基于BIM技術(shù)的裝配式電站導(dǎo)電防腐保護(hù)模擬試驗(yàn)及應(yīng)用

敖翠玲　李棟梁　許穎　張金偉　劉洪雨

摘 要：針對(duì)裝配式變電站接地網(wǎng)防腐材料防腐效果差，提出一種新型導(dǎo)電防腐涂料的制備。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)制備的涂層為具備導(dǎo)電性質(zhì)的導(dǎo)體，總接觸電阻約為7.96×10-4 Ω，體積電阻率為0.65 Ω·cm，遠(yuǎn)小于土壤電阻率100～5 000 Ω·cm。噴涂有導(dǎo)電防腐涂層的Q235碳鋼在土壤模擬液中浸泡，經(jīng)過(guò)1 008 h模擬土壤液浸泡，涂層電化學(xué)阻抗譜只有較小的變化，涂層阻抗變化隨浸泡時(shí)間的增加反而更加的穩(wěn)定， 低頻阻抗Z0.01始終高于105 Ω· cm2，涂層電阻始終維持在105 Ω·cm2數(shù)量級(jí)，并未出現(xiàn)較明顯的電阻波動(dòng)。當(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)150 h后，特征頻率基本穩(wěn)定在500 Hz左右，腐蝕電流密度低至0.05 μA/cm2，腐蝕電位提升了約250 mV。在10 mA直流雜散電流和100 V電壓強(qiáng)度交流雜散電流腐蝕作用下，涂層均未出現(xiàn)明顯的破壞，涂層表面保持著較完整細(xì)密的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。

關(guān)鍵詞：變電站結(jié)構(gòu)；接地網(wǎng)防腐；導(dǎo)電防腐涂料；電化學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ637 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）06-0094-04

Application of simulated testing for conductive anticorrosion protection in prefabricated substations based on BIM technology

AO Cuiling，LI Dongliang，XU ying，ZHANG Jinwei，LIU Hongyu

（Economic and technological research institute of state grid JiBei electric power Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

Abstract：In response to the poor anti-corrosion effect of anti-corrosion materials for prefabricated substation grounding grids，a new type of conductive anti-corrosion coating is proposed.The test results indicated that the coating prepared in this experiment is a conductor with conductive properties.The total contact resistance was about 7.96 × 10-4 Ω，with a volume resistivity of 0.65 Ω· cm，which was much smaller than the soil resistivity range of 100～5 000 Ω· cm.Q235 carbon steel coated with conductive anti-corrosion coating was immersed in soil simulation solution for 1 008 hours.The electrochemical impedance spectrum of the coating showed only small changes，and the impedance change of the coating became more stable with the increase of immersion time.The low-frequency impedance Z0.01 was always higher than 105 Ω· cm2，and the coating resistance remained at the order of 105 Ω· cm2 without significant resistance fluctuations.After immersion for more than 150 hours，the characteristic frequency was basically stable at around 500 Hz，and the corrosion current density was as low as 0.05? μ A/cm2，the corrosion potential increased by approximately 250 mV.Under the corrosion effect of 10 mA DC stray current and 100 V AC stray current，the coating did not show obvious damage，and the surface of the coating maintained a relatively intact and dense，demonstrating good corrosion resistance.

Key words：substation structure;grounding grid anti-corrosion;conductive anti-corrosion coating;electrochemical performance

接地網(wǎng)作為裝配式變電站的重要組成部分，需要長(zhǎng)時(shí)間在地表下接觸腐蝕物質(zhì)，造成接地電阻升高，腐蝕接地網(wǎng)導(dǎo)體，對(duì)電力系統(tǒng)輸變電安全生產(chǎn)和運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為了解決接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕問(wèn)題，部分學(xué)者也進(jìn)行了研究，如以陰極保護(hù)原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了可自動(dòng)調(diào)控輸出電流，輸出電壓的自動(dòng)控制裝置對(duì)變電站接地網(wǎng)進(jìn)行防腐，并對(duì)其防腐性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)保護(hù)的變電站導(dǎo)體平均腐蝕速率低至0.362 g/cm，可以有效保護(hù)變電站接地網(wǎng)［1］。制備了一種新型電力接地網(wǎng)用導(dǎo)電防腐涂料，通過(guò)體積電阻率測(cè)試、抗劃傷測(cè)試和塔菲爾極化曲線測(cè)試分析涂層的導(dǎo)電和防腐性能，結(jié)果表明該涂料具有優(yōu)異的防腐、抗劃傷和耐雷電沖擊性能，可滿足電力系統(tǒng)接地網(wǎng)使用要求［2］。通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行表面處理達(dá)到防腐目的。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的防腐技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的防腐效果相對(duì)較好，可以在確保涂裝厚度在偏差范圍內(nèi)的條件下，使防腐漆面在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)支架上具有較高的附著力，并保證構(gòu)支架在惡劣條件下具有相對(duì)良好的防腐蝕效果［3］。基于此，試驗(yàn)以文獻(xiàn)[4]的方法為參考，制備出一種新型導(dǎo)電防腐涂料，為變電站接地網(wǎng)防腐提供新的方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：環(huán)氧樹(shù)脂（AR），星辰合成材料；二甲苯（AR），俱輝化工；碳纖維（AR），翎博碳纖維科技；聚合磷酸鋁（AR），方與化工；導(dǎo)電石墨粉（AR），昊陽(yáng)礦產(chǎn)品；固化劑（AR），萬(wàn)青化學(xué)科技。

