海南電網(wǎng)變電站金屬架構(gòu)防護(hù)涂層的使用情況

楊大寧，趙書彥，符傳福，劉福春，陳林聰，韓恩厚

（1.海南電力技術(shù)研究院，?？?70100；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所核用結(jié)構(gòu)材料與安全性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110016）

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海南電網(wǎng)變電站金屬架構(gòu)防護(hù)涂層的使用情況

楊大寧1，趙書彥2，符傳福1，劉福春2，陳林聰1，韓恩厚2

（1.海南電力技術(shù)研究院，?？?70100；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所核用結(jié)構(gòu)材料與安全性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110016）

摘 要：對(duì)海南省17個(gè)城區(qū)33所變電站內(nèi)設(shè)施腐蝕的情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，調(diào)研在海南高溫、高濕、高鹽條件下，變電站設(shè)施金屬腐蝕及防護(hù)涂層失效的原因，并歸納了現(xiàn)有涂層存在的缺陷，以期為研究適合海南環(huán)境中的新型防腐蝕涂料提供依據(jù)。結(jié)果表明：不同氣候環(huán)境中變電站設(shè)施腐蝕程度不同，現(xiàn)用防腐蝕涂層的腐蝕類型有全面腐蝕和局部腐蝕。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)涂層失效；變電站；鋼架構(gòu)；腐蝕；特殊環(huán)境

在電力系統(tǒng)中，區(qū)域性變電站不僅是變換電壓、分配電能、控制電力流向以及調(diào)整電壓的電力設(shè)施，它還是電網(wǎng)中聯(lián)系各級(jí)電壓的重要節(jié)點(diǎn)。變電站站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和可靠性，直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。相關(guān)調(diào)研表明［1］，我國(guó)的電力系統(tǒng)經(jīng)常遭遇各種極端自然災(zāi)害的破壞，其中影響較大的有臺(tái)風(fēng)、雷電、污穢、冰災(zāi)等，這些自然災(zāi)害不僅引發(fā)電網(wǎng)設(shè)備的故障，并且電網(wǎng)設(shè)備長(zhǎng)期在這種環(huán)境中極易發(fā)生腐蝕，引起金屬架構(gòu)材料的失效，金屬構(gòu)件腐蝕會(huì)降低設(shè)備的可靠性，產(chǎn)生安全隱患。實(shí)踐表明，有多起變電站故障與腐蝕有關(guān)，比如西海灘變電站和潭門變電站變壓器散熱器因腐蝕穿孔漏油，不得不停電更換；部分變電站端子箱因腐蝕銹蝕脫落造成密封不嚴(yán)致使箱內(nèi)潮濕，易引起設(shè)備誤動(dòng)；戶外刀閘傳動(dòng)桿和齒輪盤等部件的銹蝕造成操作機(jī)構(gòu)卡澀、合閘不到位等等。

海南省年平均氣溫在25℃左右，平均相對(duì)濕度大于85%［2］，年降雨量1 639 mm，空氣含鹽酸雨總量為370～450 mm［3］，具有代表性的“高溫、高濕、高鹽”大氣腐蝕環(huán)境。在這種環(huán)境中，保證電網(wǎng)金屬架構(gòu)的安全運(yùn)行十分重要。

目前針對(duì)大氣環(huán)境中的電網(wǎng)設(shè)備腐蝕的研究很多［4-11］。正常情況下，處于大氣腐蝕環(huán)境中的設(shè)備，發(fā)生腐蝕多與運(yùn)行年限長(zhǎng)短相關(guān)，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)腐蝕越嚴(yán)重。但在大量的變電站檢查中發(fā)現(xiàn)，很多設(shè)備構(gòu)件在較短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。本工作主要針對(duì)海南“高溫、高濕、高鹽”環(huán)境中具有代表性的變電站中的現(xiàn)有防護(hù)涂層進(jìn)行調(diào)查，從中發(fā)現(xiàn)并解決金屬腐蝕問題。

