重污染環(huán)境下輸變電金屬設施腐蝕現(xiàn)狀及防治措施分析

薛守洪，劉 莉

(1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2.巴彥淖爾電業(yè)局，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

1 重污染環(huán)境下輸變電金屬設施腐蝕現(xiàn)狀

隨著社會工業(yè)化的不斷發(fā)展，因污染造成的腐蝕不斷加劇，據(jù)統(tǒng)計，我國每年因腐蝕造成的損失約占GDP的3%～5%，據(jù)此測算每年腐蝕損失遠遠大于自然災害和各類事故損失的總和[1]。腐蝕破壞大量的生產裝置、建筑設施，還造成環(huán)境環(huán)境污染問題，甚至危及人類安全和健康。尤其重工業(yè)區(qū)內的冶金、制藥、化工等企業(yè)排放的大氣污染物中含H2S、NH2、SO2、NO2、Cl2、HCl等酸堿性物質，當環(huán)境濕度較大時，空氣中的O2、CO2及其他酸堿性物質和鹽類物質溶解于水膜中，對金屬類材料直接導致酸腐蝕或形成電解液薄層，電解液薄層與金屬材料的表面氧化膜發(fā)生反應而產生孔蝕。如今蒙西包頭、烏海等地區(qū)很多高能耗企業(yè)對輸變電金屬設施造成巨大腐蝕破壞作用，如變電站內鋼芯鋁絞線、鋼結構、斷路器機構箱、端子箱、隔離開關操作箱等表面均存在嚴重腐蝕現(xiàn)象，尤其對鋼芯鋁絞線而言，大氣污染物中SO42-、Cl-等酸性離子腐蝕導線表面形成凹坑，抗拉強度明顯降低，嚴重時會造成斷股、斷線，大大地縮短了導線的使用壽命，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成不利影響。

2 輸變電金屬設施腐蝕防治措施

根據(jù)電網(wǎng)設備腐蝕特點，國網(wǎng)組織制定了DL/T 1425-2005《變電站金屬材料腐蝕防護技術導則》，并逐步對變電站內金屬腐蝕開展了相應治理工作，但大多局限腐蝕現(xiàn)狀檢測，針對腐蝕嚴重的鋼芯鋁絞線、隔離開關等金屬設施，采取的措施大多為更換處理，在運行期間用于這些金屬設施表面的腐蝕防護涂層的應用較少。防腐蝕涂層是通過在金屬表面形成致密的涂層來隔離腐蝕介質與金屬的接觸，起到屏蔽、鈍化、電化學保護作用，以達到防腐目的，在其他工業(yè)領域防腐蝕涂層應用非常廣泛，所以結合輸變電金屬設施現(xiàn)場條件，重污染環(huán)境下在輸變電金屬設施表面涂覆防腐蝕涂層將成為重要的防治措施。

傳統(tǒng)的防腐蝕涂料大多為溶劑型涂料，溶劑型涂料中含有大量的揮發(fā)性有機化合物(VOC)，VOC的主要成分有烴類、鹵代烴、氧烴和氮烴，其包括苯系物、有機氯化物、氟利昂系列、有機酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化合物等[2]。揮發(fā)性有機化合物VOC在大氣中排放，在紫外光作用下，就會與NOx反應形成臭氧，當?shù)孛娲髿猸h(huán)境中臭氧濃度超過0.1×10-6時，就會產生負面影響。隨著人們生活水平的不斷提高和環(huán)保意識的日益增強，溶劑型涂料由于其揮發(fā)性有機化合物(VOC)含量較高受到限制使用，財政部國家稅務總局通知從2015年2月1日起對于施工狀態(tài)下VOC含量大于420g/L的涂料征收消費稅。VOC標準與法規(guī)的出臺，體現(xiàn)了我國對環(huán)境問題的重視，同時推動了涂料行業(yè)的結構調整和產品的升級換代。用水性涂料來替代傳統(tǒng)溶劑型涂料是一條可行途徑，水性涂料是以水為分散介質的一種安全、無毒、環(huán)保的涂料，其VOC含量低，對環(huán)境無污染，便于貯存和運輸，同時涂膜性能也與溶劑型涂料相接近，已成為涂料工業(yè)發(fā)展的一個重要方向和研究熱點。而需求量很大的防腐涂料也必將朝著環(huán)保、節(jié)能、高效的水性化方向發(fā)展，國外甚至已經(jīng)提出將水性防腐涂料用于條件苛刻的重防腐體系[3]。

