輸電線路鐵塔塔腳銹蝕防治研究

李宇峰，吳培騁，謝錫漢

(廣東電網(wǎng)有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524300)

0 引言

輸電線路是電能從電源側(cè)輸送至用電側(cè)的關(guān)鍵媒介和通道,而鐵塔作為支撐輸電線路的基礎設施,對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。輸電線路常常架設于山間野外,其中鐵塔塔腳長期處于日光暴曬、雨水沖刷、雜草覆蓋、污水浸泡、酸雨侵蝕、生物侵蝕、潮濕空氣腐蝕等惡劣環(huán)境中,再加上部分運維人員日常巡視不到位,使得塔腳銹蝕很難被及時發(fā)現(xiàn),銹蝕缺陷不斷擴大,若不及時治理,可能會造成鐵塔塔腳銹斷甚至倒塔事故[1]。因此,需要在理清鐵塔塔腳銹蝕的危害及銹蝕機理基礎上,及時采取必要的防治措施,為構(gòu)建安全穩(wěn)定的電網(wǎng)系統(tǒng)提供支撐。

1 輸電線路鐵塔塔腳銹蝕特征

輸電線路鐵塔塔腳銹蝕主要是指鐵塔塔腳鋼材與其所在的自然環(huán)境之間發(fā)生物理化學反應,導致塔腳鋼材變質(zhì)直至銹蝕破壞的現(xiàn)象[2]。

1.1 鐵塔塔腳銹蝕地區(qū)分布特征

鐵塔塔腳銹蝕受地域影響較大,特別是在南方局部酸雨地區(qū)和廣東、廣西、海南等沿海地區(qū),塔腳銹蝕現(xiàn)象尤為明顯。此外,內(nèi)陸江河湖泊、工業(yè)區(qū)周邊也是塔腳銹蝕的重災區(qū)。銹蝕程度在地域分布上總體呈現(xiàn)出酸雨和沿海地區(qū)向陸基遞減,江河湖泊及工業(yè)區(qū)向居民和農(nóng)業(yè)區(qū)遞減的特征。

1.2 鐵塔塔腳銹蝕發(fā)生部位

1) 塔腳鋼材—大氣—水泥保護帽交界面是最直接同時也是最易發(fā)生塔腳銹蝕缺陷的部位,約60 %的塔腳銹蝕現(xiàn)象發(fā)生在塔腳鋼材與水泥保護帽交界面。

2) 水泥保護帽內(nèi)部塔腳鋼材和混凝土接觸部位是隱蔽性最強且不易發(fā)現(xiàn)塔腳銹蝕缺陷的部位,約10 %的塔腳銹蝕發(fā)生在水泥保護帽內(nèi)部。只有塔腳鋼材在水泥保護帽內(nèi)部向外部銹穿后才能被發(fā)現(xiàn),這將極大降低桿塔的承載能力,危害性極強。

3) 塔腳板與地腳螺栓連接部位也是較為常見的塔腳銹蝕部位,約30 %的塔腳銹蝕發(fā)生在塔腳板和地腳螺栓處。由于塔腳板和地腳螺栓容易發(fā)生積水,因此,在一些農(nóng)田、低洼地、植物覆蓋區(qū)容易發(fā)生塔腳板與地腳螺栓銹蝕。

1.3 鐵塔塔腳銹蝕程度計算

根據(jù)塔腳銹蝕程度,可將其劃分為良好、輕度銹蝕、明顯銹蝕、嚴重銹蝕四個等級。

1) 良好。塔腳鋼材鍍鋅層完好,表面無任何銹跡。

2) 輕度銹蝕。塔腳鋼材鍍鋅層損壞,露出鋼材接觸面,出現(xiàn)點蝕、輕微面蝕。

3) 明顯銹蝕。塔腳鋼材存在肉眼可見的銹跡和紅褐色銹斑,鋼材表面銹蝕凸起。

4) 嚴重銹蝕。塔腳鋼材銹蝕深度較大,存在嚴重的銹蝕穿透,銹蝕率較大。

銹蝕率(以Δ表示)主要用于表征塔腳銹蝕程度[3],其計算公式如下。

式中,A0為塔腳鋼材初始截面積,m2；A為鋼材銹蝕之后的剩余截面積,m2。

2 輸電線路鐵塔塔腳銹蝕危害分析

1) 改變塔腳鋼材應力集中情況。在正常受力情況下,塔腳鋼材所受應力應為均勻分布狀態(tài),但出現(xiàn)嚴重銹蝕后,隨著鋼材銹蝕率不斷變大,截面積不斷縮小,在銹斷缺口、銹穿洞口、鐵銹溝槽和剛性約束處會出現(xiàn)局部應力驟增,使鋼材發(fā)生疲勞裂紋,直至出現(xiàn)靜載斷裂。

2) 鐵塔承載力嚴重下滑易造成倒塔事故。由于塔腳是整基鐵塔的承力構(gòu)件,若發(fā)生嚴重腐蝕,則易造成塔腳鋼材截面積嚴重損失,結(jié)構(gòu)承載力迅速下降,從而使其承受結(jié)構(gòu)的自重載荷、活載荷、風載荷、地震載荷等載荷能力快速下降,一旦超過承載極限則極易引發(fā)倒塔等安全事故。

3 輸電線路鐵塔塔腳銹蝕機理分析

3.1 析氫腐蝕

當輸電線路鐵塔處于酸雨覆蓋區(qū)、工業(yè)區(qū)等區(qū)域時,潮濕空氣、降雨、積水中都會含有大量的酸根離子,鋼材與酸根離子接觸后,在高溫暴曬下,其表面活躍的鐵、鋅金屬在吸附了酸性較強的溶液時(H2SO4,HNO3)會發(fā)生析氫腐蝕,且腐蝕程度會不斷加深。

