220 kV輸電桿塔拉線棒腐蝕斷裂原因分析

陳 浩，王 旭，喬 欣，史賢達，劉 俊

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

輸電鐵塔拉線棒一般埋設(shè)于地下2～2.5 m，隱蔽性較強，因此在不開挖的情況下，檢測其腐蝕情況比較困難[1]。若拉線棒發(fā)生嚴(yán)重腐蝕銹蝕，會使其有效截面積減小，承載能力大幅度下降，可能引起斷線、倒塔及大面積停電等事故，造成人身傷亡及經(jīng)濟損失，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。本文以某220 kV輸電鐵塔拉線棒腐蝕斷裂事件為例，對其失效原因進行試驗分析，找出輸電鐵塔拉線棒斷裂原因，避免類似腐蝕斷裂再次發(fā)生。

1 事件簡況

在對某220 kV輸電線路埋地構(gòu)件進行開挖檢查過程中，發(fā)現(xiàn)輸電鐵塔拉線棒已腐蝕斷裂，存在安全隱患。該線路位于沙漠地區(qū)，周邊地區(qū)以畜牧業(yè)為主，無重工業(yè)企業(yè)。腐蝕斷裂的拉線棒直徑為32 mm，材質(zhì)為Q235B，表面采用熱浸鍍鋅防腐工藝處理。

2.試驗分析

2.1 宏觀檢查

對斷裂的輸電鐵塔拉線棒進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)拉線棒埋設(shè)于土層下的部分鍍鋅防護層已消耗殆盡，存在不同程度的腐蝕，且埋設(shè)深度越深，腐蝕越嚴(yán)重。拉線棒斷裂于地下約40 cm處，斷口附近銹層酥化嚴(yán)重，腐蝕面積占整個拉線棒截面積的三分之二以上，腐蝕坑呈“8”字形，其表層腐蝕產(chǎn)物為黑色，內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物為黃褐色。此外，拉線棒埋地部分未見明顯的塑性變形及機械損傷。由于拉線棒地上部分服役環(huán)境較好，其表面呈銀白色，鍍鋅層未見明顯腐蝕，保存相對完好（如圖1所示）。

圖1 腐蝕斷裂的輸電桿塔拉線棒宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of corroded guyed rod

2.2 金相分析

對斷裂的輸電鐵塔拉線棒取樣進行顯微組織分析。可以看出，拉線棒的基體組織為等軸狀分布的珠光體+鐵素體，組織未見明顯異常。斷口附近拉線棒表面鍍鋅層已消耗殆盡且銹蝕較為嚴(yán)重，存在深淺不一的腐蝕凹坑及大量的腐蝕孔洞（如圖2所示）。

圖2 腐蝕斷裂的拉線棒金相組織Fig.2 Metallographic structure of corroded guyed rod

2.3 化學(xué)成分分析

對斷裂的輸電鐵塔拉線棒取樣進行化學(xué)成分測試，檢測結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)表明，拉線棒各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)[2]。

表1 腐蝕斷裂的輸電桿塔拉線棒各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測結(jié)果Tab.1 Detection results of mass fraction of chemical component of corroded guyed rod used in transmission tower%

2.4 鍍鋅層厚度測試

對腐蝕斷裂的輸電桿塔拉線棒地上未銹蝕部分的鍍鋅層厚度進行測量。結(jié)果表明，拉線棒鍍鋅層厚度在115～120 μm，滿足鍍鋅層最小值不小于70 μm、平均值不小于85 μm的埋地金屬構(gòu)件要求。

2.5 腐蝕產(chǎn)物形貌與能譜分析

圖3為斷裂的輸電鐵塔拉線棒腐蝕產(chǎn)物微觀形貌，可以看出，大部分腐蝕產(chǎn)物呈片層狀，并伴有少量的致密團簇狀顆粒。

對斷裂的輸電鐵塔拉線棒腐蝕產(chǎn)物取樣進行微區(qū)能譜分析，檢測結(jié)果如圖4、表2所示。結(jié)果表明，拉線棒腐蝕產(chǎn)物主要包含F(xiàn)e、O、Cl三種元素，判斷其應(yīng)為Fe的氧化物和氯化物；而含量較少的Si元素主要為土壤中的砂石混入腐蝕產(chǎn)物。

圖3腐蝕產(chǎn)物微觀形貌Fig.3 Micromorphology of corrosion products

圖4 腐蝕產(chǎn)物微區(qū)能譜分析圖Fig.4 Energy spectrum analysis result for corrosion products