主要設(shè)備：LD-2671型數(shù)字電阻表龍電電氣設(shè)備；AJ2571型接地電阻測(cè)試儀，安檢電氣；SU3800型掃描電鏡，上多川國(guó)際貿(mào)易。

1.2 試驗(yàn)原理

一般來(lái)說(shuō)，普通防腐涂層的防腐原理在于，在Q235碳鋼表面形成致密的保護(hù)層，進(jìn)而對(duì)碳鋼進(jìn)行很好的保護(hù)。但在現(xiàn)場(chǎng)施工的過(guò)程中，受施工局限性的影響，在噴涂過(guò)程中易出現(xiàn)各種不良缺陷，使得防腐效果受到嚴(yán)重的影響。同時(shí)，腐蝕介質(zhì)還能與碳鋼發(fā)生相應(yīng)的電化學(xué)電極反應(yīng)，生成強(qiáng)堿性的氫氧根離子破壞涂層與金屬的結(jié)合界面，使得涂層與基體間出現(xiàn)鼓包，影響其耐腐蝕效果。本試驗(yàn)通過(guò)在防腐涂料中添加一定的導(dǎo)電材料，增強(qiáng)了涂層的導(dǎo)電性能，當(dāng)腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層內(nèi)部后，反應(yīng)產(chǎn)生的電子迅速沿涂層擴(kuò)散，使得氫氧根和氫氣在涂料外部發(fā)生，避免了鼓包現(xiàn)象。再加上聚磷酸鋁生成的聚磷酸根與金屬陽(yáng)離子發(fā)生化合反應(yīng)，產(chǎn)物為可以提升涂層的致密性。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 導(dǎo)電防腐涂料的制備

按比例將環(huán)氧樹(shù)脂、二甲苯、碳纖維、聚合磷酸鋁和導(dǎo)電石墨粉放入容器中，然后繼續(xù)放入直徑為1 mm的硅酸鋯研磨珠，在1 500 r/min的轉(zhuǎn)速條件下攪拌15 min。并通過(guò)200目不銹鋼網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，得到導(dǎo)電防腐涂料。

1.3.2 導(dǎo)電防腐涂層的制備

將導(dǎo)電防腐涂料與一定固化劑混合，并通過(guò)多功能攪拌機(jī)攪拌均勻，然后通過(guò)空氣噴涂將涂料均勻的噴涂在Q235碳鋼上，干燥7 d后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 導(dǎo)電性能測(cè)試

1）體積電阻率

制作兩端有引線，半徑為5 cm，管長(zhǎng)為8 cm的導(dǎo)電防腐涂料圓柱體，通過(guò)精密度較高的數(shù)字表對(duì)涂料的導(dǎo)電性能進(jìn)行測(cè)試。

體積電阻率表達(dá)式［5-6］：

Pv=R（A／L）（1）

式中：Pv為體積電阻率，Ω·cm；R為電阻，Ω；A為界面劑；L為長(zhǎng)度，cm。

2）接觸電阻

在兩面涂抹導(dǎo)電防腐涂料的碳鋼上焊接頭引線，然后十字交叉放置2個(gè)碳鋼貼片，通過(guò)精密度較高的數(shù)字電阻表對(duì)貼片間平均接觸電阻進(jìn)行測(cè)試。

單位面積接觸電阻表達(dá)式［7］：

Pc=R／2S（2）

式中：Pc為表面接觸電阻，Ω/cm2；R為實(shí)測(cè)2個(gè)貼片間電阻，Ω；S為接觸面積，cm2。

3）接地電阻

通過(guò)接地電阻測(cè)試儀對(duì)碳鋼接地電阻進(jìn)行測(cè)試。

1.4.2 土壤腐蝕加速模擬試驗(yàn)

