耐候鋼在輸電鐵塔上的應用及存在的問題

岳增武，翟季青，劉延華，李辛庚

耐候鋼在輸電鐵塔上的應用及存在的問題

岳增武1，翟季青2，劉延華2，李辛庚1

（1.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，濟南250001）

耐候鋼在大氣中能形成致密和粘附良好的穩(wěn)定銹層，因而具有比普通碳鋼更好的耐腐蝕性能，將耐候鋼應用于輸電鐵塔是未來防腐蝕技術(shù)的重要發(fā)展方向。耐候鋼在國外已成功應用數(shù)十年，包括應用于輸電桿塔，在國內(nèi)的輸電鐵塔上尚未規(guī)模化應用。綜述耐候鋼的耐蝕機理、影響因素及耐候鋼的銹層穩(wěn)定化處理技術(shù)，并總結(jié)將耐候鋼應用于輸電鐵塔亟待解決的問題。

輸電鐵塔；耐候鋼；腐蝕；銹層

0　前言

長期以來，我國輸電線路鐵塔主要采用熱鍍鋅角鋼為塔材，并進行周期性的防腐蝕維護。調(diào)查結(jié)果表明，山東沿海地區(qū)鐵塔的平均首次維護時間為13.2年，平均維護間隔為6.6年，要實現(xiàn)鐵塔40年服役壽命，平均需要進行5次防腐蝕維護［1］。

耐候鋼可以在一些環(huán)境中裸露使用，其一次性投資與鍍鋅鋼相近，但由于省去了防腐維護工序，全壽命周期成本明顯降低。它在大氣中的耐蝕性能依賴于表面形成的穩(wěn)定化銹層，然而，在自然環(huán)境中要完成銹層的穩(wěn)定化一般需要數(shù)年時間，在形成穩(wěn)定化銹層之前，常出現(xiàn)銹液流掛與飛散的現(xiàn)象，污染周圍環(huán)境并影響外觀，特別是在含有Cl-的海洋性大氣環(huán)境，傳統(tǒng)耐候鋼表面難以生成保護性的穩(wěn)定銹層，因此無法表現(xiàn)出優(yōu)良的抗腐蝕性能。

目前耐候鋼在歐美、日本等國得到廣泛應用。在我國，耐候鋼在鐵路、船舶等行業(yè)已批量使用。國家電網(wǎng)公司正在進行相關(guān)的可行性研究，并在輸電線路工程中進行了耐候鋼的嘗試性應用。

1　耐候鋼的耐蝕機理

耐候鋼Cor-Ten包括 Cor-Ten A（Cu、P、Cr、Ni合金化）系列和Cor-Ten B（Cr、Mn、Cu合金化）系列。Cor-Ten鋼之后的許多耐候鋼牌號是在Cor-Ten鋼的基礎(chǔ)上進行了改進和元素調(diào)整形成的。我國也已經(jīng)形成了耐候鋼的國家和行業(yè)標準，如GB/T 4171—2008《耐候結(jié)構(gòu)鋼》等。國內(nèi)幾家大型鋼鐵企業(yè)也各自形成了自己的耐候鋼產(chǎn)品系列。

一般把耐候鋼的耐蝕性能歸因于耐候鋼表面更加致密和附著性更好的銹層，銹層分為兩層：外層疏松多孔，內(nèi)層致密，耐蝕性主要受內(nèi)銹層的影響［2-3］。其保護性機理雖然并不完全明確，但可能與銹層更好的屏蔽效應［3-4］和離子選擇性［5-6］有關(guān)，可以阻擋有害元素向內(nèi)擴散［7］；而碳鋼表面的銹層疏松，對基體不能起到保護作用［8-9］。