1 各變電站的基本信息

調(diào)研了33個(gè)具有代表性的變電站，分布于海南的各個(gè)市區(qū)，以?？跒槠瘘c(diǎn)沿著海南東線、西線和中線三線開展。海南東線指的是文昌、瓊海、萬(wàn)寧、陵水一帶，這里陽(yáng)光充足、雨水豐富；海南西線是指樂東、東方、昌江、儋州、臨高，這里自然條件比較惡劣；海南中線是以五指山市為中心，包括保亭、瓊中、屯昌等縣，海拔相對(duì)較高。表1是根據(jù)相關(guān)氣象資料查到的變電站的部分信息。33座變電站中220 k V變電站4座，110 k V變電站18座，35 k V變電站11座。根據(jù)GB/T 19292-2004《金屬和合金的腐蝕》，結(jié)合變電站金屬材料腐蝕的特性及現(xiàn)場(chǎng)具體情況，將所有變電站及其設(shè)備、材料的腐蝕情況分為沒有腐蝕、輕微腐蝕、較重腐蝕和嚴(yán)重腐蝕4個(gè)等級(jí)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，33座變電站中遭受嚴(yán)重腐蝕的變電站有3座、較重腐蝕的有10座、輕微腐蝕的20座，多座變電站近期做過防腐蝕處理，整體腐蝕現(xiàn)象不是很嚴(yán)重。

2 分析表征方法

涂層的厚度依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13452.2-2008，采用美國(guó)DeFelsko公司Positector6000系列測(cè)厚儀測(cè)試。涂層的光澤依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9754-2007，采用德國(guó)BYK-Cardner公司微型60°光澤儀測(cè)試。涂層微觀形貌采用ESEM（ESEM XL30 FEG）環(huán)境掃描電鏡，同時(shí)采用ESEM所攜帶的附件EDS來分析涂層中元素的種類、含量。腐蝕產(chǎn)物XRD成分分析采用DMAX/2400 X射線衍射儀（Rigaku Denki）。

3 結(jié)果與討論

3.1 現(xiàn)場(chǎng)涂層情況

表1　各變電站年均降雨量、平均溫濕度及腐蝕程度Tab.1 The average annual rainfall，average temperature and humidity，corrosion level of substations

圖1　涂層和玻璃纖維布復(fù)合防腐蝕方法Fig.1 Resin and fiberglass cloth combinated anti-corrosion method

圖2為玉州站、興隆站、官塘站、新北站4座變電站現(xiàn)場(chǎng)涂層表面缺陷形貌?？梢钥闯觯繉虞^薄且無(wú)法覆蓋基體，使基體很容易發(fā)生腐蝕，見圖2（a）；涂層有橘皮現(xiàn)象，見圖2（b）；涂層有針孔，見圖2（c）；涂層表面不均一、產(chǎn)生花似開裂形貌，見圖2（d）。產(chǎn)生涂層缺陷的原因很多，如施工人員的施工質(zhì)量、環(huán)境因素、噴槍距離、噴涂壓力等因素。測(cè)試發(fā)現(xiàn)涂層的厚度為20～400μm，厚度不均勻，施工質(zhì)量相對(duì)較差。應(yīng)該嚴(yán)格按照廠家的施工工藝進(jìn)行施工，避免涂層因施工造成的涂層缺陷，引發(fā)基體的腐蝕問題。

圖2　4座變電站現(xiàn)場(chǎng)涂層缺陷形貌Fig.2 Morphology of coating defects in 4 substation：（a）Yuzhou substation；（b）Xinglong substation；（c）Guantang substation；（d）Xinbei substation

多座變電站中涂層存在與基體附著力差的問題，這些基體材料主要為鍍鋅鋼、鋁合金和不銹鋼等。這些涂層幾乎都是近期施工的，但是涂層脫落比較嚴(yán)重，見圖3。造成涂層脫落的主要原因是基體前處理不當(dāng)或者是涂層選擇不當(dāng)。

圖3　涂層脫落情況Fig.3 Coating exfoliating

圖4　4種代表性涂層的截面形貌Fig.4 Cross morphology of 4 kinds of typical coatings：（a）single-coating；（b）double-coating；（c）triple-coating；（d）multi-coating

