輸變電鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

樊志彬，李辛庚，王曉明，閆風(fēng)潔，姜 波

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

輸變電鋼結(jié)構(gòu)的安全可靠對(duì)于保障電力運(yùn)輸至關(guān)重要，目前主要采用熱鍍鋅技術(shù)進(jìn)行防腐［1］。鍍鋅層對(duì)于輸變電鋼結(jié)構(gòu)基體具有陰極保護(hù)和隔離的雙重作用［2］，一方面鋅在大氣中的腐蝕速率大約是鋼鐵的1/15，能夠有效隔離外部腐蝕介質(zhì)與鋼材基體；另一方面由于鋅活性較高，可以犧牲陽極的方式防止鋼基體材料腐蝕，從而保證桿塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［3］。

盡管鍍鋅層有較好的耐磨性能和結(jié)合強(qiáng)度，但輸變電鋼結(jié)構(gòu)運(yùn)輸、安裝過程中的不當(dāng)操作，以及服役過程中的意外事件都可能導(dǎo)致鍍鋅層的損壞。另外，輸變電鋼結(jié)構(gòu)服役于自然環(huán)境中，鍍鋅層的腐蝕不可避免，腐蝕會(huì)導(dǎo)致鍍鋅層的整體減薄消耗和破壞。2017年，國家電網(wǎng)有限公司開展了轄區(qū)范圍內(nèi)的輸變電設(shè)備腐蝕調(diào)研，共發(fā)現(xiàn)腐蝕案例6 251起，其中變電設(shè)備4 478起，輸電線路1 773起。變電設(shè)備中，鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)支架腐蝕數(shù)量達(dá)到了1 309例，約占變電設(shè)備腐蝕總數(shù)的29.3%。輸電線路設(shè)備中，鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)的桿塔腐蝕數(shù)量達(dá)865例，約占輸電線路腐蝕總數(shù)的48.7%。調(diào)研結(jié)果顯示，鍍鋅鋼結(jié)構(gòu)是輸變電設(shè)備發(fā)生腐蝕最普遍的設(shè)備構(gòu)件，腐蝕案例數(shù)量占比最高［4］。鍍層損壞后會(huì)極大加速輸變電鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕進(jìn)程，危及輸變電工程安全。將損壞的設(shè)備回廠重新熱浸鍍處理，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、不經(jīng)濟(jì)，且服役中的設(shè)備無法處理。因此，經(jīng)濟(jì)、高效且可用于在役設(shè)備的鍍鋅層修復(fù)技術(shù)，對(duì)于輸變電鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)意義重大。

1 修復(fù)方法與比較

輸變電鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層的修復(fù)用于達(dá)到兩個(gè)目的：一是實(shí)現(xiàn)鋼基體與大氣腐蝕因子的有效隔離；二是實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼基體的陰極保護(hù)?，F(xiàn)行GB/T 13912—2020《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》中規(guī)定，鍍鋅層可以采用熱噴涂鋅、涂敷富鋅涂料或熔敷鋅合金三種方法進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)涂層應(yīng)能在鋼結(jié)構(gòu)的使用過程中給予鋼材以犧牲陽極保護(hù)，但GB/T 13912—2020 中沒有提出鍍鋅層修復(fù)的具體技術(shù)要求。美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的ASTM A780/A780M《熱鍍鋅損壞或無涂覆區(qū)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》中，規(guī)定修復(fù)材料應(yīng)滿足以下條件：修復(fù)材料可以提供的涂層厚度應(yīng)不低于50.8 μm；修復(fù)的涂層應(yīng)為鋼基體提供屏蔽和犧牲陽極保護(hù)；涂層應(yīng)當(dāng)可以在車間或者現(xiàn)場應(yīng)用［5］。ASTM A780/A780M 中同樣提供了富鋅涂料、鋅基焊料和熱噴涂鋅三種修復(fù)方式，并提出了具體的技術(shù)要求。

