海南電網變電站金屬架構防護涂層的使用情況

楊大寧，趙書彥，符傳福，劉福春，陳林聰，韓恩厚

（1.海南電力技術研究院，海口570100；2.中國科學院金屬研究所核用結構材料與安全性評價重點實驗室，沈陽110016）

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海南電網變電站金屬架構防護涂層的使用情況

楊大寧1，趙書彥2，符傳福1，劉福春2，陳林聰1，韓恩厚2

（1.海南電力技術研究院，海口570100；2.中國科學院金屬研究所核用結構材料與安全性評價重點實驗室，沈陽110016）

摘 要：對海南省17個城區33所變電站內設施腐蝕的情況進行了現場考察，調研在海南高溫、高濕、高鹽條件下，變電站設施金屬腐蝕及防護涂層失效的原因，并歸納了現有涂層存在的缺陷，以期為研究適合海南環境中的新型防腐蝕涂料提供依據。結果表明：不同氣候環境中變電站設施腐蝕程度不同，現用防腐蝕涂層的腐蝕類型有全面腐蝕和局部腐蝕。

關鍵詞：電網涂層失效；變電站；鋼架構；腐蝕；特殊環境

在電力系統中，區域性變電站不僅是變換電壓、分配電能、控制電力流向以及調整電壓的電力設施，它還是電網中聯系各級電壓的重要節點。變電站站內設備的運行狀態和可靠性，直接影響電網的安全穩定。相關調研表明［1］，我國的電力系統經常遭遇各種極端自然災害的破壞，其中影響較大的有臺風、雷電、污穢、冰災等，這些自然災害不僅引發電網設備的故障，并且電網設備長期在這種環境中極易發生腐蝕，引起金屬架構材料的失效，金屬構件腐蝕會降低設備的可靠性，產生安全隱患。實踐表明，有多起變電站故障與腐蝕有關，比如西海灘變電站和潭門變電站變壓器散熱器因腐蝕穿孔漏油，不得不停電更換；部分變電站端子箱因腐蝕銹蝕脫落造成密封不嚴致使箱內潮濕，易引起設備誤動；戶外刀閘傳動桿和齒輪盤等部件的銹蝕造成操作機構卡澀、合閘不到位等等。

海南省年平均氣溫在25℃左右，平均相對濕度大于85%［2］，年降雨量1 639 mm，空氣含鹽酸雨總量為370～450 mm［3］，具有代表性的“高溫、高濕、高鹽”大氣腐蝕環境。在這種環境中，保證電網金屬架構的安全運行十分重要。

目前針對大氣環境中的電網設備腐蝕的研究很多［4-11］。正常情況下，處于大氣腐蝕環境中的設備，發生腐蝕多與運行年限長短相關，運行時間越長腐蝕越嚴重。但在大量的變電站檢查中發現，很多設備構件在較短時間內就發生嚴重腐蝕。本工作主要針對海南“高溫、高濕、高鹽”環境中具有代表性的變電站中的現有防護涂層進行調查，從中發現并解決金屬腐蝕問題。

1 各變電站的基本信息

調研了33個具有代表性的變電站，分布于海南的各個市區，以海口為起點沿著海南東線、西線和中線三線開展。海南東線指的是文昌、瓊海、萬寧、陵水一帶，這里陽光充足、雨水豐富；海南西線是指樂東、東方、昌江、儋州、臨高，這里自然條件比較惡劣；海南中線是以五指山市為中心，包括保亭、瓊中、屯昌等縣，海拔相對較高。表1是根據相關氣象資料查到的變電站的部分信息。33座變電站中220 k V變電站4座，110 k V變電站18座，35 k V變電站11座。根據GB/T 19292-2004《金屬和合金的腐蝕》，結合變電站金屬材料腐蝕的特性及現場具體情況，將所有變電站及其設備、材料的腐蝕情況分為沒有腐蝕、輕微腐蝕、較重腐蝕和嚴重腐蝕4個等級。結果發現，33座變電站中遭受嚴重腐蝕的變電站有3座、較重腐蝕的有10座、輕微腐蝕的20座，多座變電站近期做過防腐蝕處理，整體腐蝕現象不是很嚴重。