圖4為現(xiàn)場(chǎng)采集的四種具有代表性的涂層的截面形貌。采用EDS方法用全譜和點(diǎn)測(cè)試，測(cè)得涂層中元素的種類，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)同時(shí)結(jié)合顏填料的形貌推測(cè)涂層中可能含有的主要顏填料，見表2。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況

本次調(diào)研通過對(duì)海南33個(gè)現(xiàn)運(yùn)行變電站涂層進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，基本符合金屬構(gòu)件常見的腐蝕形式［6，12-16］，即涂層剝落引起的基體全面腐蝕和局部腐蝕（包括縫隙腐蝕和焊縫腐蝕）。

表2　現(xiàn)場(chǎng)4種涂層的厚度和EDS分析結(jié)果Tab.2 Thickness and EDS analysis of 4 kinds of active coatings

3.2.1全面腐蝕

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，各變電站構(gòu)架防腐蝕措施大都采用有機(jī)涂料。各變電站構(gòu)架最普遍的腐蝕破壞方式是有機(jī)涂層開裂，與鋼構(gòu)架基體脫離，使得暴露在空氣中的基體發(fā)生全面腐蝕。其中海口的和東線城市變電站的腐蝕情況較為嚴(yán)重，這是因?yàn)檫@些城區(qū)年均降雨量較多。腐蝕最嚴(yán)重的是海口西海灘220 k V變電站，該變電站1號(hào)主變中性點(diǎn)刀閘保護(hù)層大面積開裂、剝落，斷裂面成撕裂狀，腐蝕產(chǎn)物呈紅褐色，且顏色比較鮮艷，見圖5（a），說明腐蝕產(chǎn)物生成不久，構(gòu)件正處于腐蝕過程中；其次為文昌東路變電站，其腐蝕產(chǎn)物相對(duì)較暗，見圖5（b），說明腐蝕產(chǎn)物生成時(shí)間比較長(zhǎng)。上述變電站中基體都是鋼結(jié)構(gòu)，還有部分為鍍鋅鋼的架構(gòu)。構(gòu)件涂層出現(xiàn)開裂脫落現(xiàn)象后，局部涂層與鍍鋅鋼構(gòu)件脫開，使得鍍鋅鋼基體直接暴露在大氣環(huán)境中而發(fā)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物為鋅的腐蝕產(chǎn)物“白銹”，說明腐蝕產(chǎn)物在空氣中暴露時(shí)間較長(zhǎng)。

圖5　由涂層開裂剝落引起的腐蝕Fig.5 Corrosion caused by coating cracking and exfoliating：（a）Xihaitan substation；（b）Donglu substation

造成涂層開裂、剝落的原因是涂層與基體的附著力差，分析是涂層涂裝前基體處理方法不當(dāng)或處理不徹底、舊涂層老化等所致。為了避免這種腐蝕的發(fā)生，施工前基體處理應(yīng)盡量徹底，遵循“早發(fā)現(xiàn)、早處理、早修補(bǔ)”的原則，避免腐蝕的擴(kuò)大化。

結(jié)合中英建筑工程管理專業(yè)培養(yǎng)方案比較研究的結(jié)果來看，我國(guó)建筑工程管理專業(yè)教育在許多方面仍舊存在一定的不足，對(duì)此，可以從以下幾個(gè)方面入手做出改革：

涂層在太陽(yáng)光照射下容易產(chǎn)生粉化，原因是涂層中有機(jī)成分老化降解，顏料從涂層中慢慢析出，表現(xiàn)為涂層表面有粉末狀物質(zhì)析出，用手輕輕擦拭，掉下白色粉末，見圖6。海南省平均日照時(shí)間長(zhǎng)，溫度高，涂層很容易產(chǎn)生粉化現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)涂層的光澤測(cè)試顯示，涂層的光澤在1～40之間，屬于低光涂層，老化后涂層光澤在1～10之間，用手擦拭，掉下很多白色粉末，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1766-2008《色漆和清漆涂層老化評(píng)級(jí)方法》評(píng)級(jí)屬于嚴(yán)重粉化等級(jí)。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層部分脫落，基體開始被腐蝕，表現(xiàn)為涂層起皮或脫落，部分構(gòu)件保護(hù)層發(fā)生點(diǎn)蝕。腐蝕是由太陽(yáng)光照射、溫度和雨水的反復(fù)作用導(dǎo)致的。

