，漆膜厚度在200 μm以上，三者構(gòu)成的涂層發(fā)揮總體效果，防護時間可達15年以上。

近10年來冷涂鋅涂料有了較大的發(fā)展，它是由溶劑、樹脂、助劑及由純度高于99.995%的鋅粉組成的新型防腐涂料，可在常溫下實現(xiàn)冷涂鋅，涂層鋅含量在96%以上［11］。國內(nèi)外著名的冷涂鋅品牌有比利時的 Zinga、加拿大的 C.R.C.、美國LUST-OLEUM的2100系列、日本的ROVAL、深圳彩虹公司的7CF強力鋅等。冷涂鋅具備鍍鋅及普通涂料的雙重優(yōu)點，提供陰極保護及屏障保護，防腐性能優(yōu)異，可常溫刷涂，便于施工，得到“鍍鋅”效果，對鍍鋅可以進行修復(fù)。與其它防護涂層比較，其成本高是主要缺點。

冷涂鋅涂裝前對鋼結(jié)構(gòu)表面處理及室外環(huán)境要求較熱噴涂處理低，可以在相對濕度85%以上的環(huán)境中施工，比利時Zinga甚至提出可以在潮濕表面涂裝。日本ROVAL冷涂鋅產(chǎn)品涂裝在清潔度為St2級的鋼材表面后，附著力達到了8.1 MPa。華東電網(wǎng)制訂的《華東電網(wǎng)500 kV輸電線路鐵塔冷涂鋅防銹工程技術(shù)和工藝規(guī)范》中規(guī)定冷涂鋅使用年限為8年。

冷涂鋅的防腐功效大抵與熱鍍鋅相當。桿塔在大規(guī)模使用時，熱鍍鋅成本低于冷涂鋅，但是在小件的涂裝上，冷涂鋅成本要低于熱鍍鋅，且施工方便。作為桿塔的防腐技術(shù)，冷涂鋅在重腐蝕環(huán)境中也難以滿足使用壽命的需求，但作為熱鍍鋅鐵塔修復(fù)和維護是很好的方法。

2.3 熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)已被公認是鋼鐵長效防腐中最具競爭力的方法之一。早在1952年，上海噴涂機械廠以安徽省作鋼鐵長效防腐示范。他們首次在國內(nèi)采用熱噴涂鋅涂層的防腐方法，對淮南電廠至蚌埠45 km區(qū)域內(nèi)的264座高壓輸電鐵塔的上半部進行保護，在1978年對鐵塔腐蝕狀況進行檢查，噴涂層狀態(tài)良好，無任何腐蝕跡象。

國內(nèi)外眾多研究表明，熱噴涂鋅鋁涂層的防腐效果要優(yōu)于純鋅或者純鋁涂層［12］。針對熱噴涂Zn-Al涂層的研究與開發(fā)，目前國內(nèi)主要有偽合金涂層和合金涂層，其中合金涂層又分為粉芯絲材制備涂層以及合金絲材制備的涂層。在涂層成分上主要是通過改變Al的含量以及加入少量的Mg、Cu、稀土等金屬元素來提高涂層的耐腐蝕性能。

自1985年，日本JACC（Japan Association of Corrosion Control） 熱 噴 涂 委 員 會 的 S.Kuroda［13］等對Zn、Al及Zn-13Al熱噴涂涂層作了長期暴露試驗。結(jié)果表明，暴露10年和18年的熱噴涂Zn-13Al涂層的耐蝕性明顯優(yōu)于熱噴涂Zn、Al涂層。國內(nèi)學(xué)者采用粉芯絲材和高速電弧噴涂技術(shù)制備了Zn-26%Al涂層。通過電化學(xué)的方法測試涂層在NaCl5%溶液中的腐蝕行為，并與由實芯絲材純Zn、純Al及Zn-15%Al所制備的涂層作比較，探討Al含量的變化對涂層防腐蝕性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)Zn-26%Al涂層在電解質(zhì)溶液中表現(xiàn)出更優(yōu)越的防腐性能。動電位極化測試結(jié)果說明Zn-Al涂層隨著Al含量的增加，其耐蝕性也提高［14］。

近幾年的研究表明，向Zn-Al合金中加入其它的適量元素（Mg和RE等）能顯著改善涂層的耐蝕性能。在多種合金元素的涂層制備中，粉芯絲材較易制備。劉燕等人［15］利用粉芯絲材制備出Zn-Al-Mg-RE涂層，試驗結(jié)果顯示涂層具備良好的耐蝕性能。腐蝕產(chǎn)物堆積成致密的鈍化膜，封閉了涂層上微孔［16］。

所謂自封閉，是指ZnAlMgRe高速電弧噴涂層在腐蝕過程中，隨著腐蝕反應(yīng)的進行，生成了一系列Zn的堿式鹽類，Mg的氫氧化物及Mg與Al形成的尖品石氧化物的水合物等腐蝕產(chǎn)物，這些腐蝕產(chǎn)物不但能夠在涂層表面形成鈍化膜，還能夠有效地堵塞涂層中的孔隙，切斷腐蝕介質(zhì)的快速通道，從而提高了涂層的耐蝕性。實驗室腐蝕實驗數(shù)據(jù)表明［17］：在海洋環(huán)境中，ZnAlMgRe 高速電弧噴涂層的抗腐蝕能力是Zn、Al電弧噴涂層的4倍以上，這主要和ZnAlMgRe涂層具有自封閉特性有直接關(guān)系。

