輸電線路鐵塔塔腳銹蝕防治研究

李宇峰，吳培騁，謝錫漢

(廣東電網有限責任公司湛江供電局，廣東 湛江 524300)

0 引言

輸電線路是電能從電源側輸送至用電側的關鍵媒介和通道,而鐵塔作為支撐輸電線路的基礎設施,對于電網的安全穩定運行至關重要。輸電線路常常架設于山間野外,其中鐵塔塔腳長期處于日光暴曬、雨水沖刷、雜草覆蓋、污水浸泡、酸雨侵蝕、生物侵蝕、潮濕空氣腐蝕等惡劣環境中,再加上部分運維人員日常巡視不到位,使得塔腳銹蝕很難被及時發現,銹蝕缺陷不斷擴大,若不及時治理,可能會造成鐵塔塔腳銹斷甚至倒塔事故[1]。因此,需要在理清鐵塔塔腳銹蝕的危害及銹蝕機理基礎上,及時采取必要的防治措施,為構建安全穩定的電網系統提供支撐。

1 輸電線路鐵塔塔腳銹蝕特征

輸電線路鐵塔塔腳銹蝕主要是指鐵塔塔腳鋼材與其所在的自然環境之間發生物理化學反應,導致塔腳鋼材變質直至銹蝕破壞的現象[2]。

1.1 鐵塔塔腳銹蝕地區分布特征

鐵塔塔腳銹蝕受地域影響較大,特別是在南方局部酸雨地區和廣東、廣西、海南等沿海地區,塔腳銹蝕現象尤為明顯。此外,內陸江河湖泊、工業區周邊也是塔腳銹蝕的重災區。銹蝕程度在地域分布上總體呈現出酸雨和沿海地區向陸基遞減,江河湖泊及工業區向居民和農業區遞減的特征。

1.2 鐵塔塔腳銹蝕發生部位

1) 塔腳鋼材—大氣—水泥保護帽交界面是最直接同時也是最易發生塔腳銹蝕缺陷的部位,約60 %的塔腳銹蝕現象發生在塔腳鋼材與水泥保護帽交界面。

2) 水泥保護帽內部塔腳鋼材和混凝土接觸部位是隱蔽性最強且不易發現塔腳銹蝕缺陷的部位,約10 %的塔腳銹蝕發生在水泥保護帽內部。只有塔腳鋼材在水泥保護帽內部向外部銹穿后才能被發現,這將極大降低桿塔的承載能力,危害性極強。

3) 塔腳板與地腳螺栓連接部位也是較為常見的塔腳銹蝕部位,約30 %的塔腳銹蝕發生在塔腳板和地腳螺栓處。由于塔腳板和地腳螺栓容易發生積水,因此,在一些農田、低洼地、植物覆蓋區容易發生塔腳板與地腳螺栓銹蝕。

1.3 鐵塔塔腳銹蝕程度計算

根據塔腳銹蝕程度,可將其劃分為良好、輕度銹蝕、明顯銹蝕、嚴重銹蝕四個等級。

1) 良好。塔腳鋼材鍍鋅層完好,表面無任何銹跡。

2) 輕度銹蝕。塔腳鋼材鍍鋅層損壞,露出鋼材接觸面,出現點蝕、輕微面蝕。

3) 明顯銹蝕。塔腳鋼材存在肉眼可見的銹跡和紅褐色銹斑,鋼材表面銹蝕凸起。

4) 嚴重銹蝕。塔腳鋼材銹蝕深度較大,存在嚴重的銹蝕穿透,銹蝕率較大。

銹蝕率(以Δ表示)主要用于表征塔腳銹蝕程度[3],其計算公式如下。

式中,A0為塔腳鋼材初始截面積,m2；A為鋼材銹蝕之后的剩余截面積,m2。

2 輸電線路鐵塔塔腳銹蝕危害分析

1) 改變塔腳鋼材應力集中情況。在正常受力情況下,塔腳鋼材所受應力應為均勻分布狀態,但出現嚴重銹蝕后,隨著鋼材銹蝕率不斷變大,截面積不斷縮小,在銹斷缺口、銹穿洞口、鐵銹溝槽和剛性約束處會出現局部應力驟增,使鋼材發生疲勞裂紋,直至出現靜載斷裂。