1）富鋅涂料。

富鋅涂料包括有機(jī)富鋅涂料和無機(jī)富鋅涂料，含鋅量在65%～69%或者干膜含鋅量達(dá)92%以上修復(fù)效果最佳。一般來說，相比于無機(jī)富鋅涂料，有機(jī)富鋅涂料應(yīng)用于邊角或者粗糙表面時(shí)效果更好。修復(fù)前應(yīng)清理表面，保證表面清潔、干燥，無油脂、其他油漆和腐蝕性附著物。按照涂料的說明，采用多道噴涂或者刷涂的方式，達(dá)到約定的干膜厚度。

2）鋅基焊料。

常用的鋅基焊料有鋅鎘系、鋅錫鉛系、鋅錫銅系合金。鋅鎘系和鋅錫鉛系合金的焊料液化溫度分別為270～275 ℃和230～260 ℃。鋅錫銅合金液化溫度在349～354 ℃之間。

修復(fù)前用鋼絲刷、輕磨或輕度噴砂清理待修復(fù)的表面。為確保修復(fù)涂層的平滑，表面處理應(yīng)延伸到周圍未損壞的鍍鋅涂層。預(yù)熱清理后的表面至315 ℃以上，但不要超過400 ℃，以免破壞周邊完好的鍍鋅層。最后使用修復(fù)焊料在表面完成修復(fù)即可。

3）噴涂鋅。

噴涂鋅包括火焰噴涂、電弧噴涂等。純鋅和鋅鋁合金都可以利用此方法噴涂。噴涂前表面應(yīng)噴砂處理，保證清潔、干燥、無油脂和其他腐蝕物。噴涂涂層應(yīng)均勻，無結(jié)塊、粗糙區(qū)域和松散的粘附顆粒。

針對(duì)鍍鋅層修復(fù)，三種修復(fù)方式都可以取得良好的效果，在適用性、厚度控制、外觀、防腐性能、耐磨性能、結(jié)合強(qiáng)度及環(huán)保性能各有優(yōu)缺點(diǎn)［6］。加拿大某研究機(jī)構(gòu)從適用性、結(jié)合強(qiáng)度、外觀、耐磨損性能和耐蝕性能5個(gè)方面評(píng)價(jià)了三種修復(fù)方式，結(jié)果見表1［7-8］。

表1 三種修復(fù)技術(shù)的性能對(duì)比

對(duì)比三種修復(fù)方式，由表1 可知，噴涂鋅在厚度控制、結(jié)合力、耐磨性、屏蔽效果、陰極保護(hù)效果方面存在優(yōu)勢，在修復(fù)外觀和易用性上處于其他兩種修復(fù)方法之間。富鋅涂料在易用性、結(jié)合力、屏蔽效果方面存在優(yōu)勢，但是在外觀、陰極保護(hù)效果、耐磨性上處于劣勢。鋅基焊料只有在外觀和結(jié)合力方面存在優(yōu)勢，在易用性、屏蔽效果、厚度控制等方面均處于劣勢。綜合比較，噴涂鋅技術(shù)的性能在鍍鋅層修復(fù)上最具優(yōu)勢。

2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2.1 富鋅涂料

富鋅涂料是指采用大量高純度的鋅粉作為基礎(chǔ)填料的防腐涂料，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)其防腐機(jī)理為鋅粉溶解起到陰極保護(hù)作用和屏蔽作用［9］。富鋅涂料是鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層體系中最常采用的涂料［10］，也是輸變電鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層修復(fù)中的最常用的技術(shù)。在國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層體系的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，如ISO 12944—2017《色漆和清漆防護(hù)漆體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)》、GB/T 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、Q/GDW 674—2011《輸電線路鐵塔防護(hù)涂料》等均將富鋅涂料作為最主要的涂料涂層。

根據(jù)成膜樹脂不同，目前市場上常見的富鋅涂料可分為有機(jī)富鋅涂料和無機(jī)富鋅涂料兩大類［11］。有機(jī)富鋅涂料是以環(huán)氧、聚氨酯等樹脂為成膜物，以高含量鋅粉為填料的防腐涂料。其中環(huán)氧富鋅涂料使用范圍最廣、用量最大。環(huán)氧富鋅涂料是以環(huán)氧樹脂為基料，添加大量鋅粉為防銹填料，輔以混合溶劑、助劑等配制而成，通常以聚酰胺樹脂或胺加成物為固化劑。由于環(huán)氧樹脂優(yōu)異的配伍性以及對(duì)鋼鐵等基材表面良好的黏結(jié)力，環(huán)氧富鋅涂料對(duì)基材的附著力好，易于與其他面漆配套。

