蒙西電網金屬設備大氣腐蝕與防護

張雪超，陳 浩，云 峰，呂 磊，孫云飛，樊平成

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

隨著我國電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，500 kV、800 kV 等更高電壓等級的變電站和輸電線路相繼建設，輸電距離和電力覆蓋范圍也越來越大，對電力設備的可靠性和安全性提出了更高要求。蒙西電網供電面積72 萬平方公里，服務人口1429 多萬。但內蒙古是世界最大的“露天煤礦”之鄉(xiāng)，煤炭資源豐富，分布廣、儲量大、埋藏淺、易開發(fā)、煤種全，是中國重要的能源保障基地。截至2016 年底，內蒙古全區(qū)累計查明煤炭資源量10 246 億噸，居全國首位；全國原煤累計產量33.64 億噸，內蒙古原煤產量8.38 億噸，占全國的24.9%，為中國煤炭產量第一大省。2019年1～6 月全國發(fā)電量為33 672.8 億千瓦時，其中內蒙發(fā)電量為2 536.5 億千瓦時，是第二大發(fā)電省份[1]。截至2018 年底，蒙西電網運行500 kV 變電站27 座、220 kV 變電站151 座，同時到2020 年，基本形成“四橫五縱”的500 kV 主干網[2]。

電網所涉及的金屬設備有超過90%設備長期服役在各種自然環(huán)境中，環(huán)境腐蝕不僅是輸變電設備的主要失效型式之一，也會降低電網運行的安全可靠性，甚至造成重大安全隱患[3]。導致電網設備發(fā)生腐蝕的環(huán)境因素中，大氣腐蝕占很大比例[4]。為保障電網安全穩(wěn)定運行，對電網設備腐蝕失效的防護和治理也提了更高的要求。

1 大氣腐蝕

大氣腐蝕是指金屬在大氣自然環(huán)境條件下，與大氣污染物反應而發(fā)生腐蝕的過程。電網的大部分金屬設備均處于大氣環(huán)境中，如輸電線路、桿塔、金具、變電站箱體等，因此大氣腐蝕對電網設備的影響非常普遍。大氣對電網金屬設備的影響因素主要包括氣象條件和大氣污染物。

1.1 氣象條件

（1）相對濕度。金屬部件存在腐蝕臨界相對濕度，當相對濕度超過腐蝕臨界相對濕度后，大氣腐蝕隨著電解液膜厚度的增大而明顯加速；當濕度足夠大，如降雨后，液膜覆蓋金屬表面，氧與金屬隔離，腐蝕速率又會降低。金屬表面的腐蝕臨界相對濕度不是固定值，根據金屬材質、表面狀態(tài)、腐蝕情況有所不同，對于電網金屬設備，表面金屬一般為鐵、鋅、鋁等，其腐蝕臨界相對濕度為50%～70%[5]。

（2）表面潤濕時間。指導致腐蝕的電解液膜覆蓋金屬表面的時間，腐蝕程度與潤濕時間成正相關。工程中有效濕潤時間一般指溫度＞0 ℃而相對濕度≤80%的時間。潤濕時間和材料以及環(huán)境的濕度有關。

（3）降雨。降雨對金屬腐蝕的影響看法不一，一方面降雨會影響大氣的相對濕度和潤濕時間，從而影響腐蝕速率，一般來說，降雨多，則腐蝕速率會增大；但另一方面，降雨會沖刷掉金屬表面的附著物，降低腐蝕腐蝕速率。降雨也對設備起到清洗的作用[6]。

1.2 腐蝕物質

大氣中含有不同種類的腐蝕物質，如CO2、臭氧、氨氣、NO、NO2、H2S、SO2、HCl 等，尤其是工業(yè)區(qū)及附近，工廠的排放物中污染物的含量更高。其中氯化物、SO2、NOx以及顆粒物等污染源的污染最為嚴重，尤其是對鍍鋅層的腐蝕，如圖1 所示。

圖1 鐵塔鍍鋅層大氣腐蝕

Zn 作為一種良好的防腐涂層廣泛用于電網金屬設備的保護中，主要通過主動提供電子，犧牲自身，保護內部鋼鐵設備，同時自身腐蝕產物致密，可以減緩腐蝕速率。其腐蝕機理如下式[7]：

反應生成的Zn（OH）2很容易與空氣中的CO2反應生成ZnCO3。同時，由于Zn 比Fe 活潑，即使在干燥的大氣中也能與氧氣發(fā)生反應生成ZnO。因此，鋼鐵件表面的鍍鋅層受到腐蝕后，生成的表面氧化物主要由Zn（OH）2、ZnCO3和ZnO 三種物質。Zn（OH）2和ZnO 成白色，也稱“白銹”，與CO2反應后出現黑斑。當內部鐵開始與大氣直接接觸，腐蝕會非?？?。如Q235 鋼在含SO2的大氣中的腐蝕產物有FeSO4·7H2O，Fe2（SO4）3·9H2O、γ-FeOOH、σ-FeOOH 等。大氣中SO2是導致腐蝕的關鍵因素[8]。Cl-的存在會對S 的腐蝕起到協(xié)同作用[9]。

2 腐蝕防護

對電網設備采取切實可行的防護措施，在設計制造階段采取有效方法，對已服役設備的腐蝕采取有效治理，提高設備可靠性至關重要。同時對于不同設備、不同地區(qū)環(huán)境要采用差異化管理，采取不同的腐蝕防護和治理方案，可達到更好的效果。

2.1 采用熱鍍鋅技術

熱鍍鋅是使熔融金屬與鐵基體反應而產生合金層，熱鍍鋅相較于冷鍍鋅技術具有鍍層均勻、附著力強、使用壽命長等優(yōu)點，其防腐性能更好。

2.2 采用耐腐蝕材料

對于鋼絞線，可改善其表面質量，如鍍鋁、鍍鋅或鍍含稀土元素的鋁鋅合金；或者將碳纖維導線用在輸電線路上[10]。在輸變電設備中，也可多采用鋁合金構件，鋁合金耐大氣腐蝕，無需采用熱鍍鋅或防腐蝕涂層進行表面防護，易于進行現場的二次加工與安裝，使用周期長。在稱重結構中，多實用耐候鋼，可提高抗腐蝕能力。新的耐腐蝕材料的使用會導致初期投資成本高，但后期治理費用低，長期效果好，同時也要加強新材料的研發(fā)，以滿足工程需求。

2.3 采用新型涂層防護技術

防腐涂層技術對治理在役設備腐蝕非常有效，由于其成本低、施工方便、防腐效果好被廣泛應用。將防腐涂料如氟樹脂防腐涂料、硅氟共聚物防腐涂料、聚氨醋樹脂、高聚物合金重防腐涂料、納米改性防腐涂料等刷涂或噴涂在金屬部件表面，以起到防腐效果。

對不同設備、不同地區(qū)環(huán)境要采用差異化管理，采取不同的腐蝕防護和治理方案，可達到更好的效果[11]。

3 結論

含硫、氮、氯等元素的化合物和鹽類物質對金屬設備及其表面鍍層的腐蝕是大氣腐蝕的主要原因，加強環(huán)境物質的監(jiān)測，綜合采用熱鍍鋅技術、新材料技術、新涂層技術等，因地制宜采取腐蝕防護和治理，可有效提高電網設備的可靠性。

項目來源：內蒙古電力（集團）有限責任公司2019 年科技計劃項目（2019-102）。