目前，水性防腐涂料主要可分為四類：水性環(huán)氧防腐涂料、水性丙烯酸防腐涂料、水性無機硅酸富鋅防腐涂料和水性聚氨酯防腐涂料。

2.1 水性環(huán)氧防腐涂料

水性環(huán)氧防腐涂料涂膜對基材的附著力高、耐化學品性優(yōu)、涂膜堅硬耐磨，與其他面漆配套性好，成為水性金屬防腐蝕涂料中應用最廣泛的防腐涂料。但環(huán)氧涂料也存在一些缺點，如戶外耐候性差，涂膜脆性大，為更好地開展水性防腐蝕涂料的應用，國內很多學者開展了水性環(huán)氧樹脂改性及復合防腐體系的研究工作。如王新潮，等[4]利用比表面積分別為200m2/g、400m2/g、500m2/g、600m2/g的工業(yè)級氧化石墨烯制備出石墨烯改性水性環(huán)氧富鋅防腐蝕涂料，耐中性鹽霧試驗結果表明：石墨烯可有效提高防腐蝕涂層耐中性鹽霧腐蝕時間達2 000h以上。王佳平，等[5]采用復合正硅酸四乙酯(TEOS)與正硅酸四甲酯(TMOS)作為硅源制備納米SiO2，進而制成環(huán)氧/納米SiO2復合涂料，在涂層電化學阻抗譜測試分析中，該復合涂料制備的涂層在3.5%NaCl溶液中經(jīng)過600h的浸泡，低頻阻抗為1.18×106Ω·cm2，說明涂層仍然有效，并且耐鹽霧時間達到480h，表現(xiàn)出優(yōu)異的防腐蝕性能。安成強，等[6]將3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)化學接枝在納米TiO2顆粒表面，并均勻分散在水性環(huán)氧涂料中制成Q235鋼試板，電化學工作站測試表明該涂層電阻比空白涂層的電阻提高11倍，證明了APTES接枝改性納米TiO2可直接提高該復合涂層的耐腐蝕性能。袁朝陽，等[7]以填料、分散轉速及分散劑為影響因子，采用正交試驗設計并分別制備了水性環(huán)氧富鋅防腐蝕底漆,通過耐水、耐鹽、耐鹽水等性能測試得出最有涂料配方。劉恒豪[8]將工業(yè)級碳納米管(CNTs)水性漿料加入環(huán)氧乳液中以解決傳統(tǒng)富鋅涂料高鋅含量導致的流平性、附著力等性能下降弊端，試驗結果表明：當60.0%鋅含量體系中加入0.2%CNTs，耐鹽霧時間可高達2 000h，并且還可以降低涂層中10.0%的鋅含量。

2.2 水性丙烯酸防腐涂料

丙烯酸樹脂俗稱有機玻璃，是由甲基丙烯酸甲酯聚合高分子化合物，其與俗稱有機玻璃，是由甲基丙烯酸甲酯聚合高分子化合物，其與苯乙烯或其他丙烯酸酯共聚所得丙烯酸樹脂可作為成膜物質制備丙烯酸涂料，因其有較大的分子量而具有良好保光保色性、耐水耐化學性，同時具有干燥快、施工方便，易于施工重涂和返工等特點。與溶劑型丙烯酸防腐涂料相比，水性丙烯酸涂料的某些性能(如對基材的潤濕、涂膜致密性等)還不完善，目前世界各國對水性丙烯酸涂料的研發(fā)工作集中在新的乳液聚合技術和合成工藝，如微乳液聚合技術、納米改性技術、核殼聚合技術、有機-無機雜化技術等方面，水性丙烯酸涂料的性能也隨之得到逐步提高。王新潮，等[9]利用石墨烯的片層結構和化學穩(wěn)定性開展了水性丙烯酸體系防腐涂料研究，將石墨烯粉體和石墨烯漿料對單組分水性丙烯酸防腐涂料進行改性處理，并與未改性的水性丙烯酸防腐涂料進行對比，研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)石墨烯改性的涂料耐鹽霧時間達到48h即發(fā)生嚴重的腐蝕現(xiàn)象。孫海靜，等[10]分別采用有機硅及環(huán)氧樹脂對丙烯酸樹脂進行改性，通過正交試驗篩選出最優(yōu)配方，成功解決丙烯酸乳液聚合的穩(wěn)定性及漆膜吸水率問題，所制備丙烯酸改性涂料各項性能均滿足GB/ T20623-2006《建筑涂料用乳液》標準的要求。許飛，等[11]制備了新型水性丙烯酸/環(huán)氧雜化乳液，控制該乳液pH在7～7.5之間，利用丙烯酸較高的分子量及環(huán)氧樹脂、固化劑之間的交聯(lián)作用強化涂層的防腐蝕性能及耐堿性，并且涂層干燥時間較短，利于防銹底漆和面漆的更廣泛應用。吳剛，等[12]利用有機硅烷偶聯(lián)劑KH-550對納米SiO2進行修飾改性，同時將丙烯酸類單體接枝到環(huán)氧樹脂乳液中，最后將二者制備成新型的水性環(huán)氧樹脂防腐蝕涂料，該涂料中所含納米SiO2的小尺寸效應填補了涂層的微孔結構，有效阻擋了使用環(huán)境中腐蝕氣氛向金屬基體的滲透，具有較好的防腐蝕性能。

