輸變電電塔設備防護涂層耐腐蝕性能研究

李昕，吳昊波，劉琴

（內蒙古電力（集團）有限責任公司鄂爾多斯供電分公司，鄂爾多斯 017004）

引言

輸變電電塔設備作為輸變電系統(tǒng)中重要的金屬結構裝置，其服役穩(wěn)定性對于整個電網(wǎng)的安全運行是十分重要的。輸變電電塔設備在長期服役過程中會遭遇不同程度的腐蝕破壞，銹蝕后輸電塔的各項性能大幅度下降，嚴重影響電網(wǎng)的工作效率與安全。尤其在沿海以及工業(yè)污染較為嚴重的環(huán)境中時，大氣中所含的Cl-、SO2、NO2腐蝕介質濃度較高，嚴重危害輸電塔安全運行，同時造成了經濟上的重大損失[1-3]。研究表明，高濕度和鹽度、pH范圍和溫度條件，都顯著提高了腐蝕過程的速率，所以減緩電網(wǎng)輸變電電塔設備在自然環(huán)境下的腐蝕是我們迫切需要解決的問題[4-6]。目前，輸變電電塔設備常用的抗腐蝕技術主要有熱浸鋅防護技術與涂料涂層防護技術兩種[7]。但均具有成本過高、施工復雜和服役穩(wěn)定性等問題。針對以上不足，急需開發(fā)新的防腐蝕涂層材料。

1 實驗材料與測試參數(shù)

1.1 涂層制備與基材選擇

本文以45#鋼為實驗基體，在當前的輸變電電塔設備腐蝕防護技術中，保護性涂料都面臨著結合力不好和服役時長較大時易粉塵化的弊端，因此，本文使用噴涂型金屬涂層對表面進行處理達到腐蝕防護的目的。其中，熱噴涂易造成活性噴涂材料的快速氧化，而Zn和Al材料都為典型的活性材料，易在噴涂過程中在高溫環(huán)境下形成氧化物，降低犧牲陽極的效率[7]。基于以上特性，這里通過ANESTIWATA冷氣動力學噴涂設備制備Al-Zn金屬涂層，制備前需要對基體進行預處理，通過噴砂去除表面殘存的污染物。噴涂載氣溫度 230 ℃，載氣壓力為 1.8 MPa，進粉速率為 1.6 g/s，噴涂距離為 20 mm。

1.2 電化學測試

極化曲線（Polarization curve）是表征電極表面電位與極化電流的關系曲線，在金屬腐蝕電極體系中，金屬電極表面同時發(fā)生陽極溶解和陰極還原反應，通過對極化曲線進行 Bulter-Volmer（B-V）方程擬合得到材料的腐蝕速率等參數(shù)[8,9]，測試開始前需要靜置 10 min 等待體系穩(wěn)定，常規(guī)動電位極化曲線由相對開路電位-300 mV起始，以 1 mV/s 的速度正向掃描，采樣間隔 1 mV/s，當陽極電流密度達 到 1 mA/cm2停止。

1.3 腐蝕失重測試

重量法是測定金屬腐蝕速度的一種方法。其試驗結果由單位時間內的單位面積下材料的質量變化得到，以失重法、增重法為主，大多用于均勻腐蝕類型下的腐蝕速度評價，是應用最為廣泛的實時腐蝕速度評價測試方法[10]。對于失重法，其腐蝕速度可用以下公式得到：

式中：

S—腐蝕速度；

W0、W—測試前后的材料質量；

A—面積；

t—時間。

具體實驗步驟如下：①去離子水沖洗吹干后測量試樣的初始重量。②腐蝕環(huán)境使用同樣的3.5 wt.%溶液，將試樣至于溶液中。③試樣浸泡2 h，5 h，12 h，24 h，48 h，96 h后取出，去離子水沖洗后吹干。④在去腐蝕產物劑中超聲震蕩十分鐘。⑤測量此時試樣的質量。去腐蝕產物劑由1∶1的濃鹽酸和水，添加3.5 g/L的六次甲基四胺制成。

2 實驗結果

2.1 涂層表征

圖1為兩種金屬涂層的截面 SEM 形貌圖。由圖可知，兩種涂層厚度均為30 μm左右，涂層與基體之間的附著情況良好。表面的金屬層界面區(qū)分明顯，圖1中均可看到細小的金屬顆粒堆積在材料表面，組成完整的金屬涂層，其中， Zn涂層（圖1（a））中的顆粒小孔隙較大，而Zn-Al合金涂層之間的結合較為致密，孔隙較小，對腐蝕介質的物理屏蔽作用較差。