2 分析表征方法

涂層的厚度依據國家標準GB/T 13452.2-2008，采用美國DeFelsko公司Positector6000系列測厚儀測試。涂層的光澤依據國家標準GB/T 9754-2007，采用德國BYK-Cardner公司微型60°光澤儀測試。涂層微觀形貌采用ESEM（ESEM XL30 FEG）環境掃描電鏡，同時采用ESEM所攜帶的附件EDS來分析涂層中元素的種類、含量。腐蝕產物XRD成分分析采用DMAX/2400 X射線衍射儀（Rigaku Denki）。

3 結果與討論

3.1 現場涂層情況

表1　各變電站年均降雨量、平均溫濕度及腐蝕程度Tab.1 The average annual rainfall，average temperature and humidity，corrosion level of substations

圖1　涂層和玻璃纖維布復合防腐蝕方法Fig.1 Resin and fiberglass cloth combinated anti-corrosion method

圖2為玉州站、興隆站、官塘站、新北站4座變電站現場涂層表面缺陷形貌。可以看出，涂層較薄且無法覆蓋基體，使基體很容易發生腐蝕，見圖2（a）；涂層有橘皮現象，見圖2（b）；涂層有針孔，見圖2（c）；涂層表面不均一、產生花似開裂形貌，見圖2（d）。產生涂層缺陷的原因很多，如施工人員的施工質量、環境因素、噴槍距離、噴涂壓力等因素。測試發現涂層的厚度為20～400μm，厚度不均勻，施工質量相對較差。應該嚴格按照廠家的施工工藝進行施工，避免涂層因施工造成的涂層缺陷，引發基體的腐蝕問題。

圖2　4座變電站現場涂層缺陷形貌Fig.2 Morphology of coating defects in 4 substation：（a）Yuzhou substation；（b）Xinglong substation；（c）Guantang substation；（d）Xinbei substation

多座變電站中涂層存在與基體附著力差的問題，這些基體材料主要為鍍鋅鋼、鋁合金和不銹鋼等。這些涂層幾乎都是近期施工的，但是涂層脫落比較嚴重，見圖3。造成涂層脫落的主要原因是基體前處理不當或者是涂層選擇不當。

圖3　涂層脫落情況Fig.3 Coating exfoliating

圖4　4種代表性涂層的截面形貌Fig.4 Cross morphology of 4 kinds of typical coatings：（a）single-coating；（b）double-coating；（c）triple-coating；（d）multi-coating

圖4為現場采集的四種具有代表性的涂層的截面形貌。采用EDS方法用全譜和點測試，測得涂層中元素的種類，并根據經驗同時結合顏填料的形貌推測涂層中可能含有的主要顏填料，見表2。

3.2 現場腐蝕情況

本次調研通過對海南33個現運行變電站涂層進行實際調查，基本符合金屬構件常見的腐蝕形式［6，12-16］，即涂層剝落引起的基體全面腐蝕和局部腐蝕（包括縫隙腐蝕和焊縫腐蝕）。

表2　現場4種涂層的厚度和EDS分析結果Tab.2 Thickness and EDS analysis of 4 kinds of active coatings

3.2.1全面腐蝕

調查發現，各變電站構架防腐蝕措施大都采用有機涂料。各變電站構架最普遍的腐蝕破壞方式是有機涂層開裂，與鋼構架基體脫離，使得暴露在空氣中的基體發生全面腐蝕。其中海口的和東線城市變電站的腐蝕情況較為嚴重，這是因為這些城區年均降雨量較多。腐蝕最嚴重的是海口西海灘220 k V變電站，該變電站1號主變中性點刀閘保護層大面積開裂、剝落，斷裂面成撕裂狀，腐蝕產物呈紅褐色，且顏色比較鮮艷，見圖5（a），說明腐蝕產物生成不久，構件正處于腐蝕過程中；其次為文昌東路變電站，其腐蝕產物相對較暗，見圖5（b），說明腐蝕產物生成時間比較長。上述變電站中基體都是鋼結構，還有部分為鍍鋅鋼的架構。構件涂層出現開裂脫落現象后，局部涂層與鍍鋅鋼構件脫開，使得鍍鋅鋼基體直接暴露在大氣環境中而發生腐蝕，腐蝕產物為鋅的腐蝕產物“白銹”，說明腐蝕產物在空氣中暴露時間較長。