Okada等人研究了耐候鋼大氣暴露數(shù)年后生成的銹層，認為內(nèi)銹層主要為致密的非晶質(zhì)，存在Cu 和P的富集［3］。Misawa研究了在工業(yè)大氣中暴露26年的耐候鋼，發(fā)現(xiàn)內(nèi)銹層主要為非晶物質(zhì)，它是一種鐵的氫氧化合物 FeOx（OH）3-2x，并有Cu、P、Cr的富集，以及少量的α-FeOOH［10-11］。

Yamashita等人研究了經(jīng)長期暴露的（0.5～26年）耐候鋼上形成的銹層，發(fā)現(xiàn)銹層分為內(nèi)外兩層，表面銹層疏松，內(nèi)層組織致密；通過拉曼光譜觀察，發(fā)現(xiàn)外層主要是γ-FeOOH，而內(nèi)層主要為納米顆粒的α-FeOOH和部分被Cr置換成的α-（Fe1-xCrx）OOH［2，12］。這種銹層穩(wěn)定性好且組織細小致密，除了可以有效地隔離腐蝕介質(zhì)與鋼基體的接觸，阻止水和酸根離子的侵入外，同時因為其具有極高的阻抗，極大地減緩了腐蝕陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的電子遷移，從而降低了電化學反應的速度，抑制了內(nèi)部鋼材的腐蝕［13］。

Asami和 Kikuchi等對在海洋工業(yè)大氣中曝露17年的碳鋼與耐候鋼表面銹層進行分析，發(fā)現(xiàn)Cu、Cr、Si元素在內(nèi)層富集，而P、Ni在整個銹層中平均分布［14］，無論碳鋼或耐候鋼，α-FeOOH都是主要組成物，在整個銹層中幾乎是均勻分布的，而在耐候鋼中的濃度更高一些，非晶物質(zhì)都是在銹層的最底部。

Dillmann等分析了古建筑上形成的鐵銹，沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)銹層中存在非晶物質(zhì)［15］，認為非晶物質(zhì)經(jīng)過長期轉(zhuǎn)變，變?yōu)棣?FeOOH的納米晶顆粒，Yamashita的研究也支持這種解釋［16］。

2　　大氣環(huán)境對耐候鋼耐蝕性能的影響

在鄉(xiāng)村大氣環(huán)境，耐候鋼的腐蝕速度通常是很低的，形成保護性的、外觀良好的銹層需要較長的時間。在城鎮(zhèn)大氣環(huán)境，當SO2的沉降量小于90 mg/（m2·d），耐候鋼穩(wěn)定階段的腐蝕速率較低（2～6 μm/a），略高于鄉(xiāng)村大氣環(huán)境，而普通碳鋼在這種環(huán)境中的腐蝕速率則顯著提高［17］。在工業(yè)大氣中，當SO2的沉降量大于90 mg/（m2·d）時，耐候鋼的腐蝕速率明顯提高，雖然其腐蝕產(chǎn)物的表面仍能呈現(xiàn)漂亮的外觀，但并不具有好的保護性。此條件下耐候鋼的腐蝕速率仍然低于普通碳鋼［17］。

在海洋大氣特別是靠近海岸線的環(huán)境中，包括靠近內(nèi)陸鹽湖的地方，傳統(tǒng)耐候鋼表面無法形成保護性的銹層，腐蝕速率較高［18］。關(guān)于鹽度對腐蝕速率的影響，在日本對41座橋梁的長期曝露試驗結(jié)果進行了分析，當空氣中攜帶的NaCl的沉降量小于0.05 mg/（dm2·d）時，傳統(tǒng)耐候鋼的腐蝕速率小于6 μm/a，可以裸鋼狀態(tài)使用［19］。英國鋼鐵研究協(xié)會得出了相似的結(jié)論，傳統(tǒng)耐候鋼不應在距離海岸線2 km范圍之內(nèi)使用［20］。