2) 鐵塔承載力嚴重下滑易造成倒塔事故。由于塔腳是整基鐵塔的承力構件,若發生嚴重腐蝕,則易造成塔腳鋼材截面積嚴重損失,結構承載力迅速下降,從而使其承受結構的自重載荷、活載荷、風載荷、地震載荷等載荷能力快速下降,一旦超過承載極限則極易引發倒塔等安全事故。

3 輸電線路鐵塔塔腳銹蝕機理分析

3.1 析氫腐蝕

當輸電線路鐵塔處于酸雨覆蓋區、工業區等區域時,潮濕空氣、降雨、積水中都會含有大量的酸根離子,鋼材與酸根離子接觸后,在高溫暴曬下,其表面活躍的鐵、鋅金屬在吸附了酸性較強的溶液時(H2SO4,HNO3)會發生析氫腐蝕,且腐蝕程度會不斷加深。

1) 鐵材質相關化學反應。

最終Fe(OH)3·H2O失水生成Fe2O3(鐵銹)。

2) 鍍鋅層相關化學反應。

3.2 吸氧腐蝕

3.2.1 堿性、弱酸性或中性條件

鋼材表面吸附了堿性、弱酸性或中性的溶液時會發生吸氧腐蝕。塔腳鋼材是不純的金屬制品(合金),當塔腳鋼材表面被潮濕空氣、水包裹接觸時,大氣中的污染物(SO2、NO2)、動植物排泄物及分泌物、化肥農藥、空氣鹽霧等溶于水中形成電解質溶液,產生了以鐵、鋅為陽極,其他金屬和雜質為陰極的原電池反應,該反應不斷進行,造成腐蝕不斷擴大。

1) 鐵材質相關化學反應。

最終Fe(OH)3·H2O失水生成鐵銹。

2) 鋅鍍層相關化學反應。

Zn(OH)2進一步分解成ZnO,并與CO2生成ZnCO3。

3.2.2 海水浸泡或鹽霧覆蓋條件

塔腳鋼材在海水浸泡、鹽霧覆蓋等條件下,鋼材表面各部位會形成電勢不同的局部腐蝕電池或微電池,與水中溶解的氧發生吸氧腐蝕,反應生成Fe(OH)3·H2O,之后脫水形成鐵銹(Fe2O3),其主要化學反應如下。

最終Fe(OH)3·H2O失水生成鐵銹。

3.3 化學腐蝕

由于輸電線路鐵塔塔腳長期暴露于野外自然環境中,如植物覆蓋、積水浸泡、海水沖刷、潮濕空氣等,會導致其發生自然銹蝕。銹蝕與外界條件因素密切相關,水和空氣的存在是直接因素。鋼的化學性質活躍,其發生自然銹蝕的化學反應如下。

其中,Fe2O3·nH2O呈棕紅色,結構疏松,易吸水,體積膨脹最大達8倍,易導致塔腳銹蝕穿孔。

3.4 塔腳與混凝土自身結構

鐵塔塔腳的腐蝕屬于復雜的多因素交互反應,同時存在電化學反應和化學反應,與周圍環境及塔腳結構有很大聯系。塔腳鋼材—空氣—混凝土交界面不致密,容易發生滲水,縫隙內外部氧濃度差較大,產生氧濃度差電池反應,且不同環境條件下氧濃度差電池反應強度不一致。

4 輸電線路鐵塔塔腳銹蝕防治措施

4.1 基礎改建法

對于銹蝕嚴重、塔腳所處地形復雜、不便于施工作業、補強較為困難的情形,可以使用基礎改建法進行塔腳銹蝕治理,即在原基礎附近挑選合適的地形新建一個參數相同的基礎和鐵塔。該方法的缺點是現場地形可能不允許新建基礎和鐵塔以及拆賠成本較大。

4.2 塔腳鋼材—空氣—混凝土交界面密封法

塔腳鋼材—空氣—混凝土交界面存在縫隙導致積水、內外氧濃度差等問題,從而引發電化學腐蝕,這是塔腳銹蝕的主要原因。對此,可以對塔腳鋼材—空氣—混凝土交界面進行密封,避免縫隙積水,阻隔內部鋼材與潮濕空氣、污染物接觸,達到防腐