將質(zhì)量濃度為0.141 g/L氯化鈉、0.079 g/L硫酸鈉和0.014 g/L碳酸氫鈉進(jìn)行混合，并用醋酸將pH值調(diào)至4.5，得到土壤酸性模擬液。通過(guò)模擬腐蝕試驗(yàn)樣對(duì)噴涂有導(dǎo)電防腐涂料的碳鋼進(jìn)行土壤腐蝕加速試驗(yàn)。選擇參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為石墨片，以噴涂有導(dǎo)電防腐涂層的碳鋼為工作電極，進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)。

1.4.3 雜散電流腐蝕加速試驗(yàn)

通過(guò)直流穩(wěn)壓電源和接觸式調(diào)壓器控制直流和交流雜散電流強(qiáng)度分別為10 mA 和 100 V進(jìn)行雜散電流腐蝕加速試驗(yàn)，然后用掃描電鏡觀察腐蝕后的碳鋼形貌變化。

1.5 實(shí)際工程應(yīng)用

1.5.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

以220 kV 的某變電站護(hù)欄改造為研究對(duì)象，利用本試驗(yàn)制備的導(dǎo)電防腐涂料進(jìn)行防腐改造。具體過(guò)程為：

（1）按照噴涂總量為鋼材總量的1.5%將導(dǎo)電防腐涂料均勻噴涂在Q325的護(hù)欄上，然后利用鎂合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)護(hù)欄；

（2）按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行保護(hù)措施的設(shè)置。

1.5.2 施工過(guò)程

按照該變電站接地網(wǎng)圖紙進(jìn)行定位放線，之后相關(guān)人員檢查，確定無(wú)不良情況出現(xiàn)后，進(jìn)行接地體敷設(shè)；然后進(jìn)行雙面搭接焊，由相應(yīng)的監(jiān)理工程師進(jìn)行驗(yàn)收后，進(jìn)行回填施工，最后測(cè)試接地電阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電性能測(cè)試

表1為導(dǎo)電防腐涂料導(dǎo)電性能測(cè)試結(jié)果。

由表1可知，涂層體積電阻率約為0.65? Ω·cm，滿足導(dǎo)體定義中體積電阻率小于106? Ω·cm的規(guī)定，因此可認(rèn)定，本試驗(yàn)制備的涂層為具備導(dǎo)電性質(zhì)的導(dǎo)體［8］。接地網(wǎng)在土壤中的接地體超過(guò)10 000? cm2，其總接觸電阻約為7.96×10-4 Ω，體積電阻率為0.65?? Ω·cm，遠(yuǎn)小于土壤電阻率范圍，表面導(dǎo)電防腐涂層不會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生影響［9-10］。

2.2 土壤腐蝕加速模擬試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 加速模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1為碳鋼模擬加速試驗(yàn)結(jié)果。

由圖1（a）可知，經(jīng)過(guò)1 008 h土壤液浸泡，涂層電化學(xué)阻抗譜變化幾乎可以忽略不計(jì)，即導(dǎo)電防腐涂層在土壤模擬液中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性［11-12］。同時(shí)，涂層阻抗變化隨浸泡時(shí)間的增加反而越加的穩(wěn)定，表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性能［13］。由圖1（b）可知，噴涂有導(dǎo)電防腐涂層的Q235碳鋼在土壤模擬液浸泡過(guò)程中，低頻阻抗 Z0.01始終高于105?? Ω· cm2，表現(xiàn)出較好的防護(hù)性能［14］。

2.2.2 涂層電阻變化

圖2為涂層電阻變化。

由圖2可知，涂層電阻始終維持在105? Ω·cm2數(shù)量級(jí)，電阻波動(dòng)并不明顯，因此可認(rèn)定此時(shí)導(dǎo)電防腐涂層具備較好的導(dǎo)電和防腐效果［15-16］。

2.2.3 電化學(xué)阻抗頻率

通過(guò)電化學(xué)阻抗譜的特征頻率 （fb）隨時(shí)間的變化對(duì)涂層防腐效果進(jìn)行表征，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨模擬試驗(yàn)的進(jìn)行，特征頻率受浸泡時(shí)間的影響逐漸減小，慢慢的趨于穩(wěn)定當(dāng)浸泡時(shí)間超過(guò)150 h后，特征頻率基本穩(wěn)定在500 Hz左右，明顯小于導(dǎo)電防腐涂層失效特征1 400 Hz，表明試驗(yàn)制備的導(dǎo)電防腐涂層表現(xiàn)出良好的耐酸性土壤腐蝕性能［17］。

