變電站鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究

張春潮

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350108）

0 前言

鋼結(jié)構(gòu)是一種質(zhì)輕高強(qiáng)、抗震性好、節(jié)能環(huán)保，并能夠循環(huán)利用的建筑結(jié)構(gòu)。伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展、鋼材產(chǎn)量的巨大提升和國(guó)家電網(wǎng)關(guān)于變電站建設(shè)實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、裝配式施工的生產(chǎn)理念，鋼結(jié)構(gòu)在變電站建設(shè)中廣泛應(yīng)用于戶外構(gòu)支架和生產(chǎn)用房。但鋼材耐腐蝕性差，極易銹蝕，嚴(yán)重危及結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，甚至引起災(zāi)難性事故。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年由于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的金屬結(jié)構(gòu)、設(shè)備和材料損失量大約是當(dāng)年鋼產(chǎn)量的 10%～20%，造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民生產(chǎn)總值的2%～4%[1]。因此，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理和防護(hù)措施研究具有重要的意義。

1 腐蝕機(jī)理與防腐蝕措施

1.1 腐蝕機(jī)理

當(dāng)鋼鐵暴露在潮濕及有氧的環(huán)境中，總是向它的穩(wěn)定形態(tài)（氧化鐵）轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變是其和周圍環(huán)境反應(yīng)的結(jié)果，銹蝕也因此發(fā)生。鋼材的銹蝕主要有兩種類型：

（1）化學(xué)腐蝕

在濕度較大、侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，鋼鐵材料與空氣接觸時(shí)鐵分子與空氣中的氧及水分子起化學(xué)反應(yīng)生成鐵銹所致。

（2）電化學(xué)腐蝕

電化學(xué)腐蝕過程中，鋼材中的鐵元素作為腐蝕電池的陽(yáng)極釋放電子形成鐵離子，經(jīng)過一系列反應(yīng)生產(chǎn)鐵銹。具體的化學(xué)方程式如下：

2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3

1.2 影響因素

主要影響因素包括鋼材所處的自然環(huán)境和自身的合金元素。自然環(huán)境包括大氣環(huán)境、海水環(huán)境和土壤環(huán)境，不同環(huán)境下鋼材銹蝕的影響因素不同[1]。

1.3 防腐蝕措施

鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕方法主要有以下四種：

（1）提高鋼材自身抗腐蝕性，即采用耐候鋼。

（2）采用陰極保護(hù)，常用于地下或水下鋼結(jié)構(gòu)。

（3）熱鍍鋅。通過在構(gòu)件表面附著鋅層，形成致密的保護(hù)膜，起屏蔽和置換防腐作用。

（4）涂層防護(hù)。分為金屬?gòu)?fù)合涂層和油漆涂層，均包括底漆、中間漆和面漆，起隔絕防護(hù)和延遲腐蝕作用。

1.4 變電站防腐要求

變電站作為一種電力基礎(chǔ)設(shè)施，與常規(guī)建筑相比，有其特殊性：

（1）持久性。變電站長(zhǎng)時(shí)間處于帶電工作狀態(tài)，鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題時(shí)，無(wú)法使變電站長(zhǎng)時(shí)間停止運(yùn)行來進(jìn)行維修，所以需要考慮到鋼結(jié)構(gòu)防腐的持久性。

北京郵電大學(xué)等40 所高校發(fā)文總量達(dá)1825 篇，占所有文章總數(shù)的近一半量。北京郵電大學(xué)和電子科技大學(xué)分別以170 篇和147 篇的數(shù)量占據(jù)發(fā)文量榜首。

（2）適應(yīng)性。變電站廣泛分布于各地，環(huán)境條件各不相同，制定防腐蝕方案時(shí)必須充分考慮各種環(huán)境條件，具有良好的適應(yīng)性。

2 鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)銹蝕后，桿件截面減小，結(jié)構(gòu)承載力降低，結(jié)構(gòu)使用年限減少[2]。因此，設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)必須根據(jù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境、耐久性要求和經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行綜合確定。

2.1 環(huán)境分類

環(huán)境是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的第一影響要素，決定了涂裝方案的選擇、涂層厚度、日后維修和投資費(fèi)用等。變電站所處環(huán)境各不相同，特別是沿海地區(qū)大氣中鹽分含量高，腐蝕性強(qiáng)；城市和工業(yè)區(qū)空氣中硫的含量高，溶于水后變成強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，這些環(huán)境條件下鋼結(jié)構(gòu)極易銹蝕。