無機(jī)富鋅涂料以硅酸鹽等無機(jī)聚合物為成膜物，通過在金屬表面形成鋅鐵絡(luò)合物，形成堅(jiān)實(shí)的防護(hù)涂膜。主要包括水性無機(jī)富鋅涂料和醇溶型無機(jī)富鋅涂料。相比于有機(jī)富鋅涂料，一般來說無機(jī)富鋅涂料的耐蝕性能更加優(yōu)異，但是對(duì)基材的表面處理要求也更為苛刻，且漆膜易開裂，配套性能較差。在陰極保護(hù)方面，由于有機(jī)富鋅涂料中有機(jī)質(zhì)的導(dǎo)電性能較差，在干膜中同等的鋅含量時(shí)，無機(jī)富鋅涂料對(duì)于鋼材基體的陰極保護(hù)效果更優(yōu)［10］。

隨著環(huán)保要求的不斷提高，富鋅涂料朝著環(huán)保型發(fā)展是必然趨勢。雖然溶劑型富鋅涂料性能優(yōu)異，但由于其含有較高的揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOC），環(huán)保性差。因此，開發(fā)高性能低VOC 的水性富鋅涂料成為研究熱點(diǎn)［12］。為提高水性防腐涂料的耐蝕性能，避免鋅粉含量過高帶來的沉降、成膜等問題，眾多學(xué)者開展了借助活性顏填料改性的方法降低鋅含量的研究［13］。常用的方法是將石墨烯［14-16］、碳納米管［17-18］等導(dǎo)電材料添加到水性富鋅涂料替代一部分鋅，不僅獲得了優(yōu)異的陰極保護(hù)效果，同時(shí)提升了防腐性能。

降低對(duì)基材表面處理要求，實(shí)現(xiàn)帶銹涂裝，提升防腐效能是富鋅涂料發(fā)展的重要方向之一。研究人員通過樹脂改性、添加活性顏填料等方式，實(shí)現(xiàn)銹層的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定，在保證防腐性能的前提下，降低了涂裝前基材表面的處理要求［19-20］。國家電網(wǎng)有限公司已開展輸變電設(shè)備環(huán)保型防腐涂料、帶銹涂料的研發(fā)以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)工作。

由于優(yōu)異的施工性能和較好的綜合性能，富鋅涂料是目前輸變電鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層現(xiàn)場最為常用的修復(fù)技術(shù)。

2.2 鋅基焊料

根據(jù)ASTM A780［5］，在焊接前工件表面需要鋼絲刷清理，或者輕度打磨、噴砂處理，表面處理應(yīng)適當(dāng)向周圍完好的鍍鋅層延伸。如果表面處理處包含焊縫，應(yīng)利用切削、打磨處理掉殘留的焊劑和焊渣。然后，在清理區(qū)域預(yù)加熱至少315 ℃，但是不要超過400 ℃以免破壞周圍的鍍鋅層。在預(yù)熱過程同時(shí)，用鋼絲刷再次清理預(yù)熱處，如果需要焊劑，在預(yù)熱時(shí)添加。有鋅基焊料涂擦清理后預(yù)加熱區(qū)域，形成均勻分布的鋅合金層。修復(fù)完成后，用水或者濕布擦除掉多余的焊劑。最后，測量修護(hù)后的涂層后厚度，保證與周邊完好鍍層一致。