表2 腐蝕產(chǎn)物中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass fraction of each element in corrosion products%

2.6 土壤理化性能分析

表3為腐蝕斷裂的輸電鐵塔拉線棒埋設(shè)區(qū)域土壤樣品的理化性能及離子含量檢測結(jié)果，根據(jù)數(shù)據(jù)可以判斷，鐵塔周邊土壤屬于高鹽堿性土壤。

表3 土壤樣品檢測結(jié)果Tab.3 Test result of physical property and ion content for soil sample

2.7 硬度檢測

對腐蝕斷裂的輸電桿塔拉線棒取樣進行硬度測試，拉線棒維式硬度值為115～121，GB/T 700—2006標(biāo)準(zhǔn)中對Q235材料無硬度要求。一般來說，該硬度范圍基本符合使用要求。

3 原因分析

經(jīng)分析，腐蝕斷裂的輸電桿塔拉線棒化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，排除因材質(zhì)錯用造成的腐蝕失效。該220 kV輸電桿塔拉線棒長期埋設(shè)于沙漠地區(qū)，無工業(yè)污染源，周邊沙土屬于高鹽堿性土壤，其中Cl-和SO42-含量較高，對土壤腐蝕起促進作用。主要體現(xiàn)在以下方面：首先，因Cl-半徑小，容易穿透金屬表面的氧化膜，使膜表面形成高密度電流，當(dāng)膜-溶液界面的電位達到點蝕電位臨界值時，便發(fā)生點蝕[3-4]；其次，Cl-可優(yōu)先吸附在氧化膜表面并擠掉O原子，與氧化膜中的陽離子反應(yīng)生成水溶性的氯化物，在新露出的基體金屬特定區(qū)域上生成孔徑20～30 μm的小腐蝕坑，并在Cl-的催化作用下，點蝕電位下降，腐蝕坑不斷擴大、加深[5-7]；最后，氯鹽和硫酸鹽作為強電解質(zhì)，在潮濕的土壤中以離子的形式存在，強化了離子通路，同時降低了陰極和陽極間的電阻，加快了土壤腐蝕的速度。

拉線棒長期在含有硫酸鹽及氯鹽的高鹽土壤中服役，表面鍍鋅防護層極易反應(yīng)生成水溶性的ZnSO4或ZnCl2，在連續(xù)降雨的天氣條件下，ZnSO4或ZnCl2不斷溶解并隨雨水流入土壤中，使得鍍鋅層快速消耗。在鍍鋅層腐蝕失效后，裸露在土壤中的碳鋼基體大面積腐蝕。由于Cl-的擴散，拉線棒表面的鈍化層被不斷穿透、破壞，并形成點蝕坑，加劇了其腐蝕過程；同時，因腐蝕產(chǎn)物與拉線棒基體的膨脹系數(shù)相差較大，在溫度急劇變化時，腐蝕鈍化層會發(fā)生大面積脫落，導(dǎo)致局部區(qū)域金屬基體直接暴露在腐蝕介質(zhì)中。隨著腐蝕的進行，拉線棒表面腐蝕坑內(nèi)的Fe2O3或FeO()OH被進一步氧化為Fe3O4，因其致密性和穩(wěn)定性更高，對基體金屬的腐蝕保護也更好，所以表層腐蝕坑內(nèi)的基體金屬腐蝕速度不斷下降。而在重力的作用下少部分Cl-可繼續(xù)向下擴散并穿透表面氧化層進入拉線棒內(nèi)部，因O含量下降，生產(chǎn)的腐蝕產(chǎn)物主要以黃褐色的FeO()OH為主，造成拉線棒的二次腐蝕[8-12]。

4 結(jié)論及建議

220 kV輸電桿塔拉線棒腐蝕斷裂的主要是因為拉線棒長期埋設(shè)于Cl-及SO42-含量較高的鹽堿性土壤中，在化學(xué)及電化學(xué)腐蝕的綜合作用下，發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕損傷并最終斷裂。

建議加強對在役拉線塔拉線棒的腐蝕情況檢查力度，尤其是Cl-含量較高的沙漠地區(qū)，發(fā)現(xiàn)腐蝕損傷嚴(yán)重或斷裂應(yīng)及時更換；同時，鑒于沙漠地區(qū)土壤腐蝕性較強，在條件允許的情況下，采用性能較好的高效降阻劑或混凝土加固灌注方法提升拉線棒的防腐水平，避免類似腐蝕失效發(fā)生。