輸電線路桿塔智能腐蝕監(jiān)測儀的研制與應(yīng)用

史天如，胡丹暉，朱昌成，王 冠

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430077）

輸電線路桿塔智能腐蝕監(jiān)測儀的研制與應(yīng)用

史天如1，胡丹暉1，朱昌成1，王 冠2

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北華中電力科技開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430077）

研制并應(yīng)用了基于電偶探針的腐蝕監(jiān)測儀，儀器采用構(gòu)建模擬放大、時鐘、閃存、AD轉(zhuǎn)換器等外圍電路，將傳感器采樣信號變?yōu)楦g信息數(shù)據(jù)并實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線遠(yuǎn)程傳輸。同時，通過戶外大氣環(huán)境監(jiān)測及實驗室條件監(jiān)測，分析了腐蝕電流值的大小及環(huán)境污染物對臨界濕度的影響。

輸電線路；電偶探針；腐蝕監(jiān)測

0 引言

大氣環(huán)境下，有機(jī)涂層的老化和材料的腐蝕是輸電線路桿塔設(shè)備失效的主要破壞形式。為預(yù)測和評估材料在某一環(huán)境的腐蝕發(fā)展，對環(huán)境腐蝕等級進(jìn)行分級分類是對材料服役壽命進(jìn)行預(yù)測的有效途徑之一，傳統(tǒng)開展腐蝕等級評估的主要方法有標(biāo)準(zhǔn)金屬材料（碳鋼、銅、鋁、鋅）的腐蝕失重法、影響腐蝕的環(huán)境因素評估方法[1]等。這些方法數(shù)據(jù)獲取時間長且獲得比較困難，因此，開展實時在線大氣腐蝕性監(jiān)測與評估，對了解大氣腐蝕性及材料的腐蝕程度具有實用意義。

材料的腐蝕破壞是一種自發(fā)的電化學(xué)過程，通過監(jiān)測材料腐蝕產(chǎn)生的微電流，可以有效了解腐蝕過程信息。20世紀(jì)50年代后期，Tomashov[2]首先將電偶電池引入大氣腐蝕研究中，后經(jīng)Sereda、Kucera及Mansfeld等[3-4]的不斷改進(jìn)，利用電偶腐蝕原理的電化學(xué)電池已成為大氣腐蝕研究的重要方法。本文采用常用的金屬材料組成電偶對來制作雙電極傳感器，通過監(jiān)測流過外電路中的電流來評估大氣腐蝕性。

1 儀器及測量探頭研制

1.1 儀器研制

圖1 ACM儀原理圖Fig.1 Principle diagram of ACM instrument

本文基于零電阻電路（ZRA）原理[5]，采用具有明顯腐蝕電位差的異種金屬材料構(gòu)成電偶對，制備雙電極傳感器，通過儀器測量電偶傳感器在腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生的電偶電流。根據(jù)法拉第定律，電流與金屬材料的腐蝕之間存在定量關(guān)系，從而判斷大氣的腐蝕等級。電路包括電源、伏特計、運(yùn)算放大器、電阻等，其電路原理圖見圖1。該ACM儀主要是由數(shù)字電路和模擬電路兩部分組成：數(shù)字電路包括單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、時鐘電路、液晶顯示器、邏緝開關(guān)等組成；模擬電路主要有電流檢測電路和信號放大電路組成。儀器以單片機(jī)為核心，以EPROM為數(shù)據(jù)存儲器，可在無人看管下連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，高輸入阻抗的運(yùn)算放大器構(gòu)成了零電阻電流計，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并由電子開關(guān)自動選取量程。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，采樣運(yùn)算結(jié)果在顯示器上顯示，并寫入數(shù)據(jù)存儲器。外部時鐘可記錄開始工作時間，并控制采樣頻率。數(shù)據(jù)采集完畢后可通過RS232口與計算機(jī)進(jìn)行通信，把數(shù)據(jù)傳到計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(如圖2所示)，圖3為ACM儀樣機(jī)。

圖2 ACM儀線路及工作原理圖Fig.2 Circuit and working principle diagram of ACM instrument

圖3 ACM儀樣機(jī)Fig.3 ACM prototype

1.2 雙電極傳感器(探頭)的研制

雙電極傳感器采用銅片和鋅片、銅片和鋼片、銅絲和鋅絲制備而成，其銅片（絲）一端焊接連通、鋼片或鋅片（絲）一端焊接連通，且采用環(huán)氧樹脂封閉，表面經(jīng)水磨砂紙打磨至600號，表面平整光滑，傳感器采用的電極有鋅銅電極、鋅鋼電極、鋅銅表面噴涂涂層電極，制備不同間距的傳感器探頭，其中片狀電極間的絕緣距離通過隔膜間的絕緣層厚度，絲狀電極間的絕緣距離依靠銅絲表面的絕緣漆膜來控制。片狀電極尺寸及示意圖見圖4，絲狀電極的示意圖見圖5。