1) 鐵材質(zhì)相關(guān)化學反應。

最終Fe(OH)3·H2O失水生成Fe2O3(鐵銹)。

2) 鍍鋅層相關(guān)化學反應。

3.2 吸氧腐蝕

3.2.1 堿性、弱酸性或中性條件

鋼材表面吸附了堿性、弱酸性或中性的溶液時會發(fā)生吸氧腐蝕。塔腳鋼材是不純的金屬制品(合金),當塔腳鋼材表面被潮濕空氣、水包裹接觸時,大氣中的污染物(SO2、NO2)、動植物排泄物及分泌物、化肥農(nóng)藥、空氣鹽霧等溶于水中形成電解質(zhì)溶液,產(chǎn)生了以鐵、鋅為陽極,其他金屬和雜質(zhì)為陰極的原電池反應,該反應不斷進行,造成腐蝕不斷擴大。

1) 鐵材質(zhì)相關(guān)化學反應。

最終Fe(OH)3·H2O失水生成鐵銹。

2) 鋅鍍層相關(guān)化學反應。

Zn(OH)2進一步分解成ZnO,并與CO2生成ZnCO3。

3.2.2 海水浸泡或鹽霧覆蓋條件

塔腳鋼材在海水浸泡、鹽霧覆蓋等條件下,鋼材表面各部位會形成電勢不同的局部腐蝕電池或微電池,與水中溶解的氧發(fā)生吸氧腐蝕,反應生成Fe(OH)3·H2O,之后脫水形成鐵銹(Fe2O3),其主要化學反應如下。

最終Fe(OH)3·H2O失水生成鐵銹。

3.3 化學腐蝕

由于輸電線路鐵塔塔腳長期暴露于野外自然環(huán)境中,如植物覆蓋、積水浸泡、海水沖刷、潮濕空氣等,會導致其發(fā)生自然銹蝕。銹蝕與外界條件因素密切相關(guān),水和空氣的存在是直接因素。鋼的化學性質(zhì)活躍,其發(fā)生自然銹蝕的化學反應如下。

其中,Fe2O3·nH2O呈棕紅色,結(jié)構(gòu)疏松,易吸水,體積膨脹最大達8倍,易導致塔腳銹蝕穿孔。

3.4 塔腳與混凝土自身結(jié)構(gòu)

鐵塔塔腳的腐蝕屬于復雜的多因素交互反應,同時存在電化學反應和化學反應,與周圍環(huán)境及塔腳結(jié)構(gòu)有很大聯(lián)系。塔腳鋼材—空氣—混凝土交界面不致密,容易發(fā)生滲水,縫隙內(nèi)外部氧濃度差較大,產(chǎn)生氧濃度差電池反應,且不同環(huán)境條件下氧濃度差電池反應強度不一致。

4 輸電線路鐵塔塔腳銹蝕防治措施

4.1 基礎改建法

對于銹蝕嚴重、塔腳所處地形復雜、不便于施工作業(yè)、補強較為困難的情形,可以使用基礎改建法進行塔腳銹蝕治理,即在原基礎附近挑選合適的地形新建一個參數(shù)相同的基礎和鐵塔。該方法的缺點是現(xiàn)場地形可能不允許新建基礎和鐵塔以及拆賠成本較大。

4.2 塔腳鋼材—空氣—混凝土交界面密封法

塔腳鋼材—空氣—混凝土交界面存在縫隙導致積水、內(nèi)外氧濃度差等問題,從而引發(fā)電化學腐蝕,這是塔腳銹蝕的主要原因。對此,可以對塔腳鋼材—空氣—混凝土交界面進行密封,避免縫隙積水,阻隔內(nèi)部鋼材與潮濕空氣、污染物接觸,達到防腐的目的。密封法通常使用澆筑瀝青、聚乙烯膠、樹脂、水泥、油漆等物質(zhì)進行縫隙填充。

4.3 塔腳鋼材自身防腐鈍化法

塔腳鋼材自身不僅會發(fā)生電化學腐蝕,還會發(fā)生自然化學腐蝕,對此,可以采用塔腳表面深化鍍鋅隔層、汽油淋浴后再安裝、表面涂防腐漆、表面使用金屬鈍化劑等方法。在日常巡視及塔腳銹蝕特殊巡視中,要注意塔腳銹蝕情況,發(fā)現(xiàn)金屬鍍鋅層脫落,要及時補充防腐漆。

4.4 塔腳鋼材原位焊接補強法

當塔腳鋼材銹蝕嚴重時,為確保鐵塔安全,可以采用塔腳鋼材原位焊接補強法,即將塔腳水泥保護帽破碎,露出內(nèi)部銹蝕鋼材,然后切割掉銹蝕部分,在原位對鋼材焊接高強鋼筋、高強鋼板等高強材料,達到補強和銹蝕防治的目的。

4.5 原位植筋補強法

原位植筋補強法是指將銹蝕的塔腳基礎用鉆孔機等設備進行鉆孔,孔徑大小要適宜,孔洞排列要錯開原有鋼筋,將新鋼筋植入新的孔洞中,構(gòu)成一個新的基礎鋼筋籠,孔洞縫隙采用樹脂、水泥、瀝青等進行密封填充,最后在基礎鋼筋籠中澆筑混凝土,實現(xiàn)塔腳補強。

5 結(jié)束語

輸電線路鐵塔易發(fā)生銹蝕的部位為塔腳鋼材—大氣—水泥保護帽交界面、塔腳板材與地腳螺栓連接部位等,銹蝕速率慢且不易被發(fā)現(xiàn),但其銹蝕危害極大,需要及時采取適當?shù)姆乐未胧母瓷舷F塔銹蝕隱患,提升輸電線路安全運行水平。