在長期濕潤的環(huán)境中，如浸泡在水中、埋藏在土壤中或在潮濕隧道中，耐候鋼的腐蝕速率很高［21］，始終處于潮濕狀態(tài)時不能形成保護性銹層，干濕交替是形成保護性銹層的必要條件［12］。在干濕交替的適宜環(huán)境中形成的具有保護性的銹層，α-FeOOH占比達80%，潮濕環(huán)境中γ-Fe2O3占有較高比例，在含氯離子環(huán)境中形成了β-FeOOH［22］。在濃度不同的NaCl溶液中進行干溫交替加速試驗結(jié)果也表明，Cl-濃度對耐候鋼的腐蝕速率及銹層結(jié)構(gòu)都有明顯影響，在Cl-濃度低的溶液中趨于形成γ-FeOOH，而在Cl-濃度高的溶液中形成了β-FeOOH［23］。

日本在20世紀60年代開始使用耐候鋼時，曾遇到穩(wěn)定銹層不易形成等問題，當時大氣中SO2含量是現(xiàn)在的數(shù)倍［24］。根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的2013年空氣質(zhì)量報告，京津冀地區(qū)大氣中SO2含量較高，與日本60年代末期和70年代初期接近，對耐候鋼形成穩(wěn)定銹層可能是不利的。

3　　耐候鋼的銹層穩(wěn)定化處理技術(shù)

耐候鋼雖然具有較好的耐大氣腐蝕性能，但在自然環(huán)境中形成致密的穩(wěn)定銹層需要相當長的時間。在形成穩(wěn)定化銹層之前，常常出現(xiàn)銹液流掛與飛散等現(xiàn)象，污染周圍環(huán)境。為解決上述問題，促進穩(wěn)定化銹層的快速形成，提出耐候鋼表面穩(wěn)定化處理技術(shù)。

有的研究表明穩(wěn)定化并不是“促進”，即不能加速穩(wěn)定銹層的形成，在不能使裸鋼形成穩(wěn)定化銹層的環(huán)境中，即使進行穩(wěn)定化處理也不能實現(xiàn)穩(wěn)定化［24］；有的研究結(jié)果表明，穩(wěn)定化處理可以縮短穩(wěn)定銹層形成的時間，且可以擴大耐候鋼的適用環(huán)境，使其在高鹽、高濕環(huán)境中形成穩(wěn)定銹層［22］。較成熟的銹層穩(wěn)定化處理技術(shù)有：日本磷化處理公司開發(fā)的耐候涂層法［25］；日本川崎制鐵公司的RS涂層［26］；日本NKK公司的CUPTEN涂層［27-29］等。

目前國內(nèi)在耐候鋼表面穩(wěn)定化處理方面開展了一些工作［30-31］，但尚未開發(fā)出成熟的廣泛應用于耐候鋼構(gòu)件表面銹層穩(wěn)定化處理的技術(shù)。

4　耐候鋼在輸電鐵塔上的應用及存在的問題

耐候鋼第一次用于輸電鐵塔是在20世紀60年代，在美國的Indiana州的Gary市進行了試驗性應用，而后在Virginia州8 000座輸電鐵塔采用耐候鋼制作［32］。

在日本，20世紀60年代后期，為研究耐候鋼銹層的穩(wěn)定化，建立了幾個試驗鐵塔；1975年，為研究裸露耐候鋼在輸電鐵塔上的適用性，在兵庫縣建設(shè)了3座鐵塔；1980年使用耐候鋼建成超高壓鋼管試驗塔。試驗及研究結(jié)果表明，耐候鋼使用初期存在鐵銹的污損，接合部件腐蝕較快，但銹層仍可以實現(xiàn)穩(wěn)定化，鋼管構(gòu)件10年間的最大腐蝕量是0.07 mm。但在日本，耐候鋼在輸電線路的實際應用卻進展不大，在1987年之前，日本每年只有數(shù)百噸耐候鋼用于制造輸電鐵塔，之后雖然增加到數(shù)千噸，但只占該國耐候鋼使用量的1%［24］。

