輸電線路鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層缺陷修復(fù)方法研究

闞 毅，曹祥薇，毛曉坡

（1.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢430077；2.湖北中煙卷煙材料廠，湖北 武漢430050；3.國(guó)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

輸電線路鐵塔大部分建于野外，甚至是人煙罕至的地區(qū)，維護(hù)較為困難。因此輸電鐵塔所用的角鋼都是經(jīng)過熱鍍鋅防腐處理，以滿足國(guó)家電網(wǎng)有限公司的耐腐蝕標(biāo)準(zhǔn)要求［1-3］。這種經(jīng)過熱鍍鋅處理后的角鋼，通常壽命能夠達(dá)到30 年左右。但是由于在角鋼的運(yùn)輸、拖拉、安裝的過程中，經(jīng)常發(fā)生磕碰，因此在角鋼的某些區(qū)域會(huì)發(fā)生鍍層開裂、脫落的現(xiàn)象［4-6］。另外，由于戶外環(huán)境復(fù)雜多變，鐵塔的某些方位常年潮濕，在這些部位鍍層優(yōu)先腐蝕，從而鋼基體裸露出來［7-9］。

針對(duì)上述鋼結(jié)構(gòu)鍍層缺陷造成的鐵塔安全防護(hù)問題，早期的措施是采用有機(jī)涂料體系進(jìn)行涂刷，實(shí)現(xiàn)物理屏蔽，以隔絕大氣環(huán)境，如環(huán)氧云鐵底漆＋丙烯酸聚氨酯面漆的配套方案，有的需要年復(fù)一年地維護(hù)涂裝［10-12］。輸電鐵塔通常建在交通不方便的野外，這樣帶來了較大的鋼結(jié)構(gòu)防腐維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，輸電鐵塔的特殊作業(yè)環(huán)境要求修復(fù)工藝盡量簡(jiǎn)便易行，不需要攜帶復(fù)雜設(shè)備，一次成形后期免維護(hù)等［13-15］。

基于上述需求，發(fā)展更為施工工藝方便、耐腐蝕壽命更長(zhǎng)的鍍層修復(fù)材料成為了一種迫切的需求。上世紀(jì)90 年代，在上述有機(jī)涂料體系之上，發(fā)展了一種富鋅漆體系，該體系主要有環(huán)氧樹脂、鋅粉、有機(jī)溶劑、助劑等構(gòu)成［16-18］。由于添加了鋅粉，因此在一定程度上能夠起到犧牲陽極防護(hù)的作用，修復(fù)材料的耐腐蝕壽命達(dá)到6～8 年。該富鋅漆體系漆膜干燥后，鋅粉含量能夠達(dá)到80%作用，屬于第一代富鋅漆體系。該富鋅漆體系要求在鍍層缺陷的地方，將底銹去除干凈，以免造成涂層附著力不良。

但是，該體系富鋅漆需要用有機(jī)溶劑稀釋，有些產(chǎn)品為雙組分配方，甚至需要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配，給施工工人造成了極大的不便。隨后開發(fā)了第二代無機(jī)水性富鋅漆涂料，該體系避免了有機(jī)溶劑帶來的污染和不便利的問題，施工工藝簡(jiǎn)單，因此得到了應(yīng)用［19-21］。但是，該體系的鋅粉含量只能在80%左右，耐腐蝕壽命達(dá)不到20年以上。

目前，第3 代的高鋅含量鍍層修復(fù)材料正在得到開發(fā)，它由純度高于99.99%的鋅粉、揮發(fā)性溶劑和特殊有機(jī)樹脂3 部分配制而成，涂層干膜中含鋅量高達(dá)90%以上，以涂料的形式完成對(duì)鋼鐵表面的防腐防銹處理，和熱鍍鋅具有相同的防腐防銹的作用［22-24］，具有干燥時(shí)間快、施工簡(jiǎn)單、施工環(huán)境要求低等特點(diǎn)，特別是在梅雨季節(jié)，表面很快干燥，不用擔(dān)心雨淋。單組分是它的又一特點(diǎn)，而且還具有易保管，保質(zhì)期長(zhǎng)等特性。在一般的腐蝕環(huán)境（C3類）中，涂層厚度在80 μm以上時(shí)，防腐年限可達(dá)10～20年。