圖4 片狀電極和絕緣薄膜的形狀及尺寸（單位：mm）Fig.4 Shape and size of sheet electrode and insulating film(Unit:mm)

圖5 絲狀電極傳感器示意圖Fig.5 Sketch of filamentary electrode sensor

雙電極傳感器的兩組電極交替并排，當(dāng)有水膜在電極截面間形成回路時，就可通過測量儀測量兩組電極間發(fā)生的宏觀電偶腐蝕電流，根據(jù)電流值的大小，判定該環(huán)境的腐蝕性。為測試制備的雙電極傳感器靈敏度，將新磨制的電極連接至ACM儀，并將探頭置于相對濕度為80%的人工控制氣氛中，測試不同探頭的電流值，通過電流值的大小比較雙電極傳感器靈敏度，其性能參數(shù)見表1。

表1 雙電極傳感器性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of dual electrode sensors

通過表1可知，鋅鐵雙電極在電極間距為100 μm時靈敏度最佳。

2 戶外大氣環(huán)境監(jiān)測及實驗室條件監(jiān)測

2.1 濕度與電偶腐蝕電流的關(guān)系

采用鋅/鐵（片狀）電極在室溫下，不同濕度條件下進(jìn)行試驗，圖6為絕緣層間距為100 μm的鋅鐵電極傳感器在不同濕度下的穩(wěn)定（電偶腐蝕）電流值。

圖6 電流與濕度關(guān)系圖Fig.6 Diagram of current and humidity

從圖6中可知，電流的對數(shù)值與濕度成線性關(guān)系，經(jīng)過擬合得到穩(wěn)定電流與濕度的關(guān)系式為log（i）=-1.595+0.015 8RH。實際腐蝕過程中，由于腐蝕產(chǎn)物、大氣水溶性沉降物以及塵土在表面積聚都會降低臨界濕度的數(shù)值,而采用ACM技術(shù)正好克服了這些表面狀態(tài)變化所導(dǎo)致的臨界濕度降低的影響作用，真實地反映了曝露全過程中腐蝕產(chǎn)物、水溶性沉降物、鹽類沉降等地影響作用，此外又有ACM的測量結(jié)果和腐蝕發(fā)生時的表面濕度從開始直至整個過程都是完全吻合這一現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，因此可以認(rèn)為根據(jù)ACM電流確定的相對濕度臨界值為60%左右是比較合理的。

2.2 大氣環(huán)境下的測量

研制的儀器安置于武漢工業(yè)大氣環(huán)境條件下進(jìn)行試驗，將傳感器固定于戶外曝露試驗架上（見圖7），儀器連續(xù)采集數(shù)據(jù)27 d。

圖7 ACM在實際大氣環(huán)境中測量Fig.7 ACM measurements in the actual atmospheric environment

當(dāng)數(shù)據(jù)采集到100%時，采用無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式，將儀器記錄數(shù)據(jù)采集至連接到互聯(lián)網(wǎng)的電腦上，并將設(shè)備存儲數(shù)據(jù)清零，然后將所采集數(shù)據(jù)存儲為文本文件或excel格式文件，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖8為現(xiàn)場采集的電流及濕度圖。

圖8 現(xiàn)場采集電流與濕度圖Fig.8 Collecting current and humidity diagram on the spot

從圖8中可以看出，當(dāng)濕度低于60%RH時，幾乎沒有電流產(chǎn)生。對于該傳感器來說，在戶外條件下，穩(wěn)定腐蝕電流約為1×10-5A。

2.3 由ACM電量劃分的腐蝕等級準(zhǔn)確性初步驗證

為了檢驗根據(jù)ACM技術(shù)劃分方法的可靠性和準(zhǔn)確性，在武漢戶外曝露試驗站進(jìn)行一年ACM儀連續(xù)監(jiān)測（探頭每個月打磨一次），同時進(jìn)行傳統(tǒng)掛片法進(jìn)行失重試驗。試驗后將ACM儀器采集電流按照法拉第定律換算成鐵的腐蝕速率，并與掛片法獲得的腐蝕速率進(jìn)行對照，獲得電量與失重之間的關(guān)聯(lián)性。