圖1 Zn 和Al-Zn涂層的截面 SEM 形貌圖

為了進一步判斷冷噴鋅和冷噴鋁鋅兩種涂層的構成成分，對涂層表層進行了 EDS分析，結果如表1 所示。如表所示，冷噴鋅涂層主要由 Zn、O、C元素構成，大量的Zn元素可以確保金屬材料出現(xiàn)腐蝕時具備犧牲陽極的保護效應，且Zn涂層本身就具備一定的耐蝕性。冷噴鋁鋅涂層主要是由Al、Zn、O 元素構成，其中Al元素的含量最多，達到了78 %以上，Zn元素占比在13 %左右，但這使得鋁鋅涂層同時具有鋁的鈍化膜保護作用和鋅的穩(wěn)定性，進而擁有優(yōu)良的耐腐性能。由于Zn和Al兩種涂層中的O 元素的主要來源是樣品在噴涂過程中的氧化，或者樣品在空氣中存放時間過長導致表面金屬元素發(fā)生了氧化。C元素的來源則可能是樣品制作過程中的污染或者是樣品在測試之前沒有將表面清潔干凈。

表1 三種金屬涂層的組成成分與含量

2.2 極化曲線測試

圖2是在3.5 wt.%的NaCl溶液中45#鋼基體和冷噴Zn涂層和冷噴Al-Zn涂層的極化曲線圖。從圖2中可以知道三種材料均呈現(xiàn)為活化溶解的趨勢。Fe、Zn和Al材料都是典型的活化材料，在3.5 wt.%NaCl溶液中呈現(xiàn)均勻腐蝕狀態(tài)，在冷噴過程中，也不會出現(xiàn)劇烈的氧化產生氧化膜，所以Al-Zn涂層均為活化溶解狀態(tài)。而雖然冷噴過程中Zn材料可能快速氧化在表面產生氧化物，但無法保證ZnO在材料表面的完全覆蓋，而ZnO-Zn原電池的組成仍然會加速Zn的腐蝕效應，因此Zn涂層也呈現(xiàn)活化狀態(tài)。對三種材料的極化曲線進行B-V方程擬合，得到腐蝕電流密度，以此來評價涂層耐腐蝕性能，涂層腐蝕電流密度越小，腐蝕速度就越低，耐腐蝕性能就越好。結果如表2所示，由表可以看出45#鋼，冷噴鋅涂層以及冷噴鋁鋅涂層這三種涂層的腐蝕電流密度分別為2.48×10-5，8.86×10-6和3.48×10-6。由此可知，冷噴Zn涂層和冷噴Al-Zn涂層都具有較好的腐蝕防護性能，且冷噴Al-Zn涂層的耐腐蝕性能最好。

表2 三種金屬涂層的自腐蝕電位與腐蝕電流密度表

圖2 基體與兩種涂層的極化曲線圖

2.3 失重測試

對三組試樣表面進行逐級打磨至2000#，酒精沖洗后冷風吹干，實驗開始前，用電子天平先秤取初始重量，再置于3.5 wt.%NaCl溶液中，腐蝕浸泡時間設為2 h，5 h，12 h，24 h，48 h和96 h，室溫（25±2）℃下進行測試。45#鋼，冷噴Zn層和冷噴Al-Zn層在焊接試樣在3.5 wt.%NaCl溶液中腐蝕浸泡后的腐蝕失重速度的測試結果，如圖3所示。由圖可知，作為基體的45#鋼和冷噴得到的Zn和Al-Zn層都隨著浸泡時間的增加而增加，且隨著表面腐蝕產物的堆積，三種材料的腐蝕速度也在下降，這說明兩種涂層在服役過程中具備一定的穩(wěn)定性。且兩種涂層的腐蝕失重結果與極化曲線的結果相一致，即Zn涂層與Al-Zn涂層都具備一定的腐蝕防護作用，且Al-Zn涂層的防腐效果要更好。

圖3 基體和兩種涂層的腐蝕失重曲線

3 結論

輸變電電塔設備的腐蝕防護研究對電塔長時間穩(wěn)定服役有著十分重要的意義，本文易冷噴的方式在45#鋼基體沉積了Zn和Al-Zn涂層，通過表面形貌觀察，電化學腐蝕測試和失重實驗，得到以下結論：

1）Zn-Al 合金涂層的致密性比Zn涂層更好，由橢球狀和葫蘆狀的合 金顆粒交錯互嵌堆積而成，鍍層顆粒之間以類似隼接的連接方式搭接“卡鎖”。

2）Zn涂層和Zn-Al涂層都對基體有較好的腐蝕保護性能，且Al-Zn涂層的耐蝕性更好，腐蝕電流密度僅為Zn涂層的39.2%，是較為理想的腐蝕保護涂層。