某輸電線路鐵塔角鋼銹蝕分析

何宇航，張 明，余建飛，葉建鋒

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

湖北荊門供電公司線路運維人員在日常巡視中發(fā)現(xiàn)雙臘線鐵塔主材和塔身腹材發(fā)生嚴重銹蝕，利用無人機對地線和塔頭塔材近距離觀察，發(fā)現(xiàn)塔頭塔材、聯(lián)板、螺栓以及地線存在嚴重銹蝕情況。隨后供電公司運維人員登塔認真檢查統(tǒng)計，80%的斜材和腹材出現(xiàn)不同程度的銹蝕，部分塔材已銹蝕近三分之二。為保證線路供電安全，對銹蝕特別嚴重的塔材進行了更換，并對更換下的銹蝕角鋼進行了機械性能、材質(zhì)、金相等分析。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及設(shè)備

實驗主要原料見表1。

表1 實驗主要原料Table 1 Main experimental materials

實驗主要設(shè)備見表2。

1.2 實驗流程及分析方法

1.2.1 實驗流程

首先對腐蝕角鋼外觀進行分析，觀察腐蝕情況，測量厚度等。隨后取角鋼上的腐蝕產(chǎn)物進行后續(xù)的腐蝕產(chǎn)物形貌分析和組成分析以確定腐蝕產(chǎn)物的成因和腐蝕過程。同時，取角鋼上腐蝕情況較輕的部分材料進行力學(xué)性能分析和材質(zhì)分析，最后對拉伸試樣進行金相分析以確定其組織是否正常。實驗流程圖見圖1。

表2 實驗主要設(shè)備Table 2 Main experimental equipment

圖1 實驗流程圖Fig.1 Experimental flow chart

1.2.2 大氣腐蝕環(huán)境分析

雙臘線腐蝕環(huán)境參考《湖北電網(wǎng)大氣腐蝕等級分布圖》。鐵塔在不同大氣腐蝕等級下的防腐標準按照《DL/T 1453—2015 輸電線路鐵塔防腐蝕保護涂裝》［1］執(zhí)行。

1.2.3 角鋼外觀分析

鐵塔角鋼外觀尺寸是否合格以標準《DL/T 1424—2015 電網(wǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》［2］為判定依據(jù)。

1.2.4 材料拉伸實驗

開展塔材角鋼的拉伸試驗所制備的樣品按照標準《GB/T 228.1—2010 金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》［3］進行。材料力學(xué)性能是否合格按照標準《GB/T 700—2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼》［4］執(zhí)行。

1.2.5 材質(zhì)分析實驗

材質(zhì)分析采用火花放電原子發(fā)射光譜法測定，檢測方法依據(jù)標準《GB/T 4336—2016 碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測量》［5］，角鋼化學(xué)成分是否合格以標準《GB/T 700—2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼》［4］為判定依據(jù)。

1.2.6 形貌及元素分析

除去角鋼表面防腐層，刮取角鋼表面腐蝕產(chǎn)物，噴金后用FEI Quanta 200 型掃描電子顯微鏡觀察試樣腐蝕產(chǎn)物形貌，并用Oxford IE250X-Max50型能譜儀進行元素檢測分析。

1.2.7 X射線衍射分析

除去角鋼表面防腐層，對刮取的基體腐蝕產(chǎn)物用研缽研磨至200目后，采用PANalytical X’Pert Pro 型X射線衍射儀進行銹層組分分析。測試儀為Cu靶，掃描范圍10°～55°。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 周邊環(huán)境及大氣腐蝕性分析

圖2 湖北電網(wǎng)大氣腐蝕等級分布圖Fig.2 Distribution map of atmospheric corrosion grade in Hubei power grid

根據(jù)湖北電網(wǎng)大氣腐蝕等級分布圖（圖2）可知，此輸電線路有一部分位于腐蝕較為嚴重的地區(qū)，即紅色區(qū)域，圖2 中箭頭所指即為試驗樣品所在鐵塔的服役地，正處于該區(qū)域內(nèi)。同時，此腐蝕嚴重的鐵塔周邊有磷礦化工產(chǎn)業(yè)園和一條國道，實地勘察后發(fā)現(xiàn)粉塵污染比較嚴重。

省內(nèi)氣候溫熱多雨，雖然大氣中的腐蝕性成分含量較沿海地區(qū)的略少，但由于干濕交替頻繁，空氣中氧氣很容易侵入金屬材料表面薄液膜內(nèi)，造成大氣腐蝕。因此，大氣腐蝕等級分布圖中的紅色區(qū)域一般可以等同GB/T 19292.1—2003中C4等級以上的腐蝕環(huán)境，按照標準《DL/T 1453—2015 輸電線路鐵塔防腐蝕保護涂裝》，C4 等級腐蝕環(huán)境下鍍鋅層每年最大減薄量為4.2 μm，而標準DL/T 1453—2015 要求4 mm 厚度鐵塔角鋼在C4環(huán)境下鍍鋅層最小值為55 μm，因此該角鋼在良好防腐的前提下理論上13 年后就會出現(xiàn)鐵基體銹蝕情況，嚴重情況下可能發(fā)生安全事故，需要運維單位重點關(guān)注，加強防腐維護［6-9］。

