蒙西電網(wǎng)金屬設(shè)備大氣腐蝕與防護(hù)

張雪超，陳 浩，云 峰，呂 磊，孫云飛，樊平成

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

隨著我國(guó)電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，500 kV、800 kV 等更高電壓等級(jí)的變電站和輸電線路相繼建設(shè)，輸電距離和電力覆蓋范圍也越來(lái)越大，對(duì)電力設(shè)備的可靠性和安全性提出了更高要求。蒙西電網(wǎng)供電面積72 萬(wàn)平方公里，服務(wù)人口1429 多萬(wàn)。但內(nèi)蒙古是世界最大的“露天煤礦”之鄉(xiāng)，煤炭資源豐富，分布廣、儲(chǔ)量大、埋藏淺、易開發(fā)、煤種全，是中國(guó)重要的能源保障基地。截至2016 年底，內(nèi)蒙古全區(qū)累計(jì)查明煤炭資源量10 246 億噸，居全國(guó)首位；全國(guó)原煤累計(jì)產(chǎn)量33.64 億噸，內(nèi)蒙古原煤產(chǎn)量8.38 億噸，占全國(guó)的24.9%，為中國(guó)煤炭產(chǎn)量第一大省。2019年1～6 月全國(guó)發(fā)電量為33 672.8 億千瓦時(shí)，其中內(nèi)蒙發(fā)電量為2 536.5 億千瓦時(shí)，是第二大發(fā)電省份[1]。截至2018 年底，蒙西電網(wǎng)運(yùn)行500 kV 變電站27 座、220 kV 變電站151 座，同時(shí)到2020 年，基本形成“四橫五縱”的500 kV 主干網(wǎng)[2]。

電網(wǎng)所涉及的金屬設(shè)備有超過90%設(shè)備長(zhǎng)期服役在各種自然環(huán)境中，環(huán)境腐蝕不僅是輸變電設(shè)備的主要失效型式之一，也會(huì)降低電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，甚至造成重大安全隱患[3]。導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備發(fā)生腐蝕的環(huán)境因素中，大氣腐蝕占很大比例[4]。為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備腐蝕失效的防護(hù)和治理也提了更高的要求。

1 大氣腐蝕

大氣腐蝕是指金屬在大氣自然環(huán)境條件下，與大氣污染物反應(yīng)而發(fā)生腐蝕的過程。電網(wǎng)的大部分金屬設(shè)備均處于大氣環(huán)境中，如輸電線路、桿塔、金具、變電站箱體等，因此大氣腐蝕對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的影響非常普遍。大氣對(duì)電網(wǎng)金屬設(shè)備的影響因素主要包括氣象條件和大氣污染物。

1.1 氣象條件

（1）相對(duì)濕度。金屬部件存在腐蝕臨界相對(duì)濕度，當(dāng)相對(duì)濕度超過腐蝕臨界相對(duì)濕度后，大氣腐蝕隨著電解液膜厚度的增大而明顯加速；當(dāng)濕度足夠大，如降雨后，液膜覆蓋金屬表面，氧與金屬隔離，腐蝕速率又會(huì)降低。金屬表面的腐蝕臨界相對(duì)濕度不是固定值，根據(jù)金屬材質(zhì)、表面狀態(tài)、腐蝕情況有所不同，對(duì)于電網(wǎng)金屬設(shè)備，表面金屬一般為鐵、鋅、鋁等，其腐蝕臨界相對(duì)濕度為50%～70%[5]。

（2）表面潤(rùn)濕時(shí)間。指導(dǎo)致腐蝕的電解液膜覆蓋金屬表面的時(shí)間，腐蝕程度與潤(rùn)濕時(shí)間成正相關(guān)。工程中有效濕潤(rùn)時(shí)間一般指溫度＞0 ℃而相對(duì)濕度≤80%的時(shí)間。潤(rùn)濕時(shí)間和材料以及環(huán)境的濕度有關(guān)。

（3）降雨。降雨對(duì)金屬腐蝕的影響看法不一，一方面降雨會(huì)影響大氣的相對(duì)濕度和潤(rùn)濕時(shí)間，從而影響腐蝕速率，一般來(lái)說(shuō)，降雨多，則腐蝕速率會(huì)增大；但另一方面，降雨會(huì)沖刷掉金屬表面的附著物，降低腐蝕腐蝕速率。降雨也對(duì)設(shè)備起到清洗的作用[6]。

1.2 腐蝕物質(zhì)

大氣中含有不同種類的腐蝕物質(zhì)，如CO2、臭氧、氨氣、NO、NO2、H2S、SO2、HCl 等，尤其是工業(yè)區(qū)及附近，工廠的排放物中污染物的含量更高。其中氯化物、SO2、NOx以及顆粒物等污染源的污染最為嚴(yán)重，尤其是對(duì)鍍鋅層的腐蝕，如圖1 所示。