圖6　涂層老化照片F(xiàn)ig.6 Photograph of coating aging

3.2.2縫隙腐蝕

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在金屬表面與墊片、墊圈、襯板、表面沉積物等接觸的地方以及搭接縫、金屬重疊處等區(qū)域，涂層沒有覆蓋，通常發(fā)生縫隙腐蝕［17-21］。一般認(rèn)為縫隙腐蝕是由于縫隙內(nèi)外氧濃度差引起的，由于縫隙內(nèi)部貧氧，氧的還原反應(yīng)主要在縫隙外部的金屬表面上進(jìn)行，縫隙內(nèi)部金屬溶解產(chǎn)生了過多的正離子（Mn+），為了維持電離子平衡，雨水中Cl-等有害離子從外部遷入縫內(nèi)，從而加速了金屬的溶解速率，形成一個(gè)自催化過程。如圖7（a）兩種基體搭接處，涂層未覆蓋處，容易發(fā)生縫隙腐蝕；而在有涂層的情況下，如圖7（b），因?yàn)楹Ｄ鲜∪暧炅控S富，雨水在縫隙中存留的時(shí)間較長(zhǎng)，如果涂層的抗水滲透性能差，也容易發(fā)生縫隙腐蝕，縫隙腐蝕現(xiàn)象在每個(gè)變電站內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)，只是腐蝕程度不同。

防止縫隙腐蝕的措施主要有：選擇耐縫隙腐蝕的材料；進(jìn)行合理的防蝕設(shè)計(jì)；采用電化學(xué)保護(hù)方法和添加緩蝕劑。

3.2.3焊縫腐蝕

變電站在建設(shè)過程中離不開焊接技術(shù)，焊接過程中產(chǎn)生的一系列變化，會(huì)影響焊接件的腐蝕特性。焊接過程中由于熔化而導(dǎo)致焊縫切面上金屬成分和顯微結(jié)構(gòu)的微小差別，引起這些不同區(qū)域之間電化學(xué)電位產(chǎn)生差異，從而使得惰性最小的元素優(yōu)先溶解，所以焊縫處的腐蝕問題也比較突出，焊縫腐蝕現(xiàn)象廣泛存在。焊縫部位因?yàn)楹附咏M織的變化涂層在此處的附著強(qiáng)度降低，涂層的剝落引起基體的腐蝕，腐蝕也會(huì)加速涂層的開裂和剝落，且腐蝕速率比別的部位快［22-24］。

圖7　涂層在縫隙處的腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphology in crevice without（a）and with（b）coating

3.3 變電站金屬構(gòu)架腐蝕機(jī)理

本次調(diào)查的各變電站基本都處于位置較為偏僻的郊區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，且所處城市基本沒有較大的大氣污染源，故工業(yè)氣體對(duì)構(gòu)架腐蝕的影響較小，構(gòu)架的腐蝕主要與變電站所處地區(qū)的地理氣候環(huán)境有關(guān)。鋼架構(gòu)和鍍鋅鋼構(gòu)架暴露在大氣中，在空氣中水蒸氣及O2的作用下發(fā)生腐蝕，最終的腐蝕產(chǎn)物為鐵銹（Fe2O3·H2O）。在干燥空氣中，鋅鍍層具有良好的保護(hù)性能，但在沿海等潮濕環(huán)境中，鋅表面會(huì)生成一層氫氧化鋅，在二氧化碳作用下生成堿式碳酸鋅，俗稱＂白銹＂。海南平均相對(duì)濕度大于85%，在這種的環(huán)境中，變電站內(nèi)設(shè)備很容易發(fā)生腐蝕。

腐蝕的實(shí)質(zhì)是基體表面與所處環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用的結(jié)果。鋼構(gòu)支架中鋅和鐵作為陽(yáng)極溶解，陽(yáng)極反應(yīng)如下：