2.2 外觀檢查及分析

圖3為鐵塔現(xiàn)場服役照片，針對本基鐵塔，最近一次的防腐處理為2016 年，范圍為整基桿塔。然而，兩年多的時間里，塔材防腐層發(fā)生了全面破壞，起皮和鼓泡現(xiàn)象明顯，如圖3紅圈處所示。

圖3 鐵塔現(xiàn)場服役照片F(xiàn)ig.3 Photos of the transmission tower scene

圖4 為從現(xiàn)場取樣的角鋼照片。對樣品進行編號，分別為1號角鋼及2號角鋼，1號角鋼A面局部防腐層脫落，露出紅褐色腐蝕產(chǎn)物，B 面出現(xiàn)腐蝕破損。2號角鋼A 面及B 面出現(xiàn)大面積腐蝕銹穿、防腐層起泡等嚴重腐蝕現(xiàn)象。

對1、2 號角鋼A 面及B 面分別用游標卡尺測量其厚度（未酸洗、未打磨除銹），從圖4中每根角鋼的兩面右端到左端以均勻間隔測10 個點。厚度結(jié)果及腐蝕減薄程度（相對于原始厚度4 mm）如表3所示。

根據(jù)標準DL/T 1424—2015 中9.1.7 條款要求，鋼結(jié)構(gòu)件厚度腐蝕減薄至原規(guī)格80%及以下，或部件表面腐蝕坑深度超過2 mm或者出現(xiàn)銹蝕穿孔、邊緣缺口均應(yīng)更換或加固處理。此鐵塔角鋼無論是局部厚度還是平均厚度都不滿足標準要求?？紤]到外觀尺寸測量時未對防腐層和銹層進行清除，角鋼的實際厚度必然要低于表3中的測量結(jié)果，即實際腐蝕減薄比表3中結(jié)果更加嚴重。

對2號角鋼上的嚴重腐蝕局部樣品進行宏觀形貌觀察，如圖5 所示，角鋼內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生大面積腐蝕破壞，局部殘缺不全，表面的防腐層脫落殆盡，露出被紅褐色腐蝕產(chǎn)物層覆蓋的基體。角鋼的肢背則呈現(xiàn)黃褐色（圖6），是基體腐蝕產(chǎn)物隨雨水滲出防腐層后留下的印記，鼓泡和空洞遍布全部肢背，防腐層已然失效［10］。

圖4 現(xiàn)場取樣銹蝕嚴重的角鋼圖片F(xiàn)ig.4 Picture of angle steel with serious corrosion

表3 角鋼腐蝕后的厚度（mm）Table 3 Thickness of angle steel after corrosion(mm)

圖5 角鋼腐蝕宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of angle steel corrosion

通過對角鋼的外觀檢查和厚度測量，所有部位的厚度均存在腐蝕減薄現(xiàn)象且遠超標準DL/T 1424—2015 的要求，該角鋼已不滿足繼續(xù)服役的條件，必須進行更換或加固處理［11］。

2.3 力學(xué)性能分析

對1 號角鋼A 面進行局部取樣，如圖4 中紅色圓圈，樣品加工及拉伸試驗依據(jù)標準《GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》執(zhí)行。取樣材料經(jīng)過酸洗并打磨掉表面腐蝕層后再經(jīng)過機加工制樣，最后進行拉伸試驗［3］。拉伸試驗結(jié)果為：下屈服力為12 719.13 N。為了表征材料本身真實的力學(xué)性能，根據(jù)酸洗除銹后的試樣截面積計算出屈服強度ReH為250.87 N/mm2，斷裂伸長率26.3%。根據(jù)塔材原材料信息，此角鋼采用牌號為Q235。根據(jù)標準《GB/T 700—2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼》要求，1號角鋼局部取樣進行拉伸試驗，材料本身的力學(xué)性能滿足標準要求［12-13］。

2.4 材質(zhì)分析

對拉伸試驗試樣近斷口處打磨、拋光后露出完整的金屬光澤區(qū)域，對此區(qū)域選取3 點進行材質(zhì)分析。檢測方法參照標準《GB/T 4336—2016 碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測量》。材質(zhì)分析結(jié)果如表4所示。