與其他修復(fù)方式相比，采用鋅基焊料修復(fù)后與周圍鍍鋅層的配合更好［6］。但是由于修復(fù)過程中溫度在合金液相區(qū)，除了修復(fù)水平放置的工件，液體的流動(dòng)性導(dǎo)致修復(fù)很難形成足夠的厚度。Adams，Battiston 和Zervoudis 等人［21］研究結(jié)果顯示目前商業(yè)產(chǎn)品鋅基修補(bǔ)焊料形成的修復(fù)層往往厚度不夠、不完整且含鋅量較低，導(dǎo)致較差的屏蔽和陰極保護(hù)作用。使用含錫和鉛量高的焊料，修復(fù)層的硬度及耐磨性能較差。

Adams 和Zervoudis［6］在總結(jié)了前人工作的基礎(chǔ)上提出了理想的修補(bǔ)釬料應(yīng)該具備以下特征：

1）可以在各種表面方向容易地修補(bǔ)鍍鋅層，且厚度與鍍鋅層一致；

2）修復(fù)后的涂層應(yīng)與周圍新的鍍鋅層一樣光滑且外觀相似；

3）范圍較廣的應(yīng)用溫度（低于300 ℃），低溫焊劑可以使用，且保證周圍鍍鋅層不被破壞；

4）焊料具有較高含量的鋅，以保證修復(fù)后提供良好的陰極保護(hù)能力；

5）在鋼基體和鍍鋅層上都有良好的結(jié)合力；

6）修復(fù)層具備良好的耐磨性能；

7）不含有鉛或者其他的有毒元素。

基于這些特征，Adams和Zervoudis開發(fā)出一種新型的鋅錫銅修復(fù)焊料Zn-49Sn-lCu，在使用溫度275 ℃下具有良好的可塑性及厚度可控性，高的硬度和耐磨性能。由于其鋅含量很高，修復(fù)層具備良好的陰極保護(hù)效果。工業(yè)試驗(yàn)證明，Zn-49Sn-lCu可以在大的鍍鋅件和室外環(huán)境中使用。另外，由加拿大特克科明科公司研發(fā)的Glava*Guard［8］，在北美有著成功的應(yīng)用。

與其他兩種修復(fù)方法相比，由于使用鋅基焊料修復(fù)的操作較為復(fù)雜，且綜合性能無優(yōu)勢，更加適用于在工廠內(nèi)開展鍍鋅層修復(fù)，對(duì)于在役設(shè)備的鍍鋅層修復(fù)適用性差。目前尚未見到在國內(nèi)輸變電鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層的修復(fù)上應(yīng)用的報(bào)道。

2.3 噴涂鋅

熱噴涂是指通過火焰、電弧、等離子等熱源，將粉末狀或絲狀的材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后借助壓縮空氣等以一定速度噴射到預(yù)處理過的基體表面，沉積而形成具有一定功能的表面涂層［22］。

熱噴涂鋅因基材可以不經(jīng)高溫，對(duì)基材和附近鍍層的影響較小，涂層性能優(yōu)良，工件外形尺寸上不受限制，可以進(jìn)行高效率的大面積噴涂，亦可進(jìn)行局部修復(fù)［23］。在與富鋅涂料和鋅基焊料的比較中，結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性能、耐腐蝕性能和涂層厚度的控制方面都有著明顯的優(yōu)勢［7-8］。

熱評(píng)噴涂鋅鋁涂層成為近幾十年研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外研究表明，相比于純鋅，噴涂鋅鋁體系等耐蝕性能更加優(yōu)異。由于鋁擁有良好的自鈍化性能，耐蝕性能優(yōu)于鋅，但鈍化后的鋁涂層對(duì)鋼鐵基體缺乏犧牲陽極保護(hù)作用［24］，而鋅鋁涂層同時(shí)具備了鋅涂層和鋁涂層兩者的優(yōu)點(diǎn)［24-25］。

20世紀(jì)50年代，日本的Kain等人［26］采用了火焰噴涂技術(shù)，制備了Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～90%之間變化的系列Zn-Al 涂層，34 年的海洋大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果顯示，Al 含量較高的Zn-Al 合金涂層耐蝕性能更加優(yōu)異。日本JACC 熱噴涂委員會(huì)S.Kuroda 等人［27］對(duì)熱噴涂Zn，Al 以及Zn-13Al 涂層進(jìn)行了長達(dá)18 年的暴露試驗(yàn)，結(jié)果顯示熱噴涂Zn-13Al 涂層的耐蝕性明顯優(yōu)于熱噴涂Zn、Al涂層。

