基于BIM技術的裝配式電站導電防腐保護模擬試驗及應用

敖翠玲　李棟梁　許穎　張金偉　劉洪雨

摘 要：針對裝配式變電站接地網防腐材料防腐效果差，提出一種新型導電防腐涂料的制備。試驗結果表明，試驗制備的涂層為具備導電性質的導體，總接觸電阻約為7.96×10-4 Ω，體積電阻率為0.65 Ω·cm，遠小于土壤電阻率100～5 000 Ω·cm。噴涂有導電防腐涂層的Q235碳鋼在土壤模擬液中浸泡，經過1 008 h模擬土壤液浸泡，涂層電化學阻抗譜只有較小的變化，涂層阻抗變化隨浸泡時間的增加反而更加的穩定， 低頻阻抗Z0.01始終高于105 Ω· cm2，涂層電阻始終維持在105 Ω·cm2數量級，并未出現較明顯的電阻波動。當浸泡時間超過150 h后，特征頻率基本穩定在500 Hz左右，腐蝕電流密度低至0.05 μA/cm2，腐蝕電位提升了約250 mV。在10 mA直流雜散電流和100 V電壓強度交流雜散電流腐蝕作用下，涂層均未出現明顯的破壞，涂層表面保持著較完整細密的結構，表現出良好的耐腐蝕性能。

關鍵詞：變電站結構；接地網防腐；導電防腐涂料；電化學性能

中圖分類號：TQ637 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0094-04

Application of simulated testing for conductive anticorrosion protection in prefabricated substations based on BIM technology

AO Cuiling，LI Dongliang，XU ying，ZHANG Jinwei，LIU Hongyu

（Economic and technological research institute of state grid JiBei electric power Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

Abstract：In response to the poor anti-corrosion effect of anti-corrosion materials for prefabricated substation grounding grids，a new type of conductive anti-corrosion coating is proposed.The test results indicated that the coating prepared in this experiment is a conductor with conductive properties.The total contact resistance was about 7.96 × 10-4 Ω，with a volume resistivity of 0.65 Ω· cm，which was much smaller than the soil resistivity range of 100～5 000 Ω· cm.Q235 carbon steel coated with conductive anti-corrosion coating was immersed in soil simulation solution for 1 008 hours.The electrochemical impedance spectrum of the coating showed only small changes，and the impedance change of the coating became more stable with the increase of immersion time.The low-frequency impedance Z0.01 was always higher than 105 Ω· cm2，and the coating resistance remained at the order of 105 Ω· cm2 without significant resistance fluctuations.After immersion for more than 150 hours，the characteristic frequency was basically stable at around 500 Hz，and the corrosion current density was as low as 0.05? μ A/cm2，the corrosion potential increased by approximately 250 mV.Under the corrosion effect of 10 mA DC stray current and 100 V AC stray current，the coating did not show obvious damage，and the surface of the coating maintained a relatively intact and dense，demonstrating good corrosion resistance.

Key words：substation structure;grounding grid anti-corrosion;conductive anti-corrosion coating;electrochemical performance

接地網作為裝配式變電站的重要組成部分，需要長時間在地表下接觸腐蝕物質，造成接地電阻升高，腐蝕接地網導體，對電力系統輸變電安全生產和運行產生嚴重的影響。為了解決接地網導體腐蝕問題，部分學者也進行了研究，如以陰極保護原理為基礎，設計了可自動調控輸出電流，輸出電壓的自動控制裝置對變電站接地網進行防腐，并對其防腐性能進行研究。試驗結果表明，該系統保護的變電站導體平均腐蝕速率低至0.362 g/cm，可以有效保護變電站接地網［1］。制備了一種新型電力接地網用導電防腐涂料，通過體積電阻率測試、抗劃傷測試和塔菲爾極化曲線測試分析涂層的導電和防腐性能，結果表明該涂料具有優異的防腐、抗劃傷和耐雷電沖擊性能，可滿足電力系統接地網使用要求［2］。通過對鋼結構支架進行表面處理達到防腐目的。試驗結果表明，設計的防腐技術在實際應用中的防腐效果相對較好，可以在確保涂裝厚度在偏差范圍內的條件下，使防腐漆面在鋼結構構支架上具有較高的附著力，并保證構支架在惡劣條件下具有相對良好的防腐蝕效果［3］。基于此，試驗以文獻[4]的方法為參考，制備出一種新型導電防腐涂料，為變電站接地網防腐提供新的方法。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：環氧樹脂（AR），星辰合成材料；二甲苯（AR），俱輝化工；碳纖維（AR），翎博碳纖維科技；聚合磷酸鋁（AR），方與化工；導電石墨粉（AR），昊陽礦產品；固化劑（AR），萬青化學科技。