2.2.4 極化曲線分析

通過(guò)對(duì)噴涂防腐涂料前后Q235碳鋼極化曲線進(jìn)行分析，進(jìn)一步表征涂層防腐性能，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，噴涂有導(dǎo)電防腐涂層的Q235碳鋼腐蝕電流密度從5.1 μA/cm2降低至0.05 μA/cm2，腐蝕電位提升了約250 mV左右。這說(shuō)明本試驗(yàn)制備的導(dǎo)電防腐涂層表現(xiàn)出良好的防腐性能，能有效保護(hù)Q325碳鋼受酸性土壤的腐蝕［18-19］。

2.3 雜散電流腐蝕結(jié)果

通過(guò)掃描電鏡對(duì)雜散電流腐蝕后的Q325鋼微觀形貌進(jìn)行觀察，進(jìn)一步表征導(dǎo)電防腐涂層對(duì)雜散電流腐蝕的防護(hù)效果，在雜散電流腐蝕作用下，涂層表面保持著較完整細(xì)密的結(jié)構(gòu)，表明導(dǎo)電防腐涂層在雜散電流腐蝕作用下對(duì)變電站接地網(wǎng)碳鋼起到了很好的防腐蝕作用［20］。

2.4 BIM模擬

在上述防腐涂層物性基礎(chǔ)上，將參數(shù)輸入到BIM的裝配式變電站中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字變電站的模擬建設(shè)，以此更好的為變電站參數(shù)的變化提供參考。

而通過(guò)數(shù)字化改造后，在部分涂層上，電阻值從原來(lái)的1.42? Ω降低至0.25? Ω，跨步電壓為221.6? V，接觸電壓為200.1? V，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。改造一年后，接地電阻值為0.25? Ω，符合規(guī)程要求。通過(guò)抽樣對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行開(kāi)挖檢查，并未發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)基材有腐蝕現(xiàn)象，這就說(shuō)明本試驗(yàn)制備的導(dǎo)電防腐材料表現(xiàn)出良好的耐腐蝕能力。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，本試驗(yàn)制備的導(dǎo)電防腐涂料對(duì)裝配式變電站接地網(wǎng)表現(xiàn)出良好的耐腐蝕能力，可以作為裝配式變電站接地網(wǎng)防腐材料使用。

（1）導(dǎo)電防腐涂料用于變電站接地網(wǎng)時(shí)，總接觸電阻約為7.96×10-4? Ω，體積電阻率為0.65? Ω·cm，遠(yuǎn)小于土壤電阻率100～5 000? Ω·cm，證明涂層不會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生影響；

（2）經(jīng)過(guò)土壤液浸泡，涂層電化學(xué)阻抗譜變化較小，低頻阻抗 Z0.01始終高于105? Ω· cm2，涂層電阻始終維持在105? Ω·cm2數(shù)量級(jí)，并未出現(xiàn)較明顯的電阻波動(dòng)，浸泡時(shí)間超過(guò)150 h后，特征頻率基本穩(wěn)定在500 Hz左右，腐蝕電流密度降低至0.05?? μA/cm2，腐蝕電位提升了約250 mV左右，表明制備的導(dǎo)電防腐涂層在土壤模擬液中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性能；

（3）在雜散電流腐蝕作用下，涂層表面結(jié)構(gòu)較為完整細(xì)密，耐雜散電流腐蝕性能良好；

（4）將制備的導(dǎo)電防腐涂料用于裝配式變電站接地網(wǎng)的改造，電阻值從原來(lái)的1.42? Ω降低至0.25? Ω，跨步電壓為 221.6? V，接觸電壓為200.1? V。改造一年后，接地電阻值為0.25? Ω，符合規(guī)程要求，耐腐蝕性能良好。

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收稿日期：2023-01-24；修回日期：2023-04-26

作者簡(jiǎn)介：敖翠玲（1970-），女，高級(jí)工程師，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、E-mail：2070183130@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家電網(wǎng)科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：SGTYHT/18-JS-209）。

引文格式：敖翠玲 ，李棟梁，許 穎，等.基于BIM技術(shù)的裝配式電站導(dǎo)電防腐保護(hù)模擬試驗(yàn)及應(yīng)用[J].粘接，2023，50（6）：94-97.