1 鍍鋅層缺陷修復(fù)工藝技術(shù)研究

1.1 鋅層修復(fù)材料防護(hù)機(jī)理

球鋅之間是以點(diǎn)接觸的形式來傳輸電子，它們相互接觸，并和鋼基體也保持電接觸。由于球狀鋅粉是點(diǎn)接觸，所以涂層的導(dǎo)通性較差，為了提高涂層的電導(dǎo)率，必須往涂層中添加大量鋅粉，黏結(jié)劑不足以填補(bǔ)涂層間的孔隙，從而形成了多孔隙的涂層結(jié)構(gòu)［25-27］。

Morcillo 等人認(rèn)為，富鋅涂料中存在2個(gè)不同的傳導(dǎo)過程，包括離子的傳導(dǎo)過程和電子的傳導(dǎo)過程。當(dāng)離子傳導(dǎo)存在時(shí)就沒有電子傳導(dǎo)，陰極、陽極在鋅表面同時(shí)發(fā)生，絕緣的鋅及鋅的絡(luò)合物的腐蝕產(chǎn)物快速地在鋅粒子表面上積累［28-30］。這些生成物是極難溶解的穩(wěn)定物，可以防止氧、水及鹽類對(duì)鋼鐵的腐蝕，其化學(xué)反應(yīng)如下：

在自然環(huán)境中：

在海水中：

鋅的腐蝕產(chǎn)物的種類隨腐蝕介質(zhì)的不同而不同，例如有氧化鋅、氫氧化鋅、堿式碳酸鋅、堿式氯化鋅［Zn（OH）Cl］、氧氯化鋅［ZnOCl］、硫酸鋅等。由于這些物質(zhì)的形成使得體積膨脹，它們填滿涂膜的空隙，從而防止鐵表面與氧、水等有害介質(zhì)的進(jìn)一步接觸，起著物理屏蔽作用，阻止鋅、鐵進(jìn)一步被氧化；另一方面，這些腐蝕產(chǎn)物可使涂膜緊密地結(jié)合起來，增大電阻，減弱電化學(xué)腐蝕速率，鋅粉的消耗速率就大大降低，其耐久性便得以提高，從而延緩腐蝕，達(dá)到防腐目的。

1.2 鋅層修復(fù)材料的制備

鋅層修復(fù)材料以合成樹脂（如：環(huán)氧、聚酯樹脂等）為成膜物質(zhì)，以高含量鋅粉為顏填料的防腐涂料，同時(shí)添加少量助劑以及揮發(fā)性溶劑，如表1所示。

表1 鋅層修復(fù)材料主要成分配比Table 1 The main composition ratio of zinc layer repair materials

修復(fù)材料A 為單組分高含鋅量修復(fù)劑，它是由純度高于99.9%的鋅粉、揮發(fā)性溶劑和有機(jī)樹脂3 部分配制而成的鍍鋅涂料。與其他雙組分涂料或其它單組分產(chǎn)品相比，本材料中鋅的含量極高（干膜中含96%以上的鋅）。

修復(fù)材料B 的金屬鋅含量達(dá)到90%，具有陰極防腐性能，能產(chǎn)生含鋅量高的涂層，顏色為灰色。適合金屬長(zhǎng)期作外層保護(hù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品的制備

實(shí)驗(yàn)采用冷軋板作為修復(fù)材料耐腐蝕性測(cè)試的基底，通過采用高壓氣體噴涂的方式將修復(fù)材料噴涂在鋼板上。

表面處理步驟為：金屬清洗劑→15%鹽酸酸洗→去離子水漂洗→吹干，之后將實(shí)驗(yàn)樣板排列整齊一起噴涂。

2 修復(fù)材料性能表征和分析

2.1 循環(huán)腐蝕實(shí)驗(yàn)