圖5　由涂層開裂剝落引起的腐蝕Fig.5 Corrosion caused by coating cracking and exfoliating：（a）Xihaitan substation；（b）Donglu substation

造成涂層開裂、剝落的原因是涂層與基體的附著力差，分析是涂層涂裝前基體處理方法不當或處理不徹底、舊涂層老化等所致。為了避免這種腐蝕的發生，施工前基體處理應盡量徹底，遵循“早發現、早處理、早修補”的原則，避免腐蝕的擴大化。

結合中英建筑工程管理專業培養方案比較研究的結果來看，我國建筑工程管理專業教育在許多方面仍舊存在一定的不足，對此，可以從以下幾個方面入手做出改革：

涂層在太陽光照射下容易產生粉化，原因是涂層中有機成分老化降解，顏料從涂層中慢慢析出，表現為涂層表面有粉末狀物質析出，用手輕輕擦拭，掉下白色粉末，見圖6。海南省平均日照時間長，溫度高，涂層很容易產生粉化現象。現場涂層的光澤測試顯示，涂層的光澤在1～40之間，屬于低光涂層，老化后涂層光澤在1～10之間，用手擦拭，掉下很多白色粉末，依據標準GB/T1766-2008《色漆和清漆涂層老化評級方法》評級屬于嚴重粉化等級。隨著老化時間的延長，涂層部分脫落，基體開始被腐蝕，表現為涂層起皮或脫落，部分構件保護層發生點蝕。腐蝕是由太陽光照射、溫度和雨水的反復作用導致的。

圖6　涂層老化照片Fig.6 Photograph of coating aging

3.2.2縫隙腐蝕

調查發現，在金屬表面與墊片、墊圈、襯板、表面沉積物等接觸的地方以及搭接縫、金屬重疊處等區域，涂層沒有覆蓋，通常發生縫隙腐蝕［17-21］。一般認為縫隙腐蝕是由于縫隙內外氧濃度差引起的，由于縫隙內部貧氧，氧的還原反應主要在縫隙外部的金屬表面上進行，縫隙內部金屬溶解產生了過多的正離子（Mn+），為了維持電離子平衡，雨水中Cl-等有害離子從外部遷入縫內，從而加速了金屬的溶解速率，形成一個自催化過程。如圖7（a）兩種基體搭接處，涂層未覆蓋處，容易發生縫隙腐蝕；而在有涂層的情況下，如圖7（b），因為海南省全年雨量豐富，雨水在縫隙中存留的時間較長，如果涂層的抗水滲透性能差，也容易發生縫隙腐蝕，縫隙腐蝕現象在每個變電站內都會出現，只是腐蝕程度不同。

防止縫隙腐蝕的措施主要有：選擇耐縫隙腐蝕的材料；進行合理的防蝕設計；采用電化學保護方法和添加緩蝕劑。

3.2.3焊縫腐蝕

變電站在建設過程中離不開焊接技術，焊接過程中產生的一系列變化，會影響焊接件的腐蝕特性。焊接過程中由于熔化而導致焊縫切面上金屬成分和顯微結構的微小差別，引起這些不同區域之間電化學電位產生差異，從而使得惰性最小的元素優先溶解，所以焊縫處的腐蝕問題也比較突出，焊縫腐蝕現象廣泛存在。焊縫部位因為焊接組織的變化涂層在此處的附著強度降低，涂層的剝落引起基體的腐蝕，腐蝕也會加速涂層的開裂和剝落，且腐蝕速率比別的部位快［22-24］。

圖7　涂層在縫隙處的腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphology in crevice without（a）and with（b）coating

3.3 變電站金屬構架腐蝕機理

本次調查的各變電站基本都處于位置較為偏僻的郊區和鄉鎮，且所處城市基本沒有較大的大氣污染源，故工業氣體對構架腐蝕的影響較小，構架的腐蝕主要與變電站所處地區的地理氣候環境有關。鋼架構和鍍鋅鋼構架暴露在大氣中，在空氣中水蒸氣及O2的作用下發生腐蝕，最終的腐蝕產物為鐵銹（Fe2O3·H2O）。在干燥空氣中，鋅鍍層具有良好的保護性能，但在沿海等潮濕環境中，鋅表面會生成一層氫氧化鋅，在二氧化碳作用下生成堿式碳酸鋅，俗稱＂白銹＂。海南平均相對濕度大于85%，在這種的環境中，變電站內設備很容易發生腐蝕。

