某輸電線路鐵塔角鋼銹蝕分析

何宇航，張 明，余建飛，葉建鋒

（國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

湖北荊門供電公司線路運維人員在日常巡視中發現雙臘線鐵塔主材和塔身腹材發生嚴重銹蝕，利用無人機對地線和塔頭塔材近距離觀察，發現塔頭塔材、聯板、螺栓以及地線存在嚴重銹蝕情況。隨后供電公司運維人員登塔認真檢查統計，80%的斜材和腹材出現不同程度的銹蝕，部分塔材已銹蝕近三分之二。為保證線路供電安全，對銹蝕特別嚴重的塔材進行了更換，并對更換下的銹蝕角鋼進行了機械性能、材質、金相等分析。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及設備

實驗主要原料見表1。

表1 實驗主要原料Table 1 Main experimental materials

實驗主要設備見表2。

1.2 實驗流程及分析方法

1.2.1 實驗流程

首先對腐蝕角鋼外觀進行分析，觀察腐蝕情況，測量厚度等。隨后取角鋼上的腐蝕產物進行后續的腐蝕產物形貌分析和組成分析以確定腐蝕產物的成因和腐蝕過程。同時，取角鋼上腐蝕情況較輕的部分材料進行力學性能分析和材質分析，最后對拉伸試樣進行金相分析以確定其組織是否正常。實驗流程圖見圖1。

表2 實驗主要設備Table 2 Main experimental equipment

圖1 實驗流程圖Fig.1 Experimental flow chart

1.2.2 大氣腐蝕環境分析

雙臘線腐蝕環境參考《湖北電網大氣腐蝕等級分布圖》。鐵塔在不同大氣腐蝕等級下的防腐標準按照《DL/T 1453—2015 輸電線路鐵塔防腐蝕保護涂裝》［1］執行。

1.2.3 角鋼外觀分析

鐵塔角鋼外觀尺寸是否合格以標準《DL/T 1424—2015 電網金屬技術監督規程》［2］為判定依據。

1.2.4 材料拉伸實驗

開展塔材角鋼的拉伸試驗所制備的樣品按照標準《GB/T 228.1—2010 金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》［3］進行。材料力學性能是否合格按照標準《GB/T 700—2006 碳素結構鋼》［4］執行。

1.2.5 材質分析實驗

材質分析采用火花放電原子發射光譜法測定，檢測方法依據標準《GB/T 4336—2016 碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測量》［5］，角鋼化學成分是否合格以標準《GB/T 700—2006 碳素結構鋼》［4］為判定依據。

1.2.6 形貌及元素分析

除去角鋼表面防腐層，刮取角鋼表面腐蝕產物，噴金后用FEI Quanta 200 型掃描電子顯微鏡觀察試樣腐蝕產物形貌，并用Oxford IE250X-Max50型能譜儀進行元素檢測分析。

1.2.7 X射線衍射分析

除去角鋼表面防腐層，對刮取的基體腐蝕產物用研缽研磨至200目后，采用PANalytical X’Pert Pro 型X射線衍射儀進行銹層組分分析。測試儀為Cu靶，掃描范圍10°～55°。

2 實驗結果及分析

2.1 周邊環境及大氣腐蝕性分析

圖2 湖北電網大氣腐蝕等級分布圖Fig.2 Distribution map of atmospheric corrosion grade in Hubei power grid

根據湖北電網大氣腐蝕等級分布圖（圖2）可知，此輸電線路有一部分位于腐蝕較為嚴重的地區，即紅色區域，圖2 中箭頭所指即為試驗樣品所在鐵塔的服役地，正處于該區域內。同時，此腐蝕嚴重的鐵塔周邊有磷礦化工產業園和一條國道，實地勘察后發現粉塵污染比較嚴重。

省內氣候溫熱多雨，雖然大氣中的腐蝕性成分含量較沿海地區的略少，但由于干濕交替頻繁，空氣中氧氣很容易侵入金屬材料表面薄液膜內，造成大氣腐蝕。因此，大氣腐蝕等級分布圖中的紅色區域一般可以等同GB/T 19292.1—2003中C4等級以上的腐蝕環境，按照標準《DL/T 1453—2015 輸電線路鐵塔防腐蝕保護涂裝》，C4 等級腐蝕環境下鍍鋅層每年最大減薄量為4.2 μm，而標準DL/T 1453—2015 要求4 mm 厚度鐵塔角鋼在C4環境下鍍鋅層最小值為55 μm，因此該角鋼在良好防腐的前提下理論上13 年后就會出現鐵基體銹蝕情況，嚴重情況下可能發生安全事故，需要運維單位重點關注，加強防腐維護［6-9］。