用測(cè)厚儀挑選涂層厚度為40～60 μm的試樣，之后用環(huán)氧AB膠封樣。按《GB/T 24195-2009 金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤(rùn)”條件下的循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)》和《ISO 16151-2005 金屬和合金的腐蝕酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤(rùn)”條件下的循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)》進(jìn)行循環(huán)鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)，腐蝕溶液采用氯化鈉和去離子水配制，溶液中氯化鈉的濃度為50±5 g/L，用鹽酸和氫氧化鈉來調(diào)節(jié)溶液的pH值為6.5～7.2。箱內(nèi)溫度為35±2°C，鹽霧沉降量為1.0～2.0 mL/80 cm2·h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種修復(fù)材料循環(huán)腐蝕試驗(yàn)對(duì)比圖Fig.1 Comparison of cyclic corrosion test of two repair materials

2.2 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，碳鋼鋼板試樣經(jīng)切割后，使用環(huán)氧樹脂對(duì)其進(jìn)行封邊處理，使其暴露面積為1 cm2，作為工作電極，以鉑片電極作為對(duì)電極，飽和KC1甘汞電極作為參比電極，所測(cè)的電位均是相對(duì)于飽和甘汞電極的電位。采用CHI-660B 電化學(xué)工作站對(duì)碳鋼鋼板電極試樣進(jìn)行測(cè)試，介質(zhì)為0.35%（NH4）2SO4和0.05%NaCl的混合溶液，工作電極在腐蝕介質(zhì)中浸泡20 min左右，待其電位穩(wěn)定后，再進(jìn)行測(cè)試。掃描速度設(shè)定為1 mV/s，掃描范圍設(shè)定為該電極試樣的開路電位±200 mV。用測(cè)厚儀挑選涂層厚度為40～60 μm的試樣，之后用環(huán)氧AB 膠封樣。為了驗(yàn)證試驗(yàn)的重復(fù)性，每種修復(fù)材料選擇3塊試樣，分別標(biāo)記為1、2、3號(hào)試樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1）極化曲線

a）修復(fù)材料A1號(hào)試樣（紅色）與修復(fù)材料B1號(hào)試樣（黑色）如圖2 所示，從極化曲線來看，修復(fù)材料A1號(hào)試樣的防腐性能優(yōu)于修復(fù)材料B1號(hào)。

b）修復(fù)材料A2號(hào)試樣（紅色）與修復(fù)材料B2號(hào)試樣（黑色）如圖3 所示，從極化曲線來看，修復(fù)材料B2號(hào)的防腐性能優(yōu)于修復(fù)材料A2號(hào)。

c）修復(fù)材料A3號(hào)試樣（紅色）與修復(fù)材料B3號(hào)試樣（黑色）如圖4 所示，從極化曲線來看，修復(fù)材料A3號(hào)試樣的防腐性能優(yōu)于修復(fù)材料B3號(hào)。

圖2 修復(fù)材料1號(hào)試樣極化曲線Fig.2 Polarization curve of restoration material No.1 sample

圖3 修復(fù)材料2號(hào)試樣極化曲線Fig.3 Polarization curve of restoration material No.2 sample

圖4 修復(fù)材料3號(hào)試樣極化曲線Fig.4 Polarization curve of restoration material No.3 sample