在水、大氣和土壤中都會(huì)發(fā)生吸氧腐蝕，并且無(wú)論酸、堿還是中性介質(zhì)中也都會(huì)有吸氧腐蝕，陰極反應(yīng)如下：

堿性、中性條件下：

酸性條件下：

陽(yáng)極區(qū)反應(yīng)產(chǎn)物的金屬離子和陰極區(qū)生成的OH-，將在與金屬表面緊密鄰接的電解液膜層中相互作用，生成的腐蝕產(chǎn)物易附著于金屬表面，成為具有一定保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物層。在大氣腐蝕條件下，腐蝕產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜。銹層的組成一般分為內(nèi)、外兩層，外層是容易脫落的疏松附著層；內(nèi)層則附著牢固，結(jié)構(gòu)比較致密。兩層的成分差別不大，但內(nèi)層的保護(hù)性能較好，即銹層內(nèi)發(fā)生Fe3+→Fe2+的還原反應(yīng)。而當(dāng)銹層干燥時(shí)，銹層中的Fe3O4又被由大氣滲入銹層的氧重新氧化為Fe2O3。

從現(xiàn)場(chǎng)采集了幾個(gè)變電站基體的銹蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物外觀為發(fā)黑的氧化物，用研缽將產(chǎn)物研成粉末，如圖8，粉末經(jīng)X射線衍射分析（XRD）得知產(chǎn)物均為自然生成的Fe3O4，說明不同變電站取樣測(cè)試后的成分相同，只是強(qiáng)度不同，PDF卡片的卡號(hào)為75～1607。

圖8　銹蝕產(chǎn)物的XRD分析譜圖Fig.8 XRD patterns of corrosion products

4 結(jié)論

（1）對(duì)17個(gè)地區(qū)共計(jì)33個(gè)變電站的防護(hù)涂層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，發(fā)現(xiàn)?？诤蜄|線的文昌、瓊海、萬(wàn)寧、陵水的變電站發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕，西線和其他東線的變電站腐蝕比較輕微，腐蝕形式都是比較常見的涂層脫落腐蝕、縫隙腐蝕、焊縫腐蝕等。

（2）現(xiàn)場(chǎng)涂層有很多缺陷，施工人員必須嚴(yán)格按照嚴(yán)格的施工工藝、規(guī)范操作。

（3）現(xiàn)場(chǎng)采集的涂層樣品做SEM測(cè)試可知，涂層有單涂層、雙涂層、三涂層、多涂層多種形式，厚度范圍大，EDS能譜分析顯示所用涂層中含有顏填料二氧化鈦TiO2，重鈣CaCO3、高嶺土Al2O3·2SiO2· 2H2O、滑石粉3MgO·4SiO2·H2O、Al漿、Zn粉、氧化鐵紅Fe2O3、磷酸鋅Zn3（PO4）2·（2～4）H2O等成分。

（4）XRD測(cè)試可知，雖然各個(gè)地區(qū)環(huán)境略有不同，但變電站基體的銹蝕產(chǎn)物成分相同，均為大氣腐蝕產(chǎn)物Fe3O4。

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應(yīng)用技術(shù)

失效分析

Service Conditions of Protective Coatings of Grid Substations in Hainan Province

YANG Da-ning1，ZHAO Shu-yan2，F(xiàn)U Chuan-fu1，LIU Fu-chun2，CHEN Lin-cong1，HAN En-hou2
（1.Hainan Electric Power Research Institute，Haikou 570100，China；2.Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment，Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

Abstract：The corrosion phenomena of 33 substation facilities within 17 cities in Hainan province were analyzed，the failure reasons of coatings and metals in substations in high temperature，high humidity and high salt conditions in Hainan were investigated，and the problems existing in the coatings were summarized.It is found that the levels of corrosion were different in different substations.The corrosion types of the coatings include general corrosion and localized corrosion.The purpose of this research was to provide a basis for the study of new anti-corrosion coatings in Hainan environments.

Key words：power coating failure；grid substation；steel structure；corrosion；special environment

通信作者：劉福春（1966-），研究員，博士，從事納米復(fù)合涂料和防腐蝕涂層，15371861880，fcliu@imr.ac.cn

基金項(xiàng)目：中國(guó)南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（K-HN2013-001）

收稿日期：2015-03-24

DOI：10.11973/fsyfh-201603014

中圖分類號(hào)：TG172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1005-748X（2016）03-0249-06