2.2 外觀檢查及分析

圖3為鐵塔現場服役照片，針對本基鐵塔，最近一次的防腐處理為2016 年，范圍為整基桿塔。然而，兩年多的時間里，塔材防腐層發生了全面破壞，起皮和鼓泡現象明顯，如圖3紅圈處所示。

圖3 鐵塔現場服役照片Fig.3 Photos of the transmission tower scene

圖4 為從現場取樣的角鋼照片。對樣品進行編號，分別為1號角鋼及2號角鋼，1號角鋼A面局部防腐層脫落，露出紅褐色腐蝕產物，B 面出現腐蝕破損。2號角鋼A 面及B 面出現大面積腐蝕銹穿、防腐層起泡等嚴重腐蝕現象。

對1、2 號角鋼A 面及B 面分別用游標卡尺測量其厚度（未酸洗、未打磨除銹），從圖4中每根角鋼的兩面右端到左端以均勻間隔測10 個點。厚度結果及腐蝕減薄程度（相對于原始厚度4 mm）如表3所示。

根據標準DL/T 1424—2015 中9.1.7 條款要求，鋼結構件厚度腐蝕減薄至原規格80%及以下，或部件表面腐蝕坑深度超過2 mm或者出現銹蝕穿孔、邊緣缺口均應更換或加固處理。此鐵塔角鋼無論是局部厚度還是平均厚度都不滿足標準要求。考慮到外觀尺寸測量時未對防腐層和銹層進行清除，角鋼的實際厚度必然要低于表3中的測量結果，即實際腐蝕減薄比表3中結果更加嚴重。

對2號角鋼上的嚴重腐蝕局部樣品進行宏觀形貌觀察，如圖5 所示，角鋼內部已經發生大面積腐蝕破壞，局部殘缺不全，表面的防腐層脫落殆盡，露出被紅褐色腐蝕產物層覆蓋的基體。角鋼的肢背則呈現黃褐色（圖6），是基體腐蝕產物隨雨水滲出防腐層后留下的印記，鼓泡和空洞遍布全部肢背，防腐層已然失效［10］。

圖4 現場取樣銹蝕嚴重的角鋼圖片Fig.4 Picture of angle steel with serious corrosion

表3 角鋼腐蝕后的厚度（mm）Table 3 Thickness of angle steel after corrosion(mm)

圖5 角鋼腐蝕宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of angle steel corrosion

通過對角鋼的外觀檢查和厚度測量，所有部位的厚度均存在腐蝕減薄現象且遠超標準DL/T 1424—2015 的要求，該角鋼已不滿足繼續服役的條件，必須進行更換或加固處理［11］。

2.3 力學性能分析

對1 號角鋼A 面進行局部取樣，如圖4 中紅色圓圈，樣品加工及拉伸試驗依據標準《GB/T 228.1—2010金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》執行。取樣材料經過酸洗并打磨掉表面腐蝕層后再經過機加工制樣，最后進行拉伸試驗［3］。拉伸試驗結果為：下屈服力為12 719.13 N。為了表征材料本身真實的力學性能，根據酸洗除銹后的試樣截面積計算出屈服強度ReH為250.87 N/mm2，斷裂伸長率26.3%。根據塔材原材料信息，此角鋼采用牌號為Q235。根據標準《GB/T 700—2006 碳素結構鋼》要求，1號角鋼局部取樣進行拉伸試驗，材料本身的力學性能滿足標準要求［12-13］。

2.4 材質分析

對拉伸試驗試樣近斷口處打磨、拋光后露出完整的金屬光澤區域，對此區域選取3 點進行材質分析。檢測方法參照標準《GB/T 4336—2016 碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測量》。材質分析結果如表4所示。