2）修復(fù)材料A與修復(fù)材料B極化曲線擬合比較如表2所示。

3）阻抗對(duì)比

a）修復(fù)材料A1號(hào)試樣（紅色）與修復(fù)材料B1號(hào)試樣（黑色）如圖5所示，修復(fù)材料A1的防腐性能優(yōu)于修復(fù)材料B1。

b）修復(fù)材料A2號(hào)試樣（紅色）與修復(fù)材料B2號(hào)試樣（黑色）如圖6所示，修復(fù)材料A2的防腐性能開始優(yōu)于修復(fù)材料B2；隨著阻抗增加到一定值，修復(fù)材料B2的防腐性能開始優(yōu)于修復(fù)材料A2。

c）修復(fù)材料A3號(hào)試樣（紅色）與修復(fù)材料B3號(hào)試樣（黑色）如圖7所示，修復(fù)材料A3的防腐性能優(yōu)于修復(fù)材料B3。

表2 修復(fù)材料A與修復(fù)材料B極化曲線擬合Table 2 Polarization curve fitting of restoration material A and restoration material B

圖5 修復(fù)材料1號(hào)試樣阻抗對(duì)比Fig.5 Impedance comparison of restoration material No.1 sample

圖6 修復(fù)材料2號(hào)試樣阻抗對(duì)比Fig.6 Impedance comparison of restoration material No.2 sample

圖7 修復(fù)材料3號(hào)試樣阻抗對(duì)比Fig.7 Impedance comparison of restoration material No.3 sample

綜上所述，修復(fù)材料A 冷鍍鋅噴劑防腐性能優(yōu)于修復(fù)材料B冷鍍鋅噴劑。

2.3 劃格實(shí)驗(yàn)

按《GB/T 9286-1998 色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》來進(jìn)行劃格實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種修復(fù)材料劃格實(shí)驗(yàn)Fig.8 Cross-cut experiment of two restoration materials

從劃格實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，這兩種修復(fù)材料有著較好的附著性。

3 結(jié)語

從極化曲線來看，修復(fù)材料A1號(hào)及3號(hào)試樣的防腐性能優(yōu)于修復(fù)材料B1 號(hào)及3 號(hào)，但2 號(hào)試樣對(duì)比則相反；從阻抗來看，修復(fù)材料A的防腐性能均優(yōu)于修復(fù)材料B。從劃格實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，這兩種修復(fù)材料有著較好的附著性。綜上所述，修復(fù)材料A 冷鍍鋅噴劑防腐性能優(yōu)于修復(fù)材料B冷鍍鋅噴劑。

［參考文獻(xiàn)］（References）

［1］ 何宇航，張明，余建飛，等.某輸電線路鐵塔角鋼銹蝕分析［J］.湖北電力，2020，44（02）：39-46.HE Yuhang，ZHANG Ming，YU Jianfei，et al.Analysis on angle iron corrosion of a certain transmission-line tower［J］.Hubei Electric Power，2020，44（02）：39-46.

［2］ Woodcock C.P.，Mills D.J.，Singh H.T..Use of electrochemical noise method to investigate the anti-corrosive properties of a set of compliant coatings［J］.Progress in Organic Coatings，2004，52（04）：257-262.

［3］ 葉建鋒，鄧德發(fā)，張明，等.某輸電線路地線腐蝕情況分析及壽命評(píng)估［J］.湖北電力，2020，44（02）：47-51，106.YE Jianfeng，DENG Defa，ZHANG Ming，et al.Corrosion analysis and life assessment of ground wire of a certain transmission line［J］.Hubei Electric Power，2020，44（02）：47-51，106.

［4］ Yadav A. P.，Nishikata A.，Tsuru T.. Electrochemical impedance study on galvanized steel corrosion under cyclic wet-dry conditions-influence of time of wetness［J］.Corrosion Science，2004，46（01）：169-181.

［5］ 姚鑫，張明，余建飛.電網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測(cè)儀研制［J］.湖北電力，2019，43（04）：45-50.YAO Xin ，ZHANG Ming，YU Jianfei.Development of remote corrosion monitor for power grid equipment［J］.Hubei Electric Power，2019，43（04）：45-50.