主要設備：LD-2671型數字電阻表龍電電氣設備；AJ2571型接地電阻測試儀，安檢電氣；SU3800型掃描電鏡，上多川國際貿易。

1.2 試驗原理

一般來說，普通防腐涂層的防腐原理在于，在Q235碳鋼表面形成致密的保護層，進而對碳鋼進行很好的保護。但在現場施工的過程中，受施工局限性的影響，在噴涂過程中易出現各種不良缺陷，使得防腐效果受到嚴重的影響。同時，腐蝕介質還能與碳鋼發生相應的電化學電極反應，生成強堿性的氫氧根離子破壞涂層與金屬的結合界面，使得涂層與基體間出現鼓包，影響其耐腐蝕效果。本試驗通過在防腐涂料中添加一定的導電材料，增強了涂層的導電性能，當腐蝕介質進入涂層內部后，反應產生的電子迅速沿涂層擴散，使得氫氧根和氫氣在涂料外部發生，避免了鼓包現象。再加上聚磷酸鋁生成的聚磷酸根與金屬陽離子發生化合反應，產物為可以提升涂層的致密性。

1.3 試驗方法

1.3.1 導電防腐涂料的制備

按比例將環氧樹脂、二甲苯、碳纖維、聚合磷酸鋁和導電石墨粉放入容器中，然后繼續放入直徑為1 mm的硅酸鋯研磨珠，在1 500 r/min的轉速條件下攪拌15 min。并通過200目不銹鋼網進行過濾，得到導電防腐涂料。

1.3.2 導電防腐涂層的制備

將導電防腐涂料與一定固化劑混合，并通過多功能攪拌機攪拌均勻，然后通過空氣噴涂將涂料均勻的噴涂在Q235碳鋼上，干燥7 d后繼續進行試驗。

1.4 性能測試

1.4.1 導電性能測試

1）體積電阻率

制作兩端有引線，半徑為5 cm，管長為8 cm的導電防腐涂料圓柱體，通過精密度較高的數字表對涂料的導電性能進行測試。

體積電阻率表達式［5-6］：

Pv=R（A／L）（1）

式中：Pv為體積電阻率，Ω·cm；R為電阻，Ω；A為界面劑；L為長度，cm。

2）接觸電阻

在兩面涂抹導電防腐涂料的碳鋼上焊接頭引線，然后十字交叉放置2個碳鋼貼片，通過精密度較高的數字電阻表對貼片間平均接觸電阻進行測試。

單位面積接觸電阻表達式［7］：

Pc=R／2S（2）

式中：Pc為表面接觸電阻，Ω/cm2；R為實測2個貼片間電阻，Ω；S為接觸面積，cm2。

3）接地電阻

通過接地電阻測試儀對碳鋼接地電阻進行測試。

1.4.2 土壤腐蝕加速模擬試驗

將質量濃度為0.141 g/L氯化鈉、0.079 g/L硫酸鈉和0.014 g/L碳酸氫鈉進行混合，并用醋酸將pH值調至4.5，得到土壤酸性模擬液。通過模擬腐蝕試驗樣對噴涂有導電防腐涂料的碳鋼進行土壤腐蝕加速試驗。選擇參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為石墨片，以噴涂有導電防腐涂層的碳鋼為工作電極，進行電化學試驗。

1.4.3 雜散電流腐蝕加速試驗

通過直流穩壓電源和接觸式調壓器控制直流和交流雜散電流強度分別為10 mA 和 100 V進行雜散電流腐蝕加速試驗，然后用掃描電鏡觀察腐蝕后的碳鋼形貌變化。

1.5 實際工程應用

1.5.1 試驗準備

以220 kV 的某變電站護欄改造為研究對象，利用本試驗制備的導電防腐涂料進行防腐改造。具體過程為：

（1）按照噴涂總量為鋼材總量的1.5%將導電防腐涂料均勻噴涂在Q325的護欄上，然后利用鎂合金犧牲陽極保護護欄；

（2）按照相關規程進行保護措施的設置。

1.5.2 施工過程

按照該變電站接地網圖紙進行定位放線，之后相關人員檢查，確定無不良情況出現后，進行接地體敷設；然后進行雙面搭接焊，由相應的監理工程師進行驗收后，進行回填施工，最后測試接地電阻。