2.3 水性無機富鋅涂料

水性無機富鋅涂料是以無機硅酸鹽為成膜物質，金屬鋅為主要防腐蝕填料，同時添加其他無機氧化物并輔以助劑制備的防腐蝕涂料，成膜時無機硅酸鹽中-OH基團與填料中鋅粉及金屬基體發(fā)生化學鍵合形成硅酸鋅鐵的絡合物，從而固化成膜附著在金屬基體表面起到防護作用。近年來，關于水性無機富鋅涂料的研究取得了一定的進展，如陳春平，等[13]利用掃描電鏡觀察高模數(shù)硅酸鉀溶液與鋅粉發(fā)生化學反應形成的網(wǎng)狀結構膜，通過微觀分析發(fā)現(xiàn)隨著硅酸鉀模數(shù)增加，鋅粉顆粒上粘接的SiO2也會增多，發(fā)生交聯(lián)反應所形成涂膜的致密性增大，涂膜綜合性能明顯提高。鄭磊，等[14]對所制備的自固化水性無機硅酸鋅車間底漆進行了與不同種類底漆的配套兼容性和初期耐水性研究，在耐擦拭性能檢測中白色棉布顏色殘留顯示極淺，表明具有良好的耐擦拭性能，并且漆膜干燥固化1h后耐水性能完好，雨季施工可正常進行。

關振威，等[15]在無機硅酸鹽和有機硅乳液為成膜物質(InOC1)的基礎上，分別制備了納米氧化鋯粉體(PZ-InOC1)、納米氧化鋯分散液(DZ-InOC1)復合涂層材料并進行了耐高溫沖擊性能測試，結果表明涂層耐高溫沖擊性和涂層成分和機構具有關系，粉體ZrO2在成膜物質中易聚集無法分散均勻，雖然成膜物維持原相，但難以提高涂層的瞬時溫度耐受性。

2.4 水性聚氨酯防腐涂料

水性聚氨酯防腐涂料通常作為面漆與環(huán)氧底漆配合使用，以彌補環(huán)氧涂料裝飾性和耐候性差的缺陷，這是因為聚氨酯的分子鏈段中含有氨酯鍵，還可能含有酯鍵、醚鍵、脲鍵等成分，因而具有較好的機械性能，優(yōu)異的低溫成膜性、耐介質性及耐候性，但其在金屬表面的附著力稍遜于環(huán)氧樹脂涂料，所以與環(huán)氧樹脂配合使用可起到更佳的防護效果。同時也可以與丙烯酸涂層配合使用，但現(xiàn)有研究應用大多與環(huán)氧樹脂涂層配合使用，為了進一步改善水性聚氨酯丙烯酸酯涂層的防腐性能，王升文[16]以工業(yè)油酸、環(huán)氧樹脂、聚氨酯等制備了改性納米TiO2/環(huán)氧-聚氨酯乳液，進而制備了水性防腐蝕涂料，熱失重曲線分析顯示加入0.6%TiO2后，環(huán)氧-聚氨酯涂膜硬段相起始分解溫度由237.2℃提高到252.3℃，表明納米TiO2可有效提高防腐涂層的熱穩(wěn)定性能。王欽利，等[17]利用廉價的水玻璃提純出活性硅醇并作為內交聯(lián)劑制備出活性硅醇基聚氨酯水分散體，通過電化學極化曲線測試得出活性硅醇在防腐蝕涂料中添加量為70%時，涂層的電流密度最小且極化電阻最大，說明此時抗腐蝕能力最強。同時200℃～400℃熱分析曲線中加入活性硅醇后失重率降低，顯著提高了涂層的熱穩(wěn)定性。朱科，等[18]利用石墨烯將異氰酸酯改性處理得到復合乳液，經(jīng)過對比試驗分析得出當石墨烯含量占涂層總量的1%時，所進行的電化學極化曲線測試表明防腐蝕效率比空白試樣提高94.7%，同時在低碳鐵基體表面進行的耐鹽霧性能試驗表明比純水性聚氨酯乳液涂層也有較大提升。

3 結束語

國內針對水性環(huán)氧防腐涂料、水性丙烯酸防腐涂料、水性無機硅酸富鋅防腐涂料和水性聚氨酯防腐涂料共四類防腐蝕涂層進行了深入研究，對于重工業(yè)區(qū)內輸變電金屬設施可采取單一或復合涂層體系進行涂覆防腐蝕治理，確保防腐蝕體系具有高耐候性、耐熱性和高穩(wěn)定性，從而保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。