變電站鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)研究

劉舒 郭東鋒 張宇峰 張浩

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)在變電站中的使用比例越來越高，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題必須引起足夠的重視。本文通過分析鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理及變電站對鋼結(jié)構(gòu)防腐的特殊需求，對常用防腐蝕方法及技術(shù)進(jìn)行論述分析，對于保證結(jié)構(gòu)安全、減少變電站運(yùn)行期間的維護(hù)及節(jié)省全壽命周期成本都有重要意義。

【關(guān)鍵詞】變電站；鋼結(jié)構(gòu)；防腐設(shè)計(jì)

一、前言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究的不斷深入，鋼構(gòu)件在各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在電力行業(yè)，發(fā)電廠房、輸電線塔架以及變電站構(gòu)支架等設(shè)施越來越多地采用鋼材作為結(jié)構(gòu)的主要材料。變電站的構(gòu)支架材料已由最初的鋼筋混凝土桿逐步向鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。作為一種建筑材料，鋼材及其成品構(gòu)件具有的優(yōu)越性能是其他材料無法媲美，與此同時鋼材料的防火、防腐蝕等問題也隨之而來。其中，鋼結(jié)構(gòu)的防腐能力關(guān)系到整個工程的使用壽命、安全生產(chǎn)、以及后期停工維護(hù)等一系列問題，因此，鋼結(jié)構(gòu)的防腐必須引起足夠重視。

二、鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理

變電站鋼構(gòu)支架普遍為熱鍍鋅普通碳鋼材料，腐蝕的實(shí)質(zhì)是材料表面與所處的環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而遭到破壞或變質(zhì)。這個過程需要4 個條件， 通常稱之為“ACME”，它們分別是陽極（Anode）、陰極（Cathode）、金屬接觸（Metallic Pathway）以及電解質(zhì)和氧氣（Electrolyte & Oxygen）。當(dāng)這4個條件同時存在時，鋼鐵便發(fā)生銹蝕。在陽極，鐵釋放電子形成Fe2+；在陰極，水中溶解的氧吸收來自陽極的電子而生成氫氧根離子OH-，電子由陽極不斷流向陰極，產(chǎn)生腐蝕電流，在鋼結(jié)構(gòu)表面形成氫氧化鐵薄膜，F(xiàn)e（OH）2再與水、氧結(jié)合生成氫氧化鐵即鐵銹Fe（OH）3。

三、鋼結(jié)構(gòu)常用防腐技術(shù)

目前在鋼結(jié)構(gòu)上廣泛使用的防腐性措施是根據(jù)腐蝕性介質(zhì)物理狀態(tài)以及對建筑材料的腐蝕性等級進(jìn)行分類，防腐的常用方法：①改變金屬結(jié)構(gòu)的組織，在鋼材冶煉過程中增加銅、鉻和鎳等合金元素，以提高鋼材的抗銹能力；②在鋼材表面用其他金屬層保護(hù)，如電鍍或熱浸鍍鋅等金屬保護(hù)層腐蝕性防腐體系；③在鋼材表面涂非金屬保護(hù)層，即用涂料將鋼材表面保護(hù)起來使之不受大氣中有害介質(zhì)的侵蝕。結(jié)合上述三種防腐方法的原理，主要有以下四種技術(shù)：

1、熱浸鍍鋅技術(shù)

熱鍍鋅是將除銹后的鋼構(gòu)件浸入高溫融化的鋅液中，使鋼構(gòu)件表面附著鋅層。從而起到防腐蝕的目的這種方法的優(yōu)點(diǎn)是防腐年限與鋅層厚度成正比，生產(chǎn)工業(yè)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定。因而被大量用于受大氣腐蝕較嚴(yán)重且不易維修的室外鋼結(jié)構(gòu)中，如大量輸電塔、通訊塔等。使用一段時間后鋅層容易產(chǎn)生鋅鹽，表面顏色會產(chǎn)生一定的變化。這種保護(hù)方式具有耐蝕性好，使用壽命長，且基本不用維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

2、防腐漆技術(shù)

在鋼結(jié)構(gòu)加工使用過程中進(jìn)行涂漆操作，通過涂漆來延緩鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。其中分別為：鋼結(jié)構(gòu)防腐漆預(yù)涂底漆、防銹底漆、中間漆和面漆。預(yù)涂底漆也稱為車間底漆，用于車間加工過程中金屬底材在進(jìn)行噴砂、磷化等前期處理后，防銹底漆噴涂前的臨時保護(hù)。防銹底漆，與底材的附著力要滿足要求，不同的底材要選用合適的防銹底漆，環(huán)氧類底漆防腐蝕效果較好。中間漆介于底漆和面漆之間，具有較好的填充性能能修復(fù)、改善底漆的板面提高整體噴涂效果。面漆要求具有優(yōu)異的耐候性能、耐使用環(huán)境中介質(zhì)的腐蝕性及優(yōu)異的裝飾性等對顏色、光澤、耐老化、耐化學(xué)介質(zhì)、抗劃傷性及流平性等要求較高。

3、涂料保護(hù)技術(shù)