根據試驗結果查閱標準《GB/T 700—2006 碳素結構鋼》中對相應牌號鋼材的成分要求，此角鋼材質符合標準要求。

表4 材質分析結果（質量分數，%）Table 4 Material analysis results(%)

2.5 金相分析

對拉伸試驗試樣近斷口處打磨、拋光后露出完整的金屬光澤區域。用硝酸酒精腐蝕后通過金相顯微鏡觀察其組織。圖7 所示為局部放大500 倍后的金相組織圖。

圖7 局部放大500倍后的金相圖Fig.7 Metallography which is magnified 500 times

從圖7 中可以看出：該角鋼的金相組織為鐵素體加珠光體［14-15］，非金屬夾雜物為DS系0.5級［16-19］（球狀非金屬夾雜物中的最輕微等級），微觀組織未見異常。

2.6 腐蝕產物形貌及元素分析

掃描電鏡結果顯示角鋼腐蝕產物中含有大量結構松散，團絮狀的顆粒物，其間有較多的裂紋和孔洞（圖8）。對圖8中（a）和（b）圖進行能譜分析試驗，檢測到的元素主要為Fe、O，其中有少量的Si、Al 和微量的P、S元素。圖8（a）的元素分析結果見表5，圖8（b）的元素分析結果見表6。元素分析表明腐蝕產物中主要為鐵的氧化物并夾雜著少量的硅和鋁的氧化物顆粒，而腐蝕性元素P和S含量較少。

圖8 腐蝕產物微觀形貌圖Fig.8 Microelectron microscopy of corrosion products

2.7 X射線衍射分析

腐蝕產物層的X 射線衍射圖譜如圖9 所示，結果表明角鋼的腐蝕銹層主要由鐵的各種氧化物、羥基氧化物和水合氧化物組成，其中有少量鐵的磷酸鹽類物質和雜質，但也均存在結晶水，表明腐蝕產物形成過程中有大量的水參與。

表5 圖8（a）元素分析結果（%）Table 5 Element analysis results of Fig.8（a）

表6 圖8（b）元素分析結果（%）Table 6 Element analysis results of Fig.8（b）

圖9 腐蝕產物物相分析Fig.9 XRD analysis of the corrosion products

一般而言，大氣環境中的腐蝕性氣體是導致酸雨并最終導致金屬構件腐蝕的關鍵因素［20-26］，然而對于本基鐵塔的角鋼，根據X射線衍射分析結果，常見的腐蝕性元素PO43-、SO42-在銹層中并未大量存在，而滲透性腐蝕因子Cl-幾乎未檢出［27］，這表明此環境下常規腐蝕性氣體并非造成本基鐵塔和本條線路腐蝕的主要因素，樣品的腐蝕產物中含有較多的水合物和一定量的雜質。基于電化學角度考慮，雜質的電極電位一般高于鐵基材料，因而大量附著在金屬表面，存在電解質的情況下會與金屬發生電化學反應［28-30］。鐵塔服役地區降水充沛，且周邊坐落磷化工產業園，粉塵污染較重，其角鋼表面長期附著電解質液膜，此時電位較高的粉塵顆粒將主導發生電化學反應，對鐵基材料造成原電池腐蝕，從而在角鋼表面形成大量鼓泡，同時滲透到角鋼內部，形成疏松空洞結構。

3 結語

外觀及尺寸分析結果顯示，角鋼所有部位均存在不同程度的腐蝕減薄現象且遠超標準DL/T 1424—2015中9.1.7條款關于腐蝕減薄的要求，該角鋼已不滿足繼續服役的條件，必須進行更換或加固處理。力學實驗、材質分析和金相分析表明角鋼原材料的機械性能和化學成分滿足標準要求。腐蝕產物的元素分析及X射線衍射分析結果表明造成該地區鐵塔和線路腐蝕的主要原因為原電池反應。

綜上所述，長期的電化學腐蝕導致角鋼材料減薄嚴重甚至局部銹蝕缺損，雖然原材料力學性能和化學成分符合標準要求，但外觀尺寸分析表明此角鋼減薄程度大大超出標準要求范圍。對于新更換的塔材，建議按照C4 等級最大腐蝕速率乘以設計使用年限進行鍍鋅層厚度的設計，并嚴格對新塔材進行驗收。