2 結果與討論

2.1 導電性能測試

表1為導電防腐涂料導電性能測試結果。

由表1可知，涂層體積電阻率約為0.65? Ω·cm，滿足導體定義中體積電阻率小于106? Ω·cm的規定，因此可認定，本試驗制備的涂層為具備導電性質的導體［8］。接地網在土壤中的接地體超過10 000? cm2，其總接觸電阻約為7.96×10-4 Ω，體積電阻率為0.65?? Ω·cm，遠小于土壤電阻率范圍，表面導電防腐涂層不會對電網系統正常工作產生影響［9-10］。

2.2 土壤腐蝕加速模擬試驗結果

2.2.1 加速模擬實驗結果

圖1為碳鋼模擬加速試驗結果。

由圖1（a）可知，經過1 008 h土壤液浸泡，涂層電化學阻抗譜變化幾乎可以忽略不計，即導電防腐涂層在土壤模擬液中表現出較好的穩定性［11-12］。同時，涂層阻抗變化隨浸泡時間的增加反而越加的穩定，表現出較好的耐腐蝕性能［13］。由圖1（b）可知，噴涂有導電防腐涂層的Q235碳鋼在土壤模擬液浸泡過程中，低頻阻抗 Z0.01始終高于105?? Ω· cm2，表現出較好的防護性能［14］。

2.2.2 涂層電阻變化

圖2為涂層電阻變化。

由圖2可知，涂層電阻始終維持在105? Ω·cm2數量級，電阻波動并不明顯，因此可認定此時導電防腐涂層具備較好的導電和防腐效果［15-16］。

2.2.3 電化學阻抗頻率

通過電化學阻抗譜的特征頻率 （fb）隨時間的變化對涂層防腐效果進行表征，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨模擬試驗的進行，特征頻率受浸泡時間的影響逐漸減小，慢慢的趨于穩定當浸泡時間超過150 h后，特征頻率基本穩定在500 Hz左右，明顯小于導電防腐涂層失效特征1 400 Hz，表明試驗制備的導電防腐涂層表現出良好的耐酸性土壤腐蝕性能［17］。

2.2.4 極化曲線分析

通過對噴涂防腐涂料前后Q235碳鋼極化曲線進行分析，進一步表征涂層防腐性能，結果如圖4所示。

由圖4可知，噴涂有導電防腐涂層的Q235碳鋼腐蝕電流密度從5.1 μA/cm2降低至0.05 μA/cm2，腐蝕電位提升了約250 mV左右。這說明本試驗制備的導電防腐涂層表現出良好的防腐性能，能有效保護Q325碳鋼受酸性土壤的腐蝕［18-19］。

2.3 雜散電流腐蝕結果

通過掃描電鏡對雜散電流腐蝕后的Q325鋼微觀形貌進行觀察，進一步表征導電防腐涂層對雜散電流腐蝕的防護效果，在雜散電流腐蝕作用下，涂層表面保持著較完整細密的結構，表明導電防腐涂層在雜散電流腐蝕作用下對變電站接地網碳鋼起到了很好的防腐蝕作用［20］。

2.4 BIM模擬

在上述防腐涂層物性基礎上，將參數輸入到BIM的裝配式變電站中，從而實現數字變電站的模擬建設，以此更好的為變電站參數的變化提供參考。

而通過數字化改造后，在部分涂層上，電阻值從原來的1.42? Ω降低至0.25? Ω，跨步電壓為221.6? V，接觸電壓為200.1? V，滿足相關標準要求。改造一年后，接地電阻值為0.25? Ω，符合規程要求。通過抽樣對接地網進行開挖檢查，并未發現接地網基材有腐蝕現象，這就說明本試驗制備的導電防腐材料表現出良好的耐腐蝕能力。

3 結語

綜上，本試驗制備的導電防腐涂料對裝配式變電站接地網表現出良好的耐腐蝕能力，可以作為裝配式變電站接地網防腐材料使用。

（1）導電防腐涂料用于變電站接地網時，總接觸電阻約為7.96×10-4? Ω，體積電阻率為0.65? Ω·cm，遠小于土壤電阻率100～5 000? Ω·cm，證明涂層不會對電網系統正常工作產生影響；

（2）經過土壤液浸泡，涂層電化學阻抗譜變化較小，低頻阻抗 Z0.01始終高于105? Ω· cm2，涂層電阻始終維持在105? Ω·cm2數量級，并未出現較明顯的電阻波動，浸泡時間超過150 h后，特征頻率基本穩定在500 Hz左右，腐蝕電流密度降低至0.05?? μA/cm2，腐蝕電位提升了約250 mV左右，表明制備的導電防腐涂層在土壤模擬液中表現出較好的穩定性和耐腐蝕性能；

