氟碳涂料應用于輸電鐵塔防腐分析概述

【摘要】本文論述了我國輸電線路鐵塔運行中存在的腐蝕問題、目前防腐工作中的常用措施，并重點介紹了防腐涂料中的FEVE氟碳涂料的發(fā)展歷程，并結(jié)合氟碳涂料特有的耐候性與防腐性，分析了氟碳涂料應用于輸電鐵塔的技術(shù)優(yōu)勢和工藝方法。

【關(guān)鍵詞】輸電鐵塔；防腐；氟碳涂料；常溫固化；FEVE

輸電鐵塔是電力輸送的基礎(chǔ)設(shè)備，鐵塔的安全運行是電力可靠運輸?shù)闹匾Ｕ?，直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全，因此不允許有缺件、變形或嚴重修飾的情況發(fā)生。輸電鐵塔在自然環(huán)境下運行數(shù)十年，受自然環(huán)境中的風、雨、霧、空氣中的氧O2、SO2、NOX、灰塵、油污、鹽及鳥糞等影響，會遭受各種不同方式的腐蝕破壞。有研究表明，銹蝕對角鋼材料的延伸率影響最大[1]，延伸損失率（Δδ）與截面損失率（ρ）的關(guān)系為：Δδ=1.219ρ，可見鐵塔的銹蝕會導致延伸損失率嚴重增大，其它機械性能相應下降，嚴重時直接威脅輸電線路的安全運行。因此，采用有效的輸電鐵塔防腐措施來保障其安全運行十分重要。

1.輸電線路鐵塔防腐措施[2～7]

輸電鐵塔的材質(zhì)依形狀主要分為角鋼和鋼管兩大類[2～4]，自投入運行的第一天起就存在腐蝕與防腐蝕的問題，而由于輸電鐵塔遍布全國各地，腐蝕環(huán)境千差萬別也造成了防腐蝕方式的多樣化發(fā)展，依防腐措施原理不同，可分為鍍鋅防腐和涂料防腐兩大類。

1.1 鍍鋅防腐

鍍鋅防腐的原理是犧牲陽極法，以犧牲陽極的鋅來保護陰極的鐵，防腐效果好，鍍鋅防腐的常用措施有熱浸鍍、冷涂鋅和熱涂鋅。

1.1.1 熱浸鍍

熱浸鍍是鐵塔防腐最主要措施，熱鍍鋅防腐工藝已經(jīng)成熟運行數(shù)十年，在北方干燥地區(qū)，經(jīng)熱鍍鋅的鐵塔可以經(jīng)受十年的自然環(huán)境影響，而不被腐蝕，在南方地區(qū)熱鍍鋅防腐效果不如北方，尤其是在沿海地區(qū)，在高濕度高鹽密自然環(huán)境下熱鍍鋅鐵塔只能起到3～5年的防腐作用。

1.1.2 冷涂鋅

高純度鋅粉與樹脂、溶劑等組成的防腐涂料，常溫固化，應用于施工現(xiàn)場實現(xiàn)冷涂鋅。涂層的鋅含量可以達到96%以上，提供陰極保護及屏障保護，可以用來代替熱浸鋅和熱噴鋅?！叭A東電網(wǎng)500kV輸電線路鐵塔冷涂鋅防銹工程技術(shù)和工藝規(guī)范”[5]中規(guī)定冷涂鋅使用年限為8年，但在沿海及腐蝕嚴重的環(huán)境中，無法達到此耐腐蝕年限要求。

1.1.3 熱涂鋅

鐵塔底材經(jīng)過預處理后，使用電弧噴涂法進行噴漆處理，最后進行涂層后處理，其防腐介質(zhì)材料以鋅、鋁及鋅鋁合金為主。一般需通過底漆加面漆配套使用來增強其耐候性能。

1952年，我國就使用該技術(shù)對264座高壓輸電鐵塔的上部進行熱噴鋅涂層防銹，26年后涂層仍完好，無腐蝕現(xiàn)象[6]。

1.2 涂料防腐

涂料防腐的原理是利用涂料良好的表面性能和與輸電鐵塔的粘附性，隔絕水、鹽、O2，工業(yè)氣體如S02、NOX、H2S、NH3、C12、HCI等的侵蝕，保護鐵塔不被腐蝕，涂料防腐措施有涂料直接防腐、熱浸鍍+工廠涂料防腐和熱侵度+后期涂料防腐。