圖1 鐵塔鍍鋅層大氣腐蝕

Zn 作為一種良好的防腐涂層廣泛用于電網(wǎng)金屬設(shè)備的保護(hù)中，主要通過主動(dòng)提供電子，犧牲自身，保護(hù)內(nèi)部鋼鐵設(shè)備，同時(shí)自身腐蝕產(chǎn)物致密，可以減緩腐蝕速率。其腐蝕機(jī)理如下式[7]：

反應(yīng)生成的Zn（OH）2很容易與空氣中的CO2反應(yīng)生成ZnCO3。同時(shí)，由于Zn 比Fe 活潑，即使在干燥的大氣中也能與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成ZnO。因此，鋼鐵件表面的鍍鋅層受到腐蝕后，生成的表面氧化物主要由Zn（OH）2、ZnCO3和ZnO 三種物質(zhì)。Zn（OH）2和ZnO 成白色，也稱“白銹”，與CO2反應(yīng)后出現(xiàn)黑斑。當(dāng)內(nèi)部鐵開始與大氣直接接觸，腐蝕會(huì)非常快。如Q235 鋼在含SO2的大氣中的腐蝕產(chǎn)物有FeSO4·7H2O，F(xiàn)e2（SO4）3·9H2O、γ-FeOOH、σ-FeOOH 等。大氣中SO2是導(dǎo)致腐蝕的關(guān)鍵因素[8]。Cl-的存在會(huì)對(duì)S 的腐蝕起到協(xié)同作用[9]。

2 腐蝕防護(hù)

對(duì)電網(wǎng)設(shè)備采取切實(shí)可行的防護(hù)措施，在設(shè)計(jì)制造階段采取有效方法，對(duì)已服役設(shè)備的腐蝕采取有效治理，提高設(shè)備可靠性至關(guān)重要。同時(shí)對(duì)于不同設(shè)備、不同地區(qū)環(huán)境要采用差異化管理，采取不同的腐蝕防護(hù)和治理方案，可達(dá)到更好的效果。

2.1 采用熱鍍鋅技術(shù)

熱鍍鋅是使熔融金屬與鐵基體反應(yīng)而產(chǎn)生合金層，熱鍍鋅相較于冷鍍鋅技術(shù)具有鍍層均勻、附著力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其防腐性能更好。

2.2 采用耐腐蝕材料

對(duì)于鋼絞線，可改善其表面質(zhì)量，如鍍鋁、鍍鋅或鍍含稀土元素的鋁鋅合金；或者將碳纖維導(dǎo)線用在輸電線路上[10]。在輸變電設(shè)備中，也可多采用鋁合金構(gòu)件，鋁合金耐大氣腐蝕，無(wú)需采用熱鍍鋅或防腐蝕涂層進(jìn)行表面防護(hù)，易于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的二次加工與安裝，使用周期長(zhǎng)。在稱重結(jié)構(gòu)中，多實(shí)用耐候鋼，可提高抗腐蝕能力。新的耐腐蝕材料的使用會(huì)導(dǎo)致初期投資成本高，但后期治理費(fèi)用低，長(zhǎng)期效果好，同時(shí)也要加強(qiáng)新材料的研發(fā)，以滿足工程需求。

2.3 采用新型涂層防護(hù)技術(shù)

防腐涂層技術(shù)對(duì)治理在役設(shè)備腐蝕非常有效，由于其成本低、施工方便、防腐效果好被廣泛應(yīng)用。將防腐涂料如氟樹脂防腐涂料、硅氟共聚物防腐涂料、聚氨醋樹脂、高聚物合金重防腐涂料、納米改性防腐涂料等刷涂或噴涂在金屬部件表面，以起到防腐效果。

對(duì)不同設(shè)備、不同地區(qū)環(huán)境要采用差異化管理，采取不同的腐蝕防護(hù)和治理方案，可達(dá)到更好的效果[11]。

3 結(jié)論

含硫、氮、氯等元素的化合物和鹽類物質(zhì)對(duì)金屬設(shè)備及其表面鍍層的腐蝕是大氣腐蝕的主要原因，加強(qiáng)環(huán)境物質(zhì)的監(jiān)測(cè)，綜合采用熱鍍鋅技術(shù)、新材料技術(shù)、新涂層技術(shù)等，因地制宜采取腐蝕防護(hù)和治理，可有效提高電網(wǎng)設(shè)備的可靠性。

項(xiàng)目來(lái)源：內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司2019 年科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019-102）。