根據(jù)試驗結(jié)果查閱標準《GB/T 700—2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對相應(yīng)牌號鋼材的成分要求，此角鋼材質(zhì)符合標準要求。

表4 材質(zhì)分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 4 Material analysis results(%)

2.5 金相分析

對拉伸試驗試樣近斷口處打磨、拋光后露出完整的金屬光澤區(qū)域。用硝酸酒精腐蝕后通過金相顯微鏡觀察其組織。圖7 所示為局部放大500 倍后的金相組織圖。

圖7 局部放大500倍后的金相圖Fig.7 Metallography which is magnified 500 times

從圖7 中可以看出：該角鋼的金相組織為鐵素體加珠光體［14-15］，非金屬夾雜物為DS系0.5級［16-19］（球狀非金屬夾雜物中的最輕微等級），微觀組織未見異常。

2.6 腐蝕產(chǎn)物形貌及元素分析

掃描電鏡結(jié)果顯示角鋼腐蝕產(chǎn)物中含有大量結(jié)構(gòu)松散，團絮狀的顆粒物，其間有較多的裂紋和孔洞（圖8）。對圖8中（a）和（b）圖進行能譜分析試驗，檢測到的元素主要為Fe、O，其中有少量的Si、Al 和微量的P、S元素。圖8（a）的元素分析結(jié)果見表5，圖8（b）的元素分析結(jié)果見表6。元素分析表明腐蝕產(chǎn)物中主要為鐵的氧化物并夾雜著少量的硅和鋁的氧化物顆粒，而腐蝕性元素P和S含量較少。

圖8 腐蝕產(chǎn)物微觀形貌圖Fig.8 Microelectron microscopy of corrosion products

2.7 X射線衍射分析

腐蝕產(chǎn)物層的X 射線衍射圖譜如圖9 所示，結(jié)果表明角鋼的腐蝕銹層主要由鐵的各種氧化物、羥基氧化物和水合氧化物組成，其中有少量鐵的磷酸鹽類物質(zhì)和雜質(zhì)，但也均存在結(jié)晶水，表明腐蝕產(chǎn)物形成過程中有大量的水參與。

表5 圖8（a）元素分析結(jié)果（%）Table 5 Element analysis results of Fig.8（a）

表6 圖8（b）元素分析結(jié)果（%）Table 6 Element analysis results of Fig.8（b）

圖9 腐蝕產(chǎn)物物相分析Fig.9 XRD analysis of the corrosion products

一般而言，大氣環(huán)境中的腐蝕性氣體是導(dǎo)致酸雨并最終導(dǎo)致金屬構(gòu)件腐蝕的關(guān)鍵因素［20-26］，然而對于本基鐵塔的角鋼，根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果，常見的腐蝕性元素PO43-、SO42-在銹層中并未大量存在，而滲透性腐蝕因子Cl-幾乎未檢出［27］，這表明此環(huán)境下常規(guī)腐蝕性氣體并非造成本基鐵塔和本條線路腐蝕的主要因素，樣品的腐蝕產(chǎn)物中含有較多的水合物和一定量的雜質(zhì)。基于電化學(xué)角度考慮，雜質(zhì)的電極電位一般高于鐵基材料，因而大量附著在金屬表面，存在電解質(zhì)的情況下會與金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)［28-30］。鐵塔服役地區(qū)降水充沛，且周邊坐落磷化工產(chǎn)業(yè)園，粉塵污染較重，其角鋼表面長期附著電解質(zhì)液膜，此時電位較高的粉塵顆粒將主導(dǎo)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，對鐵基材料造成原電池腐蝕，從而在角鋼表面形成大量鼓泡，同時滲透到角鋼內(nèi)部，形成疏松空洞結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

外觀及尺寸分析結(jié)果顯示，角鋼所有部位均存在不同程度的腐蝕減薄現(xiàn)象且遠超標準DL/T 1424—2015中9.1.7條款關(guān)于腐蝕減薄的要求，該角鋼已不滿足繼續(xù)服役的條件，必須進行更換或加固處理。力學(xué)實驗、材質(zhì)分析和金相分析表明角鋼原材料的機械性能和化學(xué)成分滿足標準要求。腐蝕產(chǎn)物的元素分析及X射線衍射分析結(jié)果表明造成該地區(qū)鐵塔和線路腐蝕的主要原因為原電池反應(yīng)。

綜上所述，長期的電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致角鋼材料減薄嚴重甚至局部銹蝕缺損，雖然原材料力學(xué)性能和化學(xué)成分符合標準要求，但外觀尺寸分析表明此角鋼減薄程度大大超出標準要求范圍。對于新更換的塔材，建議按照C4 等級最大腐蝕速率乘以設(shè)計使用年限進行鍍鋅層厚度的設(shè)計，并嚴格對新塔材進行驗收。