浙江省金屬材料大氣腐蝕等級(jí)分布圖繪制

李延偉,熊欣睿,柳 森,祝曉峰,胡 威,胡家元,

(1. 杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014； 2. 浙江省蕭山中學(xué)，杭州 311201；3. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014)

大氣腐蝕是金屬腐蝕中數(shù)量最多、覆蓋面最廣、破壞性最大的一種腐蝕形式。80%以上的電力設(shè)備處于大氣環(huán)境中，其金屬材料的大氣腐蝕嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)運(yùn)行安全。隨著電力設(shè)備服役時(shí)間的延長(zhǎng)，由大氣腐蝕造成的設(shè)備耐久性降低問(wèn)題日益突出。目前，由統(tǒng)一防腐蝕措施保護(hù)的金屬設(shè)備服役后，在各地區(qū)腐蝕差異巨大；故根據(jù)大氣腐蝕等級(jí)，針對(duì)性地進(jìn)行防腐蝕設(shè)計(jì)、運(yùn)維具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)外研究者初步繪制了一些區(qū)域性的大氣腐蝕等級(jí)分布圖(簡(jiǎn)稱(chēng)大氣腐蝕圖)[1-4]。此外，王振堯等[5]根據(jù)典型工業(yè)大氣環(huán)境和海洋大氣環(huán)境的實(shí)地調(diào)查以及碳鋼的大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了我國(guó)自然環(huán)境大氣腐蝕性調(diào)查。而孟曉波等[6]提出了一種用于繪制大氣腐蝕圖環(huán)境因素的采集方法。但現(xiàn)有大氣腐蝕圖往往未考慮腐蝕源、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等因素影響，繪圖精度也有待提高。浙江省大氣環(huán)境較為復(fù)雜，存在著海洋性氣候區(qū)、重工業(yè)污染大氣區(qū)、工業(yè)大氣區(qū)、普通大氣區(qū)等多類(lèi)型氣候環(huán)境，且目前還沒(méi)有金屬材料在浙江大氣的腐蝕分布圖。為此，本工作在浙江省各縣級(jí)區(qū)域開(kāi)展碳鋼、鋅、銅等常用金屬的實(shí)地掛片工作，并結(jié)合工業(yè)腐蝕源影響等因素，繪制形成高精度的浙江省大氣腐蝕等級(jí)分布圖，為今后浙江省電力設(shè)備等金屬構(gòu)筑物選址、防腐蝕設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)提供關(guān)鍵性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 基本原則

1.1 腐蝕等級(jí)劃分

大氣腐蝕等級(jí)的劃分原則按GB/T 19292.2-2018《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 第2部分：腐蝕等級(jí)的指導(dǎo)值》的規(guī)定執(zhí)行，由低到高分為C1至CX等6個(gè)等級(jí)。在繪制浙江省大氣腐蝕等級(jí)分布圖時(shí)，相鄰區(qū)域不應(yīng)出現(xiàn)大氣腐蝕等級(jí)的跳變。

1.2 繪圖數(shù)據(jù)來(lái)源

(1) 曝露法金屬掛片數(shù)據(jù)。該部分?jǐn)?shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)金屬試片在實(shí)地大氣環(huán)境中曝露1 a的自然腐蝕速率，采集點(diǎn)密度為1 000 km2/個(gè)。

(2) 典型腐蝕源加權(quán)。腐蝕源以工業(yè)腐蝕源為主，自然腐蝕源僅考慮海洋環(huán)境；在腐蝕源影響范圍內(nèi)，腐蝕介質(zhì)含量超過(guò)GB/T 19292.1-2018《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 第1部分：分類(lèi)、測(cè)定和評(píng)估》規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)將相應(yīng)的大氣腐蝕等級(jí)提高1個(gè)等級(jí)。根據(jù)DL/T 2055-2019《輸電線路鋼結(jié)構(gòu)腐蝕安全評(píng)估導(dǎo)則》，工業(yè)腐蝕源影響半徑為3 km，自然腐蝕源(海洋)影響范圍為離海岸線5 km。

(3) 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)加權(quán)。根據(jù)DL/T 2055-2019標(biāo)準(zhǔn)，新建電力設(shè)備在6 a內(nèi)發(fā)生重腐蝕的地區(qū)，可判定該地區(qū)大氣腐蝕等級(jí)為CX；10 a內(nèi)發(fā)生重腐蝕的地區(qū)可判定大氣腐蝕等級(jí)為C5；15 a內(nèi)發(fā)生重腐蝕的地區(qū)可判定大氣腐蝕等級(jí)為C4。

2 研究方法

2.1 掛片曝露試驗(yàn)

采用曝露金屬掛片方式，在11個(gè)地市供電公司的變電站布置100個(gè)金屬曝露掛片架，如圖1所示。

經(jīng)1 a曝露后，取下掛片，于一周內(nèi)進(jìn)行后處理。按式(1)計(jì)算金屬腐蝕速率。

(1)

(a) 掛片架

(b) 掛片架分布圖1 掛片架及其分布Fig. 1 Coupon rack (a) and its distribution (b)

式中：vcorr為腐蝕速率，μm/a；Δm為金屬掛片的質(zhì)量損失，g；A為掛片表面積，cm2；t為掛片曝露時(shí)間，a；ρ為金屬密度，g/cm3。

表1為碳鋼、鋅、銅三種金屬在浙江省各地曝露1 a期的腐蝕速率以及對(duì)應(yīng)的大氣腐蝕等級(jí)。DL/T 1425-2015《變電站金屬材料腐蝕防護(hù)導(dǎo)則》規(guī)定，以多種金屬試樣進(jìn)行大氣腐蝕環(huán)境等級(jí)評(píng)定時(shí)，應(yīng)取較重的腐蝕等級(jí)。因此取碳鋼、鋅、銅中最嚴(yán)重的腐蝕評(píng)價(jià)作為該地大氣腐蝕等級(jí)。