（3）在雜散電流腐蝕作用下，涂層表面結構較為完整細密，耐雜散電流腐蝕性能良好；

（4）將制備的導電防腐涂料用于裝配式變電站接地網的改造，電阻值從原來的1.42? Ω降低至0.25? Ω，跨步電壓為 221.6? V，接觸電壓為200.1? V。改造一年后，接地電阻值為0.25? Ω，符合規程要求，耐腐蝕性能良好。

【參考文獻】

［1］張宇.基于陰極保護原理的變電站接地網防腐技術［J］.科學技術創新，2022（34）：66-69.

［2］張磊，鞠海濤.電力接地網用導電防腐涂料的制備及性能研究［J］.山東電力高等專科學校學報，2022，25（4）：23-27.

［3］熊超奇，徐光彬，姜文，等.變電站鋼結構構支架防腐技術研究［J］.中國建筑金屬結構，2022（9）：6-8.

［4］呂廣寧.變電站接地網腐蝕分析及改造應用研究［D］.北京：華北電力大學（北京），2017.

［5］詹花茂，郭明鑫，劉春江，等.基于正則化最小二乘法的接地網腐蝕狀態評估方法［J］.腐蝕與防護，2022，43（6）：79-85.

［6］林肖斐，夏圣峰，吳簪麟，等.基于IWPA優化LSSVM的輸電線路接地網腐蝕預測研究［J］.電瓷避雷器，2022（1）：1-7.

［7］宋光輝，喬宇常，陳凱.海底電力電纜防腐涂覆用瀝青材料的選用［J］.光纖與電纜及其應用技術，2022（1）：13-16.

［8］劉明磊.焊接殘余應力對管線鋼防腐性能的影響［J］.電焊機，2021，51（11）：22-25.

［9］董曼玲，李星，楊帆，等.基于支路電壓擾動的接地網腐蝕缺陷診斷研究［J］.高壓電器，2021，57（8）：47-53.

［10］孫洪博，彭敏放，黃歡，等.接地網腐蝕狀態檢測裝置設計［J］.傳感器與微系統，2021，40（7）：85-87.

［11］樊磊，李波，張仁奇，等.基于COMSOL的接地網陰極保護仿真分析［J］.自動化與儀器儀表，2021（2）：89-92.

［12］陳敬友，付明，張軍，等.基于改進粒子群算法的接地網腐蝕診斷研究［J］.電力大數據，2020，23（9）：26-33.

［13］李學騰.基于電化學的接地網腐蝕檢測方法研究［J］.電子設計工程，2020，28（10）：56-59.

［14］張書弟，許宇恒，何歡歡，等.耐高溫防腐涂料及其在鎂合金上應用的研究進展［J］.材料保護，2023，56（2）：100-110.

［15］朱耿增，王曉明，樊志彬，等.鋼結構用無溶劑型防腐涂料制備研究［J］.煉油與化工，2023，34（1）：68-72.

［16］左慧明，張漢青，劉明，等.高性能水性環氧酯防腐涂料的研制［J］.涂層與防護，2022，43（12）：21-25.

［17］葛平瑞，左士祥，唐駿，等.季銨鹽改性導電TiO2晶須在環氧涂料中的性能研究［J］.現代化工，2022，42（11）：179-183.

［18］束俊杰，秦衛華，汪洋，等.銀導電涂料導電性能的影響因素［J］.涂料工業，2022，52（6）：83-88.

［19］張嚴，康海瀾，方慶紅.用杜仲膠/碳納米管改性環氧樹脂制備導電防腐涂料及其性能［J］.合成橡膠工業，2022，45（1）：54-59.

［20］高婭楠，王鑫，安浩然，等.導電聚合物/石墨烯復合材料在防腐涂料中的研究進展［J］.應用化工，2021，50（7）：1968-1972.

收稿日期：2023-01-24；修回日期：2023-04-26

作者簡介：敖翠玲（1970-），女，高級工程師，研究方向：鋼結構、混凝土結構、E-mail：2070183130@qq.com。

基金項目：國家電網科技項目（項目編號：SGTYHT/18-JS-209）。

引文格式：敖翠玲 ，李棟梁，許 穎，等.基于BIM技術的裝配式電站導電防腐保護模擬試驗及應用[J].粘接，2023，50（6）：94-97.