涂料保護(hù)是將涂料涂在金屬結(jié)構(gòu)表面形成涂層，形成的涂層必須滿足：連續(xù)無孔、不透氣、不透水，有較大的附著力，有適當(dāng)?shù)挠捕群蛷椥?，有隔離作用，穩(wěn)定，以及其它特殊要求如耐酸和緩蝕等特性。涂料保護(hù)法也是一種有效的防腐方法，具有施工簡便，投資低，使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

4、特種材料技術(shù)

在當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，為了鋼結(jié)構(gòu)能適應(yīng)更加復(fù)雜的自然環(huán)境，對鋼結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行優(yōu)化，在保證鋼結(jié)構(gòu)性能要求的前提下，增加鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕能力。這樣雖然初期投入成本有所增加，但是，后期的維護(hù)成本較小，整體成本控制較好，在后期的使用過程中不用定期的對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕處理，這樣就大大減輕了維護(hù)所消耗的人力成本、施工材料成本，同時，鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命也在不斷的延長。

四、變電站鋼結(jié)構(gòu)防腐的特殊需求

變電站中鋼結(jié)構(gòu)本身受大氣溫度影響冷熱交替、并經(jīng)常受雨水或其他介質(zhì)水的影響；長期暴露于空氣中，耐候等級要求也較高；因此必須充分考慮各種介質(zhì)的腐蝕，兼顧考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕，盡量做到在使用期間內(nèi)免維護(hù)、達(dá)到全壽命期防腐的要求。

變電站工程的使用壽命一般為50年，需要長效運(yùn)行。屋外配電裝置區(qū)域的構(gòu)支架因設(shè)備常年帶電運(yùn)行，維修難度非常大，不可能經(jīng)常停電檢修。因此，必須采用長效防腐方案，盡量做到使用期內(nèi)免維護(hù)。

變電站構(gòu)架為鋼結(jié)構(gòu)，大部分均采用螺栓連接，構(gòu)件在防腐施工過程中若發(fā)生較大的變形，會產(chǎn)生無法拼裝等現(xiàn)象，因此，要盡量減小防腐施工中的構(gòu)件變形、

五、變電站鋼結(jié)構(gòu)的防腐技術(shù)

在輸變電工程中，鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)中一般采用在鋼材表面用其他金屬層保護(hù)，如電鍍或熱浸鍍鋅等金屬保護(hù)層的防腐體系方法。該方法采用防腐性金屬作為保護(hù)層，是在鋼材基體表面覆蓋一層比鐵（Fe）更活躍的金屬元素作為陽極性層。防護(hù)層通常采用的金屬層是鋅，其腐蝕機(jī)理是利用鋅（Zn）的電極電位比鐵（Fe）低，當(dāng)外界環(huán)境存在電化學(xué)腐蝕時，鋅（Zn）是陽極先受到腐蝕，而金屬鐵（Fe）是陰極受到保護(hù)從而對基體起到電化學(xué)保護(hù)作用。金屬鍍層法具有耐腐蝕性好，使用壽命長，且基本不用維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

熱鍍鋅工藝將金屬構(gòu)件表面經(jīng)過預(yù)處理后全部浸入鋅熔融金屬溶液里， 熔融金屬與構(gòu)件表面形成的冶金介面經(jīng)過擴(kuò)散形成金屬覆蓋層達(dá)到防腐的目的。熱鍍鋅工藝的優(yōu)點(diǎn)是金屬覆蓋層和基層結(jié)合很好，防腐蝕性能較熱噴涂高。

熱噴涂鋅工藝?yán)貌煌臒嵩矗?將金屬材料熔化、霧化后，高速堆積到基體表面形成一定厚度的金屬附著層來達(dá)到防腐目的。

冷噴鋅工藝是通過涂裝工藝在金屬構(gòu)件表面形成鋅金屬保護(hù)膜（鋅盾），具有陰極保護(hù)（犧牲陽極）及屏障保護(hù)的功能。鋅盾冷噴鋅材料經(jīng)常溫噴涂干燥后， 鍍層中純鋅含量在96%以上。

鋅加涂料不僅具有熱浸鋅、熱噴鋅（鋁）的有陰極保護(hù)作用，而且具有有機(jī)涂料對鋼結(jié)構(gòu)的屏蔽保護(hù)作用。在使用過程中絕不會出現(xiàn)涂層剝落現(xiàn)象。鋅加涂層具有良好的柔韌性、抗沖擊性和耐磨性，特別抗強(qiáng)烈的機(jī)械震動，能經(jīng)受住搬運(yùn)和建造時碰撞造成的損傷。鋅加涂料施工簡單、基材表面處理要求比較低，同時滿足環(huán)保要求。

六、結(jié)束語

為了貫徹國家電網(wǎng)公司“兩型一化”的設(shè)計(jì)理念，按照全壽命周期內(nèi)“資源節(jié)約，環(huán)境友好”的原則，控制全壽命周期成本，因此變電站鋼結(jié)構(gòu)需要采取高性能的防腐措施，減輕鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，延長鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命，節(jié)約維護(hù)成本，提高資源的利用率。我們還要不斷的研究并采用新技術(shù)和新工藝，以最優(yōu)的成本來實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的防腐。

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