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，我國(guó)的大氣環(huán)境氣體類型分為A～D四類，腐蝕性等級(jí)分為Ⅰ～Ⅵ類，防腐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和空氣相對(duì)濕度確定大氣環(huán)境腐蝕性等級(jí)，采取合適的防護(hù)方案。在腐蝕等級(jí)為Ⅳ～Ⅵ類的環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕宜采用金屬熱噴涂[3]。

表3-1 大氣環(huán)境對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期作用下的腐蝕性等級(jí)

B ＞75 城市大氣Ⅳ 中腐蝕 0.05～0.2 C 60～75 工業(yè)大氣D ＜60 海洋大氣Ⅴ 較強(qiáng)腐蝕 0.2～1.0 D 60～75 海洋大氣C ＞75 工業(yè)大氣Ⅵ 強(qiáng)腐蝕 1.0～5.0 D ＞75 海洋大氣

2.2 設(shè)計(jì)使用年限

設(shè)計(jì)使用年限分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：2～5年、5～10年、10～15年，應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)維修的難易程度及環(huán)境腐蝕性情況確定合理的設(shè)計(jì)使用年限和最小防護(hù)層厚度。

表3-2 鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕保護(hù)層最小厚度

2.3 涂裝要求

涂層的選擇需要注意不同涂層對(duì)不同的腐蝕條件有不同的耐受性、不同涂料之間存在相容性問題和涂層施工相關(guān)要求。

2.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求

合理的構(gòu)造措施可以更好地保證結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)構(gòu)構(gòu)造除應(yīng)滿足截面尺寸和壁厚方面相關(guān)要求外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（2）焊條、螺栓、墊圈、節(jié)點(diǎn)板等連接構(gòu)件的耐腐蝕性能，不應(yīng)低于主體材料。

（3）構(gòu)件連接處的縫隙，應(yīng)嵌刮耐腐蝕密封膠。

（4）鋼柱柱腳應(yīng)置于混凝土基礎(chǔ)之上。

3 應(yīng)用研究

通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的分析研究，下文將結(jié)合一個(gè)實(shí)際工程進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。

漳州海園220kV變電站位于漳浦縣古雷石化產(chǎn)業(yè)園，距海岸線1公里，距石化產(chǎn)業(yè)園 8公里，大氣環(huán)境十分惡劣。本工程采用全戶內(nèi)方案，全站電氣設(shè)備布置在鋼結(jié)構(gòu)配電樓內(nèi)。為做好本工程鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)、減少后期維護(hù)并提高結(jié)構(gòu)安全性，在工程附件設(shè)立大氣腐蝕監(jiān)測(cè)試驗(yàn)站并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。

通過表3-1可知，大氣中Cl-、NO3-和SO42-的濃度很高。Cl-濃度高主要是由于工程距海岸線較近，鹽密度較高所致；NO3-和SO42-濃度高主要是石化基地的工業(yè)大氣所致。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，本工程大氣環(huán)境氣體類型為D型，腐蝕類型為Ⅵ級(jí)強(qiáng)腐蝕。

表3-1 大氣腐蝕監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對(duì)油田變現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)投運(yùn)僅一年的電氣設(shè)備嚴(yán)重銹蝕。主要是由于海邊空氣中鹽分含量較高、化工基地工業(yè)大氣腐蝕性強(qiáng)、電氣設(shè)備防腐不滿足環(huán)境要求所致。

經(jīng)相關(guān)分析，本工程設(shè)備支架采用熱鍍鋅防腐、配電樓鋼結(jié)構(gòu)采用金屬熱噴涂防腐。金屬熱噴涂方案為噴砂除銹達(dá)到Sa2.5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，180微米鋅鋁合金+20微米環(huán)氧密封底涂料，40微米環(huán)氧云鐵中間漆涂料一遍，100微米氟碳面層涂料兩遍，涂層總厚度340微米，涂層使用年限可以達(dá)到20～30年，滿足變電站防腐長(zhǎng)效性要求。這套涂層體系包括可提供陰極保護(hù)的鋅鋁合金底漆，可提供隔絕保護(hù)的環(huán)氧云鐵中間漆和超強(qiáng)耐候、耐磨和耐腐蝕性的氟碳面層涂料。該涂裝方案廣泛適用于沿海和工業(yè)大氣環(huán)境中，面層涂裝做法可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)選。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著鋼結(jié)構(gòu)在變電站中的廣泛應(yīng)用，其防腐蝕設(shè)計(jì)尤為重要。環(huán)境是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的第一影響要素，制定防護(hù)措施時(shí)一定要根據(jù)實(shí)際環(huán)境情況制定有效的防護(hù)措施，可以節(jié)約大量的維護(hù)經(jīng)費(fèi)并顯著提高鋼結(jié)構(gòu)的安全性與使用壽命。