輸電線路桿塔智能腐蝕監測儀的研制與應用

史天如，胡丹暉，朱昌成，王 冠

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北華中電力科技開發有限責任公司，湖北 武漢 430077）

輸電線路桿塔智能腐蝕監測儀的研制與應用

史天如1，胡丹暉1，朱昌成1，王 冠2

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北華中電力科技開發有限責任公司，湖北 武漢 430077）

研制并應用了基于電偶探針的腐蝕監測儀，儀器采用構建模擬放大、時鐘、閃存、AD轉換器等外圍電路，將傳感器采樣信號變為腐蝕信息數據并實現監測數據的在線遠程傳輸。同時，通過戶外大氣環境監測及實驗室條件監測，分析了腐蝕電流值的大小及環境污染物對臨界濕度的影響。

輸電線路；電偶探針；腐蝕監測

0 引言

大氣環境下，有機涂層的老化和材料的腐蝕是輸電線路桿塔設備失效的主要破壞形式。為預測和評估材料在某一環境的腐蝕發展，對環境腐蝕等級進行分級分類是對材料服役壽命進行預測的有效途徑之一，傳統開展腐蝕等級評估的主要方法有標準金屬材料（碳鋼、銅、鋁、鋅）的腐蝕失重法、影響腐蝕的環境因素評估方法[1]等。這些方法數據獲取時間長且獲得比較困難，因此，開展實時在線大氣腐蝕性監測與評估，對了解大氣腐蝕性及材料的腐蝕程度具有實用意義。

材料的腐蝕破壞是一種自發的電化學過程，通過監測材料腐蝕產生的微電流，可以有效了解腐蝕過程信息。20世紀50年代后期，Tomashov[2]首先將電偶電池引入大氣腐蝕研究中，后經Sereda、Kucera及Mansfeld等[3-4]的不斷改進，利用電偶腐蝕原理的電化學電池已成為大氣腐蝕研究的重要方法。本文采用常用的金屬材料組成電偶對來制作雙電極傳感器，通過監測流過外電路中的電流來評估大氣腐蝕性。

1 儀器及測量探頭研制

1.1 儀器研制

圖1 ACM儀原理圖Fig.1 Principle diagram of ACM instrument

本文基于零電阻電路（ZRA）原理[5]，采用具有明顯腐蝕電位差的異種金屬材料構成電偶對，制備雙電極傳感器，通過儀器測量電偶傳感器在腐蝕環境中產生的電偶電流。根據法拉第定律，電流與金屬材料的腐蝕之間存在定量關系，從而判斷大氣的腐蝕等級。電路包括電源、伏特計、運算放大器、電阻等，其電路原理圖見圖1。該ACM儀主要是由數字電路和模擬電路兩部分組成：數字電路包括單片機，A/D轉換器、數據存儲器、程序存儲器、時鐘電路、液晶顯示器、邏緝開關等組成；模擬電路主要有電流檢測電路和信號放大電路組成。儀器以單片機為核心，以EPROM為數據存儲器，可在無人看管下連續記錄數據，高輸入阻抗的運算放大器構成了零電阻電流計，將電流信號轉換成電壓信號，并由電子開關自動選取量程。經A/D轉換，采樣運算結果在顯示器上顯示，并寫入數據存儲器。外部時鐘可記錄開始工作時間，并控制采樣頻率。數據采集完畢后可通過RS232口與計算機進行通信，把數據傳到計算機進行數據處理(如圖2所示)，圖3為ACM儀樣機。

圖2 ACM儀線路及工作原理圖Fig.2 Circuit and working principle diagram of ACM instrument

圖3 ACM儀樣機Fig.3 ACM prototype

1.2 雙電極傳感器(探頭)的研制

雙電極傳感器采用銅片和鋅片、銅片和鋼片、銅絲和鋅絲制備而成，其銅片（絲）一端焊接連通、鋼片或鋅片（絲）一端焊接連通，且采用環氧樹脂封閉，表面經水磨砂紙打磨至600號，表面平整光滑，傳感器采用的電極有鋅銅電極、鋅鋼電極、鋅銅表面噴涂涂層電極，制備不同間距的傳感器探頭，其中片狀電極間的絕緣距離通過隔膜間的絕緣層厚度，絲狀電極間的絕緣距離依靠銅絲表面的絕緣漆膜來控制。片狀電極尺寸及示意圖見圖4，絲狀電極的示意圖見圖5。