腐蝕的實質是基體表面與所處環境中的介質發生化學或電化學作用的結果。鋼構支架中鋅和鐵作為陽極溶解，陽極反應如下：

在水、大氣和土壤中都會發生吸氧腐蝕，并且無論酸、堿還是中性介質中也都會有吸氧腐蝕，陰極反應如下：

堿性、中性條件下：

酸性條件下：

陽極區反應產物的金屬離子和陰極區生成的OH-，將在與金屬表面緊密鄰接的電解液膜層中相互作用，生成的腐蝕產物易附著于金屬表面，成為具有一定保護性的腐蝕產物層。在大氣腐蝕條件下，腐蝕產物的成分和結構往往很復雜。銹層的組成一般分為內、外兩層，外層是容易脫落的疏松附著層；內層則附著牢固，結構比較致密。兩層的成分差別不大，但內層的保護性能較好，即銹層內發生Fe3+→Fe2+的還原反應。而當銹層干燥時，銹層中的Fe3O4又被由大氣滲入銹層的氧重新氧化為Fe2O3。

從現場采集了幾個變電站基體的銹蝕產物，產物外觀為發黑的氧化物，用研缽將產物研成粉末，如圖8，粉末經X射線衍射分析（XRD）得知產物均為自然生成的Fe3O4，說明不同變電站取樣測試后的成分相同，只是強度不同，PDF卡片的卡號為75～1607。

圖8　銹蝕產物的XRD分析譜圖Fig.8 XRD patterns of corrosion products

4 結論

（1）對17個地區共計33個變電站的防護涂層進行了現場考察，發現海口和東線的文昌、瓊海、萬寧、陵水的變電站發生了嚴重的腐蝕，西線和其他東線的變電站腐蝕比較輕微，腐蝕形式都是比較常見的涂層脫落腐蝕、縫隙腐蝕、焊縫腐蝕等。

（2）現場涂層有很多缺陷，施工人員必須嚴格按照嚴格的施工工藝、規范操作。

（3）現場采集的涂層樣品做SEM測試可知，涂層有單涂層、雙涂層、三涂層、多涂層多種形式，厚度范圍大，EDS能譜分析顯示所用涂層中含有顏填料二氧化鈦TiO2，重鈣CaCO3、高嶺土Al2O3·2SiO2· 2H2O、滑石粉3MgO·4SiO2·H2O、Al漿、Zn粉、氧化鐵紅Fe2O3、磷酸鋅Zn3（PO4）2·（2～4）H2O等成分。

（4）XRD測試可知，雖然各個地區環境略有不同，但變電站基體的銹蝕產物成分相同，均為大氣腐蝕產物Fe3O4。

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應用技術

失效分析

Service Conditions of Protective Coatings of Grid Substations in Hainan Province

YANG Da-ning1，ZHAO Shu-yan2，FU Chuan-fu1，LIU Fu-chun2，CHEN Lin-cong1，HAN En-hou2
（1.Hainan Electric Power Research Institute，Haikou 570100，China；2.Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment，Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

Abstract：The corrosion phenomena of 33 substation facilities within 17 cities in Hainan province were analyzed，the failure reasons of coatings and metals in substations in high temperature，high humidity and high salt conditions in Hainan were investigated，and the problems existing in the coatings were summarized.It is found that the levels of corrosion were different in different substations.The corrosion types of the coatings include general corrosion and localized corrosion.The purpose of this research was to provide a basis for the study of new anti-corrosion coatings in Hainan environments.

Key words：power coating failure；grid substation；steel structure；corrosion；special environment

通信作者：劉福春（1966-），研究員，博士，從事納米復合涂料和防腐蝕涂層，15371861880，fcliu@imr.ac.cn

基金項目：中國南方電網公司科技項目（K-HN2013-001）

收稿日期：2015-03-24

DOI：10.11973/fsyfh-201603014

中圖分類號：TG172

文獻標志碼：B

文章編號：1005-748X（2016）03-0249-06