1.2.1 涂料直接防腐

涂料防腐因施工容易而被廣泛應用于金屬防腐，目前國內(nèi)外輸電鐵塔均采用涂料涂裝來進行保護，噴漆前對鋼材進行噴砂處理，然后噴涂底漆和面漆完成涂料涂裝，鐵塔在不同的使用環(huán)境下，底漆和面漆的選材也不相同，另外新建輸電鐵塔和修復鐵塔用漆也不相同。

1.2.2 熱浸鍍+工廠涂料防腐

在工廠熱鍍鋅后，直接涂上防腐涂料，該工藝可使涂料與鍍鋅層達到最佳附著，同時大大提高鋼塔的耐腐蝕性和使用壽命，降低事后維護涂裝的成本。該工藝在澳洲電網(wǎng)被廣泛應用于輸電鐵塔，相色牢固，耐用。

1.2.3 熱浸鍍+后期涂料防腐

該措施屬于熱浸鍍防護失效后的補救措施，也是目前全國使用做多的措施，特別是我國南方、沿海等高鹽密地區(qū)及一些重工業(yè)氣體污染地區(qū)，熱浸鍍鋼塔在這些腐蝕嚴重地區(qū)使用壽命大大降低，3～5年的運行后就會出現(xiàn)全塔性腐蝕現(xiàn)象，通過在鍍鋅層上涂裝一層涂料，增強鋼塔耐腐蝕性，提高其使用壽命。熱浸鍍+涂裝工藝噴涂的鋼塔，耐腐蝕性是鍍鋅使用年限與涂料涂裝使用年限之和的1.5倍[7]，該工藝在南方、特別是沿海地區(qū)被普遍使用。

輸電鋼塔防腐方式多樣，在輸電鐵塔數(shù)十年的運行期限內(nèi)，在我國最被廣泛使用的是熱浸鍍+后期涂料防腐工藝，主要原因是該措施可操作性強，且耐候、防腐性能優(yōu)異，被我國和世界范圍內(nèi)的輸電鐵塔廣泛使用，具有10年以上的防腐壽命，國家標準（GB2694一2003）也對熱浸鍍有嚴格的規(guī)定。

熱浸鍍只有在新建鐵塔的鋼件出廠前于車間內(nèi)加工，在戶外運行多年后鐵塔鍍鋅層被腐蝕，開始失去對鋼構(gòu)件的保護，自然環(huán)境直接對鋼件產(chǎn)生腐蝕作用，則需通過噴涂防腐涂料加強對鋼件的保護，目前使用的涂料根據(jù)使用環(huán)境和涂料類型不同，一般可以防護2～7年，之后再繼續(xù)使用涂料重新涂覆防腐，直至鐵塔運行壽命結(jié)束。

2.防腐涂料的種類

輸電線路鐵塔熱侵度工藝基本相同，但運行后期使用的防腐涂料則種類多樣，鐵塔類型、鐵塔周圍環(huán)境、防腐等級要求的不同，所使用的防腐涂料也千差萬別，包括樹脂類、改性樹脂品種、環(huán)保型防腐涂料、粉末防腐涂料、無溶劑型防腐涂料、紫外光固化防腐涂料、玻璃鱗片防腐涂料等，需選擇不同的底漆、面漆配合使用。

防腐涂料按種類主要劃分為以下四種：

2.1 富鋅涂料

含有大量鋅粉的底涂為富鋅涂料。因此，當涂裝了富鋅底漆的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕時，因為金屬鋅在很寬的溫度范圍內(nèi)的電極電位比鐵負，鋅是陽極，被腐蝕，鐵是陰極得到保護，起到了犧牲陽極的陰極保護作用，同時，鋅粉腐蝕后的產(chǎn)物可填充涂膜的空隙，封閉涂膜的損傷部位，又起屏蔽腐蝕介質(zhì)的作用。因此，盡管富鋅涂料的涂層比較薄，但仍有較好的防銹效果，使用壽命也較長。富鋅涂料是目前輸電鐵塔上被廣泛使用的防腐涂料。