山東電力科學(xué)研究院研制的系列ZnAlMgRE合金實芯電弧噴涂絲材，在鋼基體上制備出ZnAlM-gRE涂層。通過銅乙酸加速鹽霧試驗、電化試驗、浸泡試驗均表明其耐蝕性能遠好于熱浸鍍鋅和熱噴涂鋅涂層，防腐壽命為熱浸鍍鋅的1～8倍。全壽命周期性價比分析是熱鍍鋅的2.4倍以上。現(xiàn)已開始工程示范應(yīng)用。

2.4 耐候鋼及鋁合金桿塔

耐候鋼，又稱為耐大氣腐蝕低合金鋼，是在鋼中加入少量的合金元素（銅、磷、鎳、鉻等），使其在大氣中比普通碳鋼耐蝕性優(yōu)良的一種低合金鋼。合金元素可以在鋼表面形成致密和附著性能很好的保護膜，阻礙銹蝕向內(nèi)部發(fā)展，它是介于不銹鋼和碳鋼間的價廉物美的低合金鋼。20世紀60年代，在美國耐候鋼用來替代鍍鋅鋼被應(yīng)用于輸電桿塔，利用了其較高的強度以減小尺寸和結(jié)構(gòu)重量。在1961年，沒有涂裝的耐候鋼應(yīng)用在馬薩諸塞州的兩個輸電桿塔上，隨后大規(guī)模的運用于賓夕法尼亞州的輸電桿塔上［18］。但在潮濕的環(huán)境中運行幾年后其腐蝕速率與裸碳鋼基本相同。

1975年，考慮到污染物腐蝕帶來的鐵塔強度的降低，日本開始在輸電線路試驗運用耐候鋼無涂裝角鋼鐵塔，并在2000年試驗應(yīng)用涂裝耐候鋼鋼管塔。結(jié)果顯示，在工業(yè)大氣、海洋大氣和酸雨環(huán)境中耐候鋼的耐蝕性能都要優(yōu)于普通碳鋼，但在耐候鋼在接頭和基礎(chǔ)處的腐蝕較為明顯［18］。

鋁在大氣中可以快速生成一層致密的Al2O3膜，且在很寬的pH范圍內(nèi)都可以保持穩(wěn)定。因此，鋁在大氣中的耐蝕性能良好，一些國家采用鋁作為輸電桿塔材料。

英國的試驗結(jié)果顯示［19］，在污染大氣中的鋁桿塔腐蝕速率為2.6μm/a，在沿海地區(qū)為7.3μm/a。設(shè)計壽命為85年的桿塔，若使用普通碳鋼作為基材，在無污染的環(huán)境中每隔15年就必須涂刷一次，在污染和海洋環(huán)境中間隔分別為12年和9年。而以鋁作為基材的桿塔在85年壽命內(nèi)都不需要維護。鋁和碳鋼桿塔在全壽命周期內(nèi)評估對環(huán)境造成影響相近，但鋁材可以更多地回收利用。

2.5 復(fù)合材料桿塔

隨著復(fù)合材料技術(shù)和制造工藝的發(fā)展，纖維增強復(fù)合材料FRP作為一種質(zhì)輕高強、耐腐蝕、絕緣性好的材料，制備復(fù)合材料桿塔已成為可能。日本早在20世紀60年代就開始了就開展了玻璃纖維增強塑料（即玻璃鋼，F(xiàn)RP）用于輸電線路橫擔的研究，并很好的解決了風(fēng)偏所引起的閃絡(luò)事故。

在美國和加拿大復(fù)合材料的桿塔發(fā)展已經(jīng)很成熟，已經(jīng)有多家公司投入了實際生產(chǎn)和應(yīng)用。據(jù)Ebert公司2006年的一份報告，截止2006年2月，Ebert公司的全復(fù)合材料桿塔在腐蝕嚴重的海岸地區(qū)運行良好，在10年內(nèi)不生銹、無腐蝕、未損壞［20］。我國復(fù)合材料的桿塔的研究與應(yīng)用還處于起步階段。2007年，國網(wǎng)武漢高壓研究院研制成功了10 kV線路防雷擊及污閃的絕緣塔頭和橫擔。國家電網(wǎng)公司2009年開始從絕緣特性、抗冰敷特性、抗腐蝕性能三個方面研究復(fù)合材料在輸電桿塔上的應(yīng)用研究。部分試點工程已上線運行，運行狀況良好。

3 結(jié)語

面對重工業(yè)大氣污染和海洋重腐蝕氣候，熱鍍鋅防護技術(shù)已不能滿足使用壽命的要求，迫切需要發(fā)展新的防腐技術(shù)。與熱浸鍍純鋅涂層相比，熱浸鍍鋅鋁合金涂層和熱噴涂鋅鋁合金涂層都有著更好的耐蝕性能，且降低全壽命周期成本。但是熱浸鍍技術(shù)對環(huán)境污染嚴重，且其耐蝕性能也劣于熱噴涂涂層。因此，熱噴涂鋅鋁合金涂層是在重工業(yè)污染和海洋氣候地區(qū)取代熱浸鍍鋅最簡單，也是最有效的手段之一。

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