圖4 片狀電極和絕緣薄膜的形狀及尺寸（單位：mm）Fig.4 Shape and size of sheet electrode and insulating film(Unit:mm)

圖5 絲狀電極傳感器示意圖Fig.5 Sketch of filamentary electrode sensor

雙電極傳感器的兩組電極交替并排，當有水膜在電極截面間形成回路時，就可通過測量儀測量兩組電極間發生的宏觀電偶腐蝕電流，根據電流值的大小，判定該環境的腐蝕性。為測試制備的雙電極傳感器靈敏度，將新磨制的電極連接至ACM儀，并將探頭置于相對濕度為80%的人工控制氣氛中，測試不同探頭的電流值，通過電流值的大小比較雙電極傳感器靈敏度，其性能參數見表1。

表1 雙電極傳感器性能參數Tab.1 Performance parameters of dual electrode sensors

通過表1可知，鋅鐵雙電極在電極間距為100 μm時靈敏度最佳。

2 戶外大氣環境監測及實驗室條件監測

2.1 濕度與電偶腐蝕電流的關系

采用鋅/鐵（片狀）電極在室溫下，不同濕度條件下進行試驗，圖6為絕緣層間距為100 μm的鋅鐵電極傳感器在不同濕度下的穩定（電偶腐蝕）電流值。

圖6 電流與濕度關系圖Fig.6 Diagram of current and humidity

從圖6中可知，電流的對數值與濕度成線性關系，經過擬合得到穩定電流與濕度的關系式為log（i）=-1.595+0.015 8RH。實際腐蝕過程中，由于腐蝕產物、大氣水溶性沉降物以及塵土在表面積聚都會降低臨界濕度的數值,而采用ACM技術正好克服了這些表面狀態變化所導致的臨界濕度降低的影響作用，真實地反映了曝露全過程中腐蝕產物、水溶性沉降物、鹽類沉降等地影響作用，此外又有ACM的測量結果和腐蝕發生時的表面濕度從開始直至整個過程都是完全吻合這一現場監測數據為基礎，因此可以認為根據ACM電流確定的相對濕度臨界值為60%左右是比較合理的。

2.2 大氣環境下的測量

研制的儀器安置于武漢工業大氣環境條件下進行試驗，將傳感器固定于戶外曝露試驗架上（見圖7），儀器連續采集數據27 d。

圖7 ACM在實際大氣環境中測量Fig.7 ACM measurements in the actual atmospheric environment

當數據采集到100%時，采用無線遠程數據傳輸方式，將儀器記錄數據采集至連接到互聯網的電腦上，并將設備存儲數據清零，然后將所采集數據存儲為文本文件或excel格式文件，并對數據進行分析。圖8為現場采集的電流及濕度圖。

圖8 現場采集電流與濕度圖Fig.8 Collecting current and humidity diagram on the spot

從圖8中可以看出，當濕度低于60%RH時，幾乎沒有電流產生。對于該傳感器來說，在戶外條件下，穩定腐蝕電流約為1×10-5A。

2.3 由ACM電量劃分的腐蝕等級準確性初步驗證

為了檢驗根據ACM技術劃分方法的可靠性和準確性，在武漢戶外曝露試驗站進行一年ACM儀連續監測（探頭每個月打磨一次），同時進行傳統掛片法進行失重試驗。試驗后將ACM儀器采集電流按照法拉第定律換算成鐵的腐蝕速率，并與掛片法獲得的腐蝕速率進行對照，獲得電量與失重之間的關聯性。