［6］ Kralji? Rokovi? M.，Kvastek K.，Horvat-Rado?evi? V.，et al.Poly （ortho-ethoxyaniline） in corrosion protection of stainless steel［J］.Corrosion Science，2006，49（06）：2567-2580.

［7］ 史天如，胡丹暉，朱昌成，等.輸電線路桿塔智能腐蝕監(jiān)測(cè)儀的研制與應(yīng)用［J］.湖北電力，2016，40（12）：5-8.SHI Tianru，HU Danhui，ZHU Changcheng，et al.Development and application of intelligent corrosion monitor for transmission line tower［J］.Hubei Electric Power，2016，40（12）：5-8.

［8］ Rosa Vera，Diana Delgado，Blanca Rosales M.. Effect of atmospheric pollutants on the corrosion of high power electrical conductors：part 1. aluminium and AA6201 alloy［J］.Corrosion Science，2005，48（10）：2882-2900.

［9］ 駱國(guó)銘，毛曉坡，張予，等.30 mA 泄漏電流對(duì)輸電線路大氣腐蝕行為的影響［J］.中國(guó)電力，2017，50（12）：125-129.LUO Guoming，MAO Xiaopo，ZHANG Yu，et al.Research on the impact of 30 mA leakage current on the atmospheric corrosion of transmission lines［J］.Electric Power，2017，50（12）：125-129.

［10］ Neff D，Dillmannc P，Bellot-Gurletd，et al.Corrosion of iron archaeological artefacts in soil：characterization of the corrosion system［J］.Corrosion Science，2005，47（02）：515-535.

［11］ 王永亮，李遠(yuǎn)鵬，楊光糯，等.Zn-10%Al-RE 鍍層鋼絲組織及耐蝕性［J］.腐蝕與防護(hù)，2015，36（05）：419-422.WANG Yongliang，LI Yuanpeng，YANG Guangnuo，et al.Microstructure and anti-corrosion property of Zn-10% Al-RE coated steel wire［J］.Corrosion ＆ Protection，2015，36（05）：419-422.

［12］ 范璇，王建國(guó)，周蜜，等.接地材料腐蝕速度弱極化曲線評(píng)價(jià)方法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（28）：192-198.FAN Xuan，WANG Jianguo，ZHOU Mi，et al.Corrosion rate evaluation for grounding grid material by low-polarization curve method［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（28）：192-198.

［13］ 張明，余建飛，張予，等.低強(qiáng)度直流雜散電流對(duì)Q235 鋼在SO2大氣中腐蝕行為的影響［J］.材料保護(hù)，2015，48（09）：18-21.ZHANG Ming，YU Jianfei，ZHANG Yu，et al.Influence of low intensity DC stray current on corrosion behavior of Q235 steel in atmosphere containing SO2［J］.Journal of Materials Protection，2015，48（09）：18-21.

［14］ 張艷成，吳蔭順，張健.帶銹鑄鐵與304 不銹鋼的電偶腐蝕［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2001，13（02）：66-70.ZHANG Yancheng，WU Yinshun，ZHANG Jian.Galvanic corrosion of rusty cast iron and 304 stainless steel［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2001，13（02）：66-70.

［15］ 周蜜，王建國(guó)，張予，等.鋼質(zhì)接地材料電偶加速腐蝕評(píng)價(jià)方法［J］.功能材料，2016，47（08）：8191-8195，8199.ZHOU Mi，WANG Jianguo，ZHANG Yu，et al.Accelerated galvanic corrosion evaluation method of galvanized steel grounding material［J］. Journal of Functional Materials，2016，47（08）：8191-8195，8199.

［16］ Ishikawa T，Takeuchi K，Kandori K，et al.Transformation of γ-FeOOH to α-FeOOH in acidic solutions containing metal ions［J］. Colloids & Surfaces A Physicochemical &Engineering Aspects，2005，266（1-3）：155-159.