研究表明，通過向Zn-Al 合金添加微量的Mg、RE 等元素可以顯著提升涂層的耐蝕性能，Al加入可以在表面生成一層Al2O3的保護(hù)膜，可有效防止Zn被快速腐蝕；Mg 可長期抑制氧化鋅（ZnO）和堿式碳酸鋅［Zn4CO3（OH）6·H2O］等腐蝕產(chǎn)物的形成；稀土可以凈化雜質(zhì)、細(xì)化晶粒，減少了合金中的陰極相，阻止了陰極過程的進(jìn)行，從而提高了合金的耐腐蝕性，例如Zn-Al-RE 合金、Zn-Al-Si合金、Zn-Al-Mg合金以及Zn-Al-Mg-RE 合金等熱噴涂合金涂層［28-31］。哈爾濱工程大學(xué)［32］、北京科技大學(xué)［33］等機(jī)構(gòu)開展了Zn-Al-Mg-RE 合金涂層的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明Zn-Al-Mg-RE合金涂層具備優(yōu)異的耐蝕性能。

根據(jù)上文研究，采用電弧噴涂制備了Zn-22Al-Mg-RE 合金涂層［34］，耐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于熱噴涂Zn、Zn-Al合金涂層。中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示，Zn-22Al-Mg-RE合金涂層的耐蝕性能與熱浸鍍鋅和熱噴涂鋅對(duì)比，分別提高35倍和5倍。為了方便輸變電鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層現(xiàn)場的修復(fù)應(yīng)用，項(xiàng)目組開發(fā)了小型化的噴涂設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了在山區(qū)等工程機(jī)械難以到達(dá)工程現(xiàn)場的施工。2015 年，Zn-22Al-Mg-RE 合金涂層在山東棗莊110 kV 棠陰線的重腐蝕環(huán)境實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，防腐效果至今良好。

噴涂鋅的綜合性能優(yōu)異，但由于其需要嚴(yán)格的底面前處理工藝，噴涂過程中需要?dú)庠?、電源等，?duì)于在役設(shè)備鍍鋅層的修復(fù)存在效率低下、操作較為復(fù)雜的問題。目前主要應(yīng)用于工廠制造階段構(gòu)件的整體防腐涂層制備，而在現(xiàn)場鍍鋅層修復(fù)中應(yīng)用較少。噴涂鋅在提升防腐性能的同時(shí)，若能夠解決現(xiàn)場施工及效率的問題，將會(huì)在輸變電鋼結(jié)構(gòu)防腐以及鍍鋅層修復(fù)領(lǐng)域擁有更廣闊的應(yīng)用空間。

3 結(jié)語

鍍鋅層修復(fù)可以有效增加輸變電鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層破壞后的使用壽命，對(duì)于輸變電工程的長效防腐意義重大。在目前富鋅涂料、噴涂鋅和鋅基焊料三種主要的修復(fù)方式中，富鋅涂料在易用性上、結(jié)合力、屏蔽效果方面具備顯著的優(yōu)勢，鋅基焊料在外觀和結(jié)合力方面存在優(yōu)勢，而噴涂鋅在厚度控制、結(jié)合力、耐磨性、屏蔽效果、陰極保護(hù)效果方面皆存在優(yōu)勢。

鋅基焊料由于操作較為復(fù)雜以及較差的綜合性能，發(fā)展較為緩慢，未見國內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的報(bào)道。噴涂鋅雖然綜合性能優(yōu)異，但由于現(xiàn)場施工效率低下等問題，在鍍鋅層修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較少。由于其易用性以及比較好的綜合性能，富鋅涂料成為了輸變電鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層最常用的修復(fù)技術(shù)。為適應(yīng)環(huán)保政策以及降低施工難度，低VOC 的環(huán)保型防腐涂料和帶銹防腐涂料成為富鋅涂料的主要研究發(fā)展方向，目前尚有巨大的提升空間，國家電網(wǎng)有限公司正在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究和配套標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)工作。