國內(nèi)某鋼鐵公司研制的熱軋耐候鋼板JT345，已制作航標燈塔和輸電鐵塔40多座，鋼板力學性能穩(wěn)定，焊接、加工和耐蝕性能良好［33］。以廈門220 kV梧侶—內(nèi)官輸電線路工程為依托，鐵塔主材選用與Q420強度相當?shù)腝450NQR1高強度耐候鋼，開展了耐候冷彎角鋼輸電鐵塔的試點應用工作［34］，其長期耐蝕性能仍需要時間的檢驗。

在角鋼塔開始使用耐候鋼的一段時間內(nèi)，遇到了兩個與腐蝕有關(guān)的問題：一是塔腳被植被覆蓋，腐蝕速率較高；二是節(jié)點處腐蝕速率高。其中螺栓連接處的腐蝕是耐候鋼應用于輸電鐵塔面臨的最大難題，腐蝕產(chǎn)物還使螺栓連接處變形［35］。由美國多家電力公司聯(lián)合，開展了節(jié)點腐蝕問題和耐腐蝕方法研究。研究結(jié)果包括［36］：1）節(jié)點處腐蝕與濕度、工業(yè)污染、水分有關(guān)，腐蝕速率隨時間逐漸降低，耐候鋼鐵塔明顯裸露處3～4年后腐蝕速率穩(wěn)定，而螺栓連接的節(jié)點處需要15～20年腐蝕速率才趨于穩(wěn)定；2）節(jié)點處的變形仍能保證整體強度；3）采用密封和滲透方法可提高節(jié)點的耐蝕性，環(huán)氧基滲透劑+厚漿型環(huán)氧乳膠漆、磺酸鈣油滲透劑+磺酸鈣蠟涂層體系具有較好的施工性和耐蝕性，但其壽命是有限的，仍需要周期性地進行維護。將耐候鋼應用于輸電線路角鋼塔和鋼管結(jié)構(gòu)仍是有前景的，但是要考慮到以下幾個方面：設(shè)計時應考慮節(jié)點處防潮措施，如邊距、節(jié)距和部件的布置方向；清理地面植被；直接嵌入式地基應刷涂料，防止土壤中水分對基礎(chǔ)的腐蝕［36］。日本的研究得出相似的結(jié)論［37］。Knotkova等研究了輸電鐵塔用耐候鋼節(jié)點接頭處的縫隙腐蝕，并提出了對縫隙腐蝕處進行維護的方法［38］。

5　　結(jié)語

海洋大氣環(huán)境中的氯鹽沉積、高濕環(huán)境及長時間濕潤、高SO2含量對耐候鋼形成保護性的銹層是不利的。在這些環(huán)境中不宜盲目進行耐候鋼裸鋼的推廣使用。耐候鋼的銹層穩(wěn)定化處理有利于耐候鋼形成穩(wěn)定化銹層，有利于耐候鋼裸鋼的推廣應用。耐候鋼應用于輸電鐵塔具有較好的前景，目前應用中最大的問題是螺栓連接處的縫隙腐蝕。

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Application and Existing Problems of Weathering Steels to Transmission Towers

YUE Zengwu1，ZHAI Jiqing2，LIU Yanhua2，LI Xin’geng1
（1.Shandong Electric Power Industry Boiler&Pressure Vessel Inspection Center Co.，Ltd.，Jinan 250003，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

The weathering steel has enhanced corrosion resistance for a dense and well-adhering corrosion product layer forms on the surface.The application of weathering steels to transmission towers is an important development direction of corrosion protection.Weathering steels have been applied successfully abroad for decades in transmission towers，but in China，largescale application of weathering steels to transmission towers has not been achieved.The corrosion resistance mechanism and rust stabilizing techniques are reviewed，and several problems demanding prompt solution are proposed.

transmission steel tower；weathering steel；corrosion；rusty scale

TG174

A

1007-9904（2016）06-0010-04

國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院技術(shù)革新項目（KY2015-42）

2016-03-09

岳增武（1969），男，博士，高級工程師，從事輸變電設(shè)備腐蝕防護技術(shù)研究。