2.2 帶銹涂料

為了獲得優(yōu)良的耐腐蝕性能，涂漆前必須把底材上的鐵銹清除干凈。輸電鐵塔的表面處理對于防腐涂料來說是至關(guān)重要的。在防腐工程中，施工費用占70%以上，而其中以噴砂為主的表面處理（防銹、除油等）又占70%以上，同時，在很多現(xiàn)場施工條件下，也不可能達到（噴砂等級的表面狀態(tài)）Sa2.5級以上的標準，因此，對低表面處理（低于Sa2級）、帶濕氣或帶油表面上可適用的涂料提出很高的要求。帶銹涂料即低表面處理涂料，這種涂料的涂裝不僅能降低施工強度，減少勞動成本，而且大大提高了施工效率，涂裝后的效果達到用噴砂加上高性能涂料所得涂層的防腐蝕效果。對于輸變電鐵塔，橫擔和電桿的安全運行和維修具有重要意義。

2.3 納米涂料

納米微粒如納米級TiO2、ZnO、CaCO3及SiO2用于防腐涂料具有極好的協(xié)同作用，由于納米顆粒的表面能很高，易于同其他原子結(jié)合，納米顆粒與涂層形成較強的氫鍵結(jié)合，增加了涂層的致密性及抗離子滲透性。除此之外，還可以改善涂料的流變性，提高涂層的附著力、涂膜硬度、光潔度和抗老化性能，是涂料重要的發(fā)展方向之一。

2.4 氟碳涂料

氟碳涂料是迄今為止抗腐蝕和耐候性最優(yōu)異的材料，擁有抗氧化、耐臭氧、防紫外線、防潮抗溫變、高化學穩(wěn)定性、耐油拒水、優(yōu)異的抗老化性等性能。近十年來國內(nèi)FEVE常溫固化氟碳涂料發(fā)展迅猛，其優(yōu)異的防腐性能被船舶、石油平臺、石油管道、建筑外墻、鋼構(gòu)高塔等重防腐領(lǐng)域廣泛使用。電力輸電鐵塔分布地域廣泛，運行環(huán)境各異，氟碳涂料應用于輸電鐵塔，憑借優(yōu)異的耐候防腐性能，即使在惡劣環(huán)境下仍能起到很好的防腐作用，因此越來越多的受到電力行業(yè)的關(guān)注。

3.氟碳涂料的發(fā)展與應用

3.1 氟碳涂料的發(fā)展歷史

氟碳涂料是以含氟共聚樹脂或氟烯烴與其它單體共聚物為主成膜物質(zhì)，經(jīng)加工改性、研磨制成的涂料。其主要特征是樹脂分子鏈中含有大量C-F鍵，C-F鍵是目前已知有機物中的最強分子鍵，分子結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定，使得氟涂料與一般涂料相比，有其無可比擬的耐自然老化性、耐酸堿性、耐化學腐蝕性能、耐熱性、耐寒性、自熄性、不粘性、自潤滑性、抗輻射性等優(yōu)良性能，其使用壽命達普通涂料的3-5倍。

1938年由杜邦公司生產(chǎn)出聚四氟乙烯（PTFE）、聚氟乙烯（PVF），之后該材料應用于不粘鍋、醫(yī)療、航空等領(lǐng)域。1965年美國Pennwalt公司開發(fā)成功聚偏二氟乙烯（PVDF）0商標為KYNAR500）為基料的建筑用氟碳涂料，氟碳涂料開始在建筑領(lǐng)域被規(guī)?；褂谩TFE與PVDF均屬于高溫烘烤型涂料，需要工廠加工，無法實現(xiàn)現(xiàn)場施工，制約了氟碳涂料進一步發(fā)展。

1982年日本旭硝子公司開發(fā)出常溫固化氟烯烴—乙烯基醚共聚物（FEVE），標志著氟碳涂料開始進入現(xiàn)場施工領(lǐng)域，拓展了氟碳涂料的應用領(lǐng)域。1990年日本大金公司開發(fā)出四氟乙烯—乙烯多元共聚物為主成膜物的GK—570樹脂，常溫固化型氟碳涂料應用領(lǐng)域進一步拓寬。

3.2 我國氟碳涂料的發(fā)展現(xiàn)狀[8，9]