從表2中可見，ACM可以測量到的電流，約為腐蝕實際產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移數(shù)的16%，并且在所試驗的時間范圍內(nèi)（一年）偏差很小，因此，可以采用ACM測量電流的方法進(jìn)行大氣腐蝕等級評估。在武漢大氣腐蝕試驗站點，本文所研發(fā)的探頭可以直接通過電量數(shù)據(jù)實時獲取碳鋼的腐蝕速率。

表2 由失重法及ACM電量法所獲得腐蝕速率及其確定的腐蝕因子Tab.2 Corrosion rate and corrosion factors determined by weight-loss method and ACM method

2.4 采用ACM探頭監(jiān)測涂層下腐蝕過程

本文在研制的片狀鋅鐵構(gòu)成的ACM探頭（電極間距為100 μm）表面制備厚度為35～45 μm的環(huán)氧鐵紅涂層，并將探頭浸泡至蒸餾水中，并監(jiān)測探頭的電偶電流變化，擬研究水汽通過涂層滲透至金屬基材，并引起基材腐蝕的過程，試驗結(jié)果見表3。

表3 研制ACM探頭電偶電流與水分子滲透階段對照Tab.3 Comparison of ACM probe galvanic current and water molecular penetration stage

試驗結(jié)果表明，水分子在涂層中的傳輸，可根據(jù)ACM探頭的電偶電流值來評估水氣傳輸所處的階段，進(jìn)而可提出不同種類、不同厚度的屏蔽型防護(hù)涂層的防護(hù)性能，使用壽命，以及維護(hù)周期及維護(hù)時間點。

3 結(jié)語

（1）ACM儀電流范圍1×10-10～1×10-3A，儀器靈敏度1×10-10A，可滿足探頭表面微量電偶電流變化的測量。

（2）雙電極傳感器(探頭)靈敏度高，通過電極間腐蝕的電偶電流變化的測量，了解大氣環(huán)境的濕度及環(huán)境因素的變化。

（3）通過測量分析，ACM儀測量的電偶電流對數(shù)值與濕度成線性關(guān)系，經(jīng)過擬合得到穩(wěn)定電流與濕度的關(guān)系式為log（i）=-1.595+0.015 8RH。在大氣環(huán)境中實測值與環(huán)境腐蝕性具有較好的對應(yīng)關(guān)系，可對大氣腐蝕性進(jìn)行監(jiān)測。

（4）ACM探頭具有電偶腐蝕的高靈敏性，可開發(fā)應(yīng)用于有機(jī)涂層下早期腐蝕的監(jiān)測，相對于其他的監(jiān)測方法，該方法具有簡便直接、準(zhǔn)確真實等優(yōu)點，這方面的應(yīng)用還未見報道。

（References）

[1] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 19292.1—2003金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類[S].北京:中國質(zhì)檢出版社,2014.Standardization Administration of PRC.GB/T 19292.1—2003 Corrosion of metal and alloys—Corrosivity of atmosperes[S].Beijing:China Zhijian Publishing House,2014.

[2] Tomashov N D.Teoriya korrozizashchity metalloy(The Theory of Corrosion and Protection of Metals)[M].Moscow:Akad,Nauk SSSR,1960：158-170.

[3] Kucera V,Mattson E.ASTM STP 558 Corrosion in nature environment[S].1974:7

[4] Mansfeld F,Kenkel J V.Electrochemical monitoring ofatmospheric corrosion phenomena[J].Corrosion science,1976,16(3):111-112.

[5] 楊列太.腐蝕監(jiān)測技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.YANG Lietai.Techniques for corrosion monitoring[M].Beijing:Chemical Industry Press,2012.

Development and Application of Intelligent Corrosion Monitor for Transmission Line Tower

SHI Tianru1,HU Danhui1,ZHU Changcheng1,WANG Guan2
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;Hubei Central China Technology Development of Electric Power Co.Ltd.,Wuhan Hubei 430077,China)

A corrosion monitor based on galvanic probe is developed and applied in this paper,the monitor adopts the peripheral circuits such asthe analog amplifier,clock,flash memory,AD converter and so on,the sensor sampling signal is changed into corrosion information data,and the remote transmission of monitoring data is realized.At the same time,through the outdoor air envi?ronment monitoring and laboratory condition monitoring,the corrosion current value and the influ?ence of environmental pollutants on the critical humidity are analyzed.

transmission line;galvanic probe;corrosion monitoring

TM75

B

1006-3986(2016)12-0005-04

10.19308/j.hep.2016.12.002

2016-11-03

史天如(1984)，女，山西汾陽人，碩士，高級工程師。