環(huán)形混凝土電桿鋼板圈防腐現(xiàn)狀及改進(jìn)措施

樊志彬 ，李文靜 ，王 剛 ，馮 璨，李辛庚

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000）

0 引言

環(huán)形混凝土電桿相比輸電鐵塔及鋼管桿具有壽命長(zhǎng)、施工方便、造價(jià)及運(yùn)行維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)［1］，作為輸電線路的重要組成部分，普遍應(yīng)用于220 kV及以下電壓等級(jí)的輸電線路中［2］。環(huán)形混凝土電桿為了方便生產(chǎn)、安裝、運(yùn)輸，普遍采用多段制造［3］。根據(jù)GB/T 4623—2006《環(huán)形混凝土電桿》要求，電桿分段制造時(shí)，接頭可以采用鋼板圈、法蘭盤(pán)或者其他可靠方式，目前國(guó)內(nèi)普遍采用了鋼板圈焊接方式。作為混凝土電桿的受力重要部位，鋼板圈長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，腐蝕問(wèn)題無(wú)法避免。對(duì)山東多條老舊線路調(diào)查發(fā)現(xiàn)，混凝土電桿的鋼板圈銹蝕問(wèn)題十分嚴(yán)重。針對(duì)鋼板圈防腐現(xiàn)狀存在的問(wèn)題，提出了鋼板圈防腐的新工藝。

1 鋼板圈腐蝕情況

我國(guó)的混凝土電桿有近80年的歷史，在輸配電線路中存量巨大。對(duì)山東聊城、菏澤等地區(qū)多條220 kV、110 kV輸電線路調(diào)查發(fā)現(xiàn)，環(huán)形混凝土電桿的鋼板圈銹蝕嚴(yán)重。這些線路以門(mén)型混凝土電桿為主，投運(yùn)均在20年以上。鋼板圈采用的防腐手段為刷涂防銹紅漆后，使用玻璃纖維布與環(huán)氧密封膠纏繞包裹密封，目前國(guó)內(nèi)混凝土電桿普遍采用這種防腐方法［4］。這是由于鋼板圈為焊接連接，在安裝施工過(guò)程中，焊接受熱膨脹，端部混凝土受到擠壓，鋼板圈冷卻后收縮，因此，在鋼板圈與桿身銜接部位會(huì)有縫隙產(chǎn)生［5-6］。采用包裹防腐手段在初期可有效地封閉銜接部位的縫隙，避免縫隙引起的腐蝕。

在山東地區(qū)調(diào)研的鋼板圈銹蝕狀況如圖1所示。雖然經(jīng)過(guò)多次后期維護(hù)，但歷經(jīng)多年的自然環(huán)境侵蝕，外層玻璃纖維布大多已經(jīng)開(kāi)裂，撕開(kāi)后發(fā)現(xiàn)鋼板圈上已銹跡斑斑，鋼板圈銹蝕減薄明顯，嚴(yán)重威脅了輸電線路的運(yùn)行安全。

圖1 鋼板圈銹蝕情況

2 鋼板圈腐蝕原因分析

鋼板圈的腐蝕分為兩步，如圖2所示。第一步為密封膠老化、開(kāi)裂的過(guò)程。在長(zhǎng)期暴露過(guò)程中，密封膠一直暴露在自然環(huán)境中，光、熱、氧、微生物等都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生老化作用［7-8］，使密封膠成分的化學(xué)式鍵破壞，發(fā)生大分子降解和交聯(lián)鍵斷裂，在應(yīng)力和介質(zhì)的共同作用下，出現(xiàn)銀紋，并最終生長(zhǎng)成裂縫。第二步為鋼板圈的銹蝕。在腐蝕初期，鋼板圈的腐蝕機(jī)理主要是縫隙腐蝕。腐蝕介質(zhì)通過(guò)裂縫滲透到鋼板圈表面后，富氧的腐蝕介質(zhì)均勻的與金屬表面接觸，電化學(xué)腐蝕也比較均勻的發(fā)生在縫隙內(nèi)部，其陰極和陽(yáng)極反應(yīng)分別為［9］

陽(yáng)極反應(yīng)：Fe-2e→Fe2+

陰極反應(yīng)：4e+2H2O+O2→4OH-

圖2 鋼板圈的腐蝕過(guò)程示意

然而，縫隙內(nèi)溶液中的氧只能通過(guò)縫隙擴(kuò)散進(jìn)入，補(bǔ)充十分困難，隨著腐蝕過(guò)程的進(jìn)行，在縫隙腐蝕的孕育期氧氣就消耗殆盡，從而終止了縫隙內(nèi)陰極的還原反應(yīng)。在靠近縫隙處的鋼基體由于靠近外界腐蝕介質(zhì)，氧的補(bǔ)充液較為容易，其氧化還原反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。由此導(dǎo)致了縫隙內(nèi)外形成了氧濃差宏觀電池。貧氧的區(qū)域電位較低，為陽(yáng)極區(qū)；富氧的區(qū)域電位較高，為陰極區(qū)。由于氧濃差電池導(dǎo)致縫隙內(nèi)Fe2+濃度不斷增大，從而吸引腐蝕介質(zhì)中的陰離子（雨水或者沉積物帶來(lái)的氯離子、硫離子等）聚集到縫隙內(nèi)，以保持電荷平衡，造成了腐蝕性離子在縫隙內(nèi)的集中，加劇了腐蝕的發(fā)生，使界面處的金屬溶解加速。生成的腐蝕產(chǎn)物為可溶性的，隨著金屬腐蝕產(chǎn)物水解成不溶的金屬氫氧化物和游離酸，使溶液中pH值下降。