國內(nèi)氟碳涂料發(fā)展起步較晚，但發(fā)展迅速，20實際90年代引進市場，2000年前后國內(nèi)企業(yè)自行開發(fā)成功不同用途氟樹脂涂料，市場進入拓展期，目前已有十家左右公司能夠生產(chǎn)常溫固化氟碳樹脂，常溫固化氟碳涂料生產(chǎn)企業(yè)一百家之多，產(chǎn)能兩萬噸/年左右。國內(nèi)企業(yè)迅速發(fā)展，打破了國際上幾家大公司壟斷氟碳樹脂的市場格局，氟碳涂料的準入門檻和市場使用成本均大幅降低，氟碳涂料市場真正進入發(fā)展階段。

氟碳涂料在建筑、橋梁、彩鋼板、鋼構(gòu)件、文物保護、機械電子等領(lǐng)域被紛紛使用，我國一些國家重大工程如：2008年奧運會國家體育場（鳥巢）、世界最長跨海大橋——杭州灣跨海大橋、浙江舟山世界第一高輸電鐵塔、青藏鐵路混凝土箱梁涂裝、世博會中國館、東北第一橋-遼河特大橋、上海浦東國際機場均使用了氟碳涂料作為防腐涂料，為氟碳涂料的推廣普及起到極大的助力，奠定了良好的市場基礎(chǔ)。

4.FEVE氟碳涂料防護輸電鐵塔

4.1 FEVE氟碳涂料應用于輸電鐵塔的性能分析

FEVE氟碳涂料可常溫固化，因此可以應用于在運行的輸電鐵塔施工工程現(xiàn)場，方便推廣應用，相比普通防腐涂料，使用FEVE氟碳涂料防護輸電鐵塔具有以下特點：

a.優(yōu)良的防腐蝕性能：氟碳樹脂分子中高健能的F-C鍵環(huán)繞保護C-C主鏈，致使分子結(jié)構(gòu)異常穩(wěn)定，宏觀表現(xiàn)為極好的化學惰性，耐酸、堿、鹽等化學物質(zhì)和多種化學溶劑，耐氧化，為鐵塔提供保護屏障，隔絕各種化學、電學腐蝕物對鐵塔的腐蝕。

b.免維護、自清潔：高鍵能的F-C鍵緊密排列在材料表面，致使氟碳涂層具有極低的表面能，宏觀表現(xiàn)為不沾污、自潔性好，表面灰塵可通過風、雨自潔，極好的疏水性（最大吸水率小于5%）且斥油、極小的摩擦系數(shù)（0.15-0.17），防污性好，避免鐵塔表面積累過多的可溶性污穢。

c.超強保色性：普通涂料在露天環(huán)境下3-5年顏色就會顯著失色，氟碳涂料由于對紫外線等外界因素具有很高的耐受性，色澤可多年光亮如新，20年戶外使用色澤保持在80%以上，可以使輸電鐵塔上的色標、線路牌、相色牌等標示性色澤長久艷亮。

d.超長耐候性：涂層中含有大量的F--C鍵，環(huán)繞C-C主鏈，并且保護不穩(wěn)定的酯鍵、醚鍵不被氧化，整個分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，決定了其可以長久使用，超強的穩(wěn)定性，不粉化、不褪色，使用壽命長達20年，具有比任何其他類涂料更為優(yōu)異的使用性能。

4.2 FEVE氟碳涂料在輸電鐵塔的應用措施

4.2.1 FEVE氟碳涂料在新建輸電鐵塔的應用

新建輸電鐵塔使用氟碳涂料非常方便，不存在帶電作業(yè)的風險，且由于底材是新材料，非常易于保護，最大限度的發(fā)揮氟碳涂料的防護性能。

2008年，220kV舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)工程螺頭水道大跨越輸電鐵塔，地處浙江舟山一島嶼，塔高370m，塔身鋼結(jié)構(gòu)重5710噸，處于ISO 12944 C5-M海洋氣候環(huán)境。為保證30年保色保光性能，該鋼塔在80μm熱鍍鋅層上，采用三重防腐措施，底漆為干膜厚度50μm的環(huán)氧底漆，中間漆為干膜厚度50μm的環(huán)氧云鐵漆，面漆則使用了具有重防腐特性的氟碳涂料，干膜厚度80μm，以此確保鐵塔在惡略的海洋腐蝕環(huán)境下安全運行[10]。