表1 不同金屬材料在浙江省各地曝露1 a期的腐蝕速率及腐蝕等級(jí)Tab. 1 Corrosion rates and corrosion grades for different metal materials exposed to different areas of Zhejiang Province for one year

由表1可知，在獲得有效數(shù)據(jù)的100個(gè)測(cè)試點(diǎn)中，大氣腐蝕等級(jí)為C3的點(diǎn)有34個(gè)，大氣腐蝕等級(jí)為C4的點(diǎn)有61個(gè)，大氣腐蝕等級(jí)為C5的點(diǎn)有3個(gè)，大氣腐蝕等級(jí)為CX的點(diǎn)有2個(gè)。

2.2 腐蝕源數(shù)據(jù)來(lái)源及加權(quán)

工業(yè)腐蝕源主要包括化工、石化、煉油、冶金、建材、熱電廠、礦產(chǎn)等。自然腐蝕源僅考慮海洋環(huán)境。工業(yè)腐蝕源影響半徑為3 km，核心影響區(qū)半徑為1 km；自然腐蝕源(海洋)影響范圍為距海岸線5 km內(nèi)，核心影響區(qū)為距海岸線2 km內(nèi)。

目前，初步收集的浙江省典型工業(yè)腐蝕源有69處，表2為部分典型工業(yè)腐蝕源信息。在腐蝕等級(jí)分布圖修編過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合腐蝕源變化情況進(jìn)行相應(yīng)的修訂。

表2 浙江省部分典型工業(yè)腐蝕源信息Tab. 2 Information of some typical industrial corrosion sources in Zhejiang Province

2.3 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)源及加權(quán)

由曝露掛片法繪圖，并進(jìn)行腐蝕源加權(quán)后，大氣腐蝕等級(jí)分布圖基本已成型。但仍然會(huì)因數(shù)據(jù)不足導(dǎo)致局部微環(huán)境內(nèi)腐蝕等級(jí)誤判，因而根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)(金屬構(gòu)筑物實(shí)際服役中腐蝕情況)對(duì)腐蝕等級(jí)地圖進(jìn)行修正十分必要。

結(jié)合每年設(shè)備腐蝕監(jiān)督，排查腐蝕案例，對(duì)所處大氣環(huán)境進(jìn)行等級(jí)判定。當(dāng)發(fā)現(xiàn)重腐蝕案例后，將該設(shè)備周邊半徑3 km范圍劃定為同等級(jí)大氣腐蝕區(qū)域，由此對(duì)大氣腐蝕等級(jí)地圖進(jìn)行加權(quán)修正。通過(guò)梳理252起典型腐蝕案例，排查出4處CX級(jí)區(qū)域、7處C5級(jí)區(qū)域、9處C4級(jí)區(qū)域。表3為浙江省部分運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)源。

表3 浙江省部分運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)源Tab. 3 Parts of the operating experience sources in Zhejiang Province

3 大氣腐蝕等級(jí)分布圖繪制

3.1 大氣腐蝕地圖繪制方法

圖2為大氣腐蝕圖繪制流程。首先根據(jù)經(jīng)緯度信息，將曝露掛片的腐蝕速率數(shù)據(jù)標(biāo)注在電子信息地圖上，形成大氣腐蝕圖底圖。之后，將腐蝕源數(shù)據(jù)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在底圖上局部修正。重疊區(qū)域的邊界按重腐蝕案例點(diǎn)數(shù)據(jù)>腐蝕源數(shù)據(jù)>曝露法掛片點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)確定。

圖2 大氣腐蝕圖繪制流程Fig. 2 Drawing process of atmospheric corrosion map

3.2 大氣腐蝕等級(jí)分布圖繪制

根據(jù)已取得的數(shù)據(jù)，利用軟件繪制形成浙江省金屬材料大氣腐蝕等級(jí)分布圖，見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，大部分電力工程均處于C4及以上等級(jí)大氣環(huán)境之中，即重腐蝕大氣環(huán)境；浙江省金屬材料大氣腐蝕等級(jí)分布圖與浙江省氣候環(huán)境的分類(lèi)大體一致，其中C3級(jí)大氣基本處于普通地區(qū)，C4級(jí)大氣基本處于工業(yè)污染區(qū)、C5級(jí)大氣處于海洋性氣候區(qū)域、CX級(jí)大氣處于重工業(yè)污染區(qū)。

圖3 浙江省大氣腐蝕等級(jí)分布圖Fig. 3 Distribution of atmospheric corrosion levels in Zhejiang Province

4 結(jié)論

通過(guò)浙江省金屬材料大氣腐蝕等級(jí)分布圖的建立，可知浙江省約三分之二的區(qū)域處于C4級(jí)(含)以上重腐蝕大氣環(huán)境。由于浙江省內(nèi)工業(yè)企業(yè)眾多，腐蝕源對(duì)周邊電力工程微大氣環(huán)境的影響較大，這將直接影響電力設(shè)備服役安全。該大氣腐蝕圖的建立，可大幅提高省內(nèi)電力設(shè)備金屬構(gòu)筑物設(shè)計(jì)和選材的效率，同時(shí)提升了電網(wǎng)設(shè)備防腐蝕運(yùn)維的針對(duì)性，制定更為經(jīng)濟(jì)高效的防護(hù)措施，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益都有重要意義。后續(xù)將增大掛片架的布點(diǎn)密度，特別是在腐蝕源附近增加布點(diǎn)，進(jìn)一步提高大氣腐蝕圖的精度，以發(fā)揮其更大價(jià)值。