縫隙處高酸性和高濃度腐蝕離子的存在，進(jìn)一步促進(jìn)了陽(yáng)極溶解，陽(yáng)極溶解又會(huì)引入更多的腐蝕離子遷入和進(jìn)一步形成游離酸，如此循環(huán)往復(fù)，形成了一個(gè)閉塞電池自催化過(guò)程，加速了鋼板圈的腐蝕。鋼板圈腐蝕一定時(shí)間后，腐蝕產(chǎn)物疏松、體積膨脹，外層包覆的玻璃纖維布被脹開(kāi)，線路巡檢人員才發(fā)現(xiàn)了鋼板圈腐蝕的發(fā)生。

因此，采用包裹方法對(duì)鋼板圈進(jìn)行保護(hù)，初期可以對(duì)腐蝕介質(zhì)形成很好地屏蔽。但是，耐候性能差的環(huán)氧密封膠極易老化開(kāi)裂，開(kāi)裂后由縫隙腐蝕引起的閉塞電池自催化過(guò)程極大加速了鋼板圈的銹蝕。包裹處理還使鋼板圈在初期腐蝕具有隱蔽性，等到線路巡檢人員發(fā)現(xiàn)外層包裹開(kāi)裂，鋼板圈內(nèi)部已經(jīng)銹蝕十分嚴(yán)重，成為線路安全運(yùn)行的重大隱患。

3 鋼板圈的防腐新措施

由于原防腐方法存在的弊端，新的防腐措施必須放棄包裹處理方法。富鋅涂料以其優(yōu)異的耐蝕性能和良好的陰極保護(hù)效果成為鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)最常用的涂料［10－11］。鋼板圈的防腐建議采用優(yōu)異的富鋅底漆加耐候面漆來(lái)進(jìn)行，富鋅底漆應(yīng)滿足我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3668—2009《富鋅底漆》中的要求。

鋼板圈防腐還存在的問(wèn)題包括：鋼板圈與混凝土電桿銜接的縫隙和鋼板圈上下桿身存在的裂紋。由于鋼板圈與混凝土電桿銜接部位普遍存在縫隙［5-6］，部分鋼板圈直徑略小于混凝土電桿直徑，銜接部位存在臺(tái)階，是腐蝕因子容易聚集和侵入的部位，必須封閉。防腐涂料與混凝土電桿結(jié)合力較差，不能完全封閉鋼板圈與桿身銜接部位的縫隙。環(huán)氧樹(shù)脂以其優(yōu)異的粘結(jié)性能，良好的封閉性能，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板圈銜接部位的封閉。鋼板圈的腐蝕可能會(huì)導(dǎo)致上下桿身產(chǎn)生微裂紋，為了對(duì)鋼板圈上下桿身存在的裂紋封閉，使用防水涂料添加混凝土粘結(jié)劑對(duì)桿身進(jìn)行了封閉。具體的防腐處理工藝如下。

1）除銹。 根據(jù) GB/T 8923—2011《涂裝前鋼材表面銹蝕和除銹等級(jí)》，使用電動(dòng)工具打磨鋼板圈至St2級(jí)以上。

2）刷涂低表面處理涂料。采用對(duì)銹層具有兼容性的低表面處理涂料刷涂?jī)傻?，每道約40 μm，總厚度不低于 80 μm。

3）填縫。使用E44環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰胺固化劑及其他添加劑調(diào)至成膏狀，填補(bǔ)鋼板圈與水泥桿銜接部位的縫隙。這是由于膏狀物具有較好的粘結(jié)力和防流掛性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水、空氣的良好隔絕。

4）刷涂面漆。以耐候性能優(yōu)異的丙烯酸聚氨酯涂料為面漆，刷涂?jī)傻?，保證鋼板圈漆膜總厚度不低于160 μm。面漆應(yīng)覆蓋填縫的部位。

5）桿身封閉。使用混凝土界面處理劑和防水涂料混合調(diào)成漆狀，對(duì)鋼板圈上下30 cm的鋼板圈封閉處理。其中，混凝土界面處理劑可以提高涂料的結(jié)合力，防水涂料可以起到封閉微裂紋以及防水的作用。

鋼板圈防腐處理后如圖3所示，與包裹防腐處理相比，采用新的方法不僅更加美觀，而且在涂層失效第一時(shí)間即可被線路巡檢人員發(fā)現(xiàn)，避免了由于鋼板圈腐蝕引起的輸電線路安全隱患。檢測(cè)表明，低表面處理涂料在鋼板圈上的附著力約8 MPa，中性鹽霧試驗(yàn)1 000 h不出現(xiàn)銹點(diǎn)，防腐效果優(yōu)異。填縫劑密封效果優(yōu)異，與桿身附著力約5 MPa，滿足戶外使用要求。目前，新的防腐措施在山東某輸電線路已運(yùn)行2年，防腐涂層整體完好，無(wú)銹蝕、開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象。

圖3 處理前后對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

環(huán)形混凝土電桿鋼板圈的腐蝕問(wèn)題在電力行業(yè)中普遍存在，使用包裹防腐的方法在投運(yùn)初期可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板圈的保護(hù)，但在后期卻加速了腐蝕的發(fā)生，且腐蝕存在隱蔽性難以發(fā)現(xiàn)。在鋼板圈刷涂高性能富鋅底漆+耐候面漆，再使用環(huán)氧基填縫劑密封鋼板圈和桿身銜接部位的新工藝可以很好地解決上述問(wèn)題。在山東地區(qū)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，新的防腐措施效果良好。