［17］ 王永亮，李遠(yuǎn)鵬，張予，等.高耐蝕Zn-10%Al-RE 鍍層鋼絲組織及耐蝕性分析［C］.第10 屆中國(guó)熱浸鍍學(xué)術(shù)技術(shù)交流會(huì)暨節(jié)能減排新技術(shù)推介會(huì)論文集，2014.

［18］ J.H.Wang.Modeling of atmospheric corrosion behavior of weathering steel in sulfur dioxide-polluted atmospheres［J］.Corrosion：The Journal of Science and Engineering，1996，52（12）：900-909.

［19］ 余建飛，張明，張予.交流雜散電流對(duì)酸性土壤中Q235鋼的腐蝕行為研究［J］.湖北電力，2015，39（06）：45-48.YU Jianfei，ZHANG Ming，ZHANG Yu.Influence of AC stray current on corrosion behavior of Q235 steel in acid soil［J］.Hubei Electric Power，2015，39（06）：45-48.

［20］ Weissenrieder J.，Kleber C.，Schreiner M.，et al. In situ studies of sulfate nest formation on iron［J］.Journal of the Electrochemical Society，2004，151（09）：B497-B504.

［21］ 余建飛，周學(xué)杰，張予，等.滲鋅鋼在4種典型土壤環(huán)境中的腐蝕行為［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2019，31（02）：128-136.YU Jianfei，ZHOU Xuejie，ZHANG Yu，et al. Corrosion behavior of sherardizing steel in different soils at four typical test sites［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2019，31（02）：128-136.

［22］ Arroyave C.，Lopez F.A.，Morcillo M..The early atmospheric corrosion stages of carbon steel in acidic fogs［J］.Corrosion Science，1995，37（11）：1751-1761.

［23］ 楊光糯，張予.滲鋅技術(shù)在高壓輸電線路防腐蝕中的應(yīng)用［J］.材料保護(hù)，2015，48（09）：66-68.

［24］ Johnson J.B.，Elliott P.，Winterbottom M.A.，et al.Short-term atmospheric corrosion of mild steel at two weather and pollution monitored sites［J］.Corrosion Science，1977，17（08）：691-700.

［25］ 張予，林安，吳四伍，等.重工業(yè)污染區(qū)輸電線路桿塔防腐蝕涂層配套體系的選用［J］.材料保護(hù)，2015，48（09）：61-62.ZHANG Yu，LIN An，WU Siwu，et al.Anti-corrosion coating accessory system on transmission line towers in heavy industrial pollution areas［J］.Journal of Materials Protection，2015，48（09）：61-62.

［26］ Allam I. M.，Arlow J. S.，Saricimen H.. Initial stages of atmospheric corrosion of steel in the Arabian Gulf［J］.Corrosion Science，1991，32（04）：417-432.

［27］ 肖新華，劉華，陳先祿，等.接地網(wǎng)腐蝕和斷點(diǎn)的診斷理論分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，24（03）：72-75.XIAO Xinhua，LIU Hua，CHEN Xianlu，et al.Analysis of theory and method about the corrosionas well as the broken point of the grounding grid［J］. Journal of Chongqing University（Natural Science Edition），2001，24（03）：72-75.

［28］ LIU Hui，YU Wei，SUN Yuhan.The formation of hematite from ferrihydrite using Fe（II）as a catalyst［J］.Journal of Molecular Catalysis A Chemical，2005，226（01）：135-140.

［29］ 曾佳俊，周學(xué)杰，吳軍，等.金屬材料大氣腐蝕試驗(yàn)相關(guān)性與壽命預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2015，27（01）：90-94.

［30］ 陳云，徐利民，藥寧娜，等.輸變電鋼構(gòu)件的大氣腐蝕與防護(hù)［J］.華北電力技術(shù)，2014，（12）：10-14.CHEN Yun，XU Limin，YAO Ningna，et al.Atmospheric corrosion and protection of steel components for transmission and distribution projects［J］. North China Electric Power，2014，（12）：10-14.