從表2中可見，ACM可以測量到的電流，約為腐蝕實際產生電子轉移數的16%，并且在所試驗的時間范圍內（一年）偏差很小，因此，可以采用ACM測量電流的方法進行大氣腐蝕等級評估。在武漢大氣腐蝕試驗站點，本文所研發的探頭可以直接通過電量數據實時獲取碳鋼的腐蝕速率。

表2 由失重法及ACM電量法所獲得腐蝕速率及其確定的腐蝕因子Tab.2 Corrosion rate and corrosion factors determined by weight-loss method and ACM method

2.4 采用ACM探頭監測涂層下腐蝕過程

本文在研制的片狀鋅鐵構成的ACM探頭（電極間距為100 μm）表面制備厚度為35～45 μm的環氧鐵紅涂層，并將探頭浸泡至蒸餾水中，并監測探頭的電偶電流變化，擬研究水汽通過涂層滲透至金屬基材，并引起基材腐蝕的過程，試驗結果見表3。

表3 研制ACM探頭電偶電流與水分子滲透階段對照Tab.3 Comparison of ACM probe galvanic current and water molecular penetration stage

試驗結果表明，水分子在涂層中的傳輸，可根據ACM探頭的電偶電流值來評估水氣傳輸所處的階段，進而可提出不同種類、不同厚度的屏蔽型防護涂層的防護性能，使用壽命，以及維護周期及維護時間點。

3 結語

（1）ACM儀電流范圍1×10-10～1×10-3A，儀器靈敏度1×10-10A，可滿足探頭表面微量電偶電流變化的測量。

（2）雙電極傳感器(探頭)靈敏度高，通過電極間腐蝕的電偶電流變化的測量，了解大氣環境的濕度及環境因素的變化。

（3）通過測量分析，ACM儀測量的電偶電流對數值與濕度成線性關系，經過擬合得到穩定電流與濕度的關系式為log（i）=-1.595+0.015 8RH。在大氣環境中實測值與環境腐蝕性具有較好的對應關系，可對大氣腐蝕性進行監測。

（4）ACM探頭具有電偶腐蝕的高靈敏性，可開發應用于有機涂層下早期腐蝕的監測，相對于其他的監測方法，該方法具有簡便直接、準確真實等優點，這方面的應用還未見報道。

（References）

[1] 中國國家標準化管理委員會.GB/T 19292.1—2003金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類[S].北京:中國質檢出版社,2014.Standardization Administration of PRC.GB/T 19292.1—2003 Corrosion of metal and alloys—Corrosivity of atmosperes[S].Beijing:China Zhijian Publishing House,2014.

[2] Tomashov N D.Teoriya korrozizashchity metalloy(The Theory of Corrosion and Protection of Metals)[M].Moscow:Akad,Nauk SSSR,1960：158-170.

[3] Kucera V,Mattson E.ASTM STP 558 Corrosion in nature environment[S].1974:7

[4] Mansfeld F,Kenkel J V.Electrochemical monitoring ofatmospheric corrosion phenomena[J].Corrosion science,1976,16(3):111-112.

[5] 楊列太.腐蝕監測技術[M].北京:化學工業出版社,2012.YANG Lietai.Techniques for corrosion monitoring[M].Beijing:Chemical Industry Press,2012.

Development and Application of Intelligent Corrosion Monitor for Transmission Line Tower

SHI Tianru1,HU Danhui1,ZHU Changcheng1,WANG Guan2
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;Hubei Central China Technology Development of Electric Power Co.Ltd.,Wuhan Hubei 430077,China)

A corrosion monitor based on galvanic probe is developed and applied in this paper,the monitor adopts the peripheral circuits such asthe analog amplifier,clock,flash memory,AD converter and so on,the sensor sampling signal is changed into corrosion information data,and the remote transmission of monitoring data is realized.At the same time,through the outdoor air envi?ronment monitoring and laboratory condition monitoring,the corrosion current value and the influ?ence of environmental pollutants on the critical humidity are analyzed.

transmission line;galvanic probe;corrosion monitoring

TM75

B

1006-3986(2016)12-0005-04

10.19308/j.hep.2016.12.002

2016-11-03

史天如(1984)，女，山西汾陽人，碩士，高級工程師。