該項目的落成，標志著氟碳涂料可以在最惡劣的海洋環(huán)境下對新建成的輸電鐵塔進行有效防護，獲得電力行業(yè)認可，為氟碳涂料在輸電鐵塔的應用起到了很好的示范作用。

4.2.2 FEVE氟碳涂料在運行中輸電鐵塔的應用

在已經(jīng)運行多年的輸電鐵塔防腐方面，還未見有應用氟碳涂料的報道，由于運行中的輸電鐵塔表面情況較新建鐵塔復雜，而對遍布全國各地的運行中的輸電鐵塔進行防腐，提高運行中輸電鐵塔的安全是電力防腐的重點，也是難點。運行中的輸電鐵塔防腐施工對工藝的要求非?？量蹋\行多年的鍍鋅鐵塔，表面存在各種影響防腐涂料附著及其它性能的附著物，如：污垢、油脂、鐵銹、氧化皮、起皮的油漆涂層和鍍鋅層、可溶性鹽、焊渣等，在施工前首先需要清除輸電鐵塔表面的這些不牢固的附著物。

根據(jù)氟碳涂料使用特點，可以將運行中輸電鐵塔的防腐工藝分為四個步驟。

除銹：使用手工或動力工具除銹，鋼構(gòu)表面處理后應達到st3標準，即無可見的油脂和污垢，并且沒有附著不牢的氧化皮、鐵銹、舊漆皮等，鋼構(gòu)表面具有金屬光澤，鋼構(gòu)件夾角等不宜清理部位也應達到st2標準。

氟碳底漆涂覆：除銹完畢后應立即進行第一道底漆的涂覆，時間不宜超過4h，氟碳涂料使用的底漆是屬于低表面處理漆，可以應用于表面相對復雜的運行中的輸電鐵塔，封閉底材及表面銹空。

氟碳中間漆涂覆：待第一道底漆固化后涂覆氟碳中間漆，保護封閉襯底涂層、提高涂層強度與覆蓋厚度；

氟碳面漆涂覆：具有超強的耐候性及耐腐蝕性，賦予整個涂層體系長久的使用壽命。

4.3 經(jīng)濟效益分析

氟碳涂料應用于輸電鐵塔，相比普通涂料，在20年的運行維護中可節(jié)省約50%的防腐成本，節(jié)約2-4次的施工，減少了每次施工涂料中約40%的有機氣體排放。除此之外，在輸電鐵塔施工存在登高作業(yè)風險和由施工帶來的影響輸電線路安全運行的風險，微小的錯誤施工都有可能導致線路事故，并給一個地區(qū)的居民生活、企業(yè)生產(chǎn)造成停電影響，因此使用FEVE氟碳涂料對輸電鐵塔進行防護，有更突出的經(jīng)濟價值和社會效益。

輸電鐵塔在我國輸電行業(yè)屬于重點基礎(chǔ)設(shè)施，2008年南方地區(qū)的冰災壓垮許多輸電鐵塔，為輸電鐵塔的安全運行提出警示，如何保護鐵塔免受腐蝕、或?qū)⒏g的影響將至最低，成為電網(wǎng)安全運行的重要課題。在橋梁、船舶等重腐蝕領(lǐng)域，及一些重點建筑工程上，均開始使用耐候性與防腐性更加優(yōu)異的氟碳涂料作為保護涂料的今天，輸電鐵塔作為電力安全的重要設(shè)備，依然在使用普通涂料進行重復性涂裝，與電力行業(yè)“減員增效”“綠色電網(wǎng)”的政策也不相符。隨著氟碳涂料技術(shù)發(fā)展不斷突破，市場份額不斷擴大，及大家對氟碳涂料認知的不斷提高，使用擁有“涂料之王”美譽的氟碳涂料替代目前正在使用的普通防腐涂料，對遍布全國的輸電鐵塔進行防腐，為我國電網(wǎng)的安全運行保駕護航，應成為電力行業(yè)的重要防腐措施。

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作者簡介：王斌（1981—），男，陜西西安人，學士，應用化學工程師，現(xiàn)供職于廣東官能電力科技發(fā)展有限公司，主要研究方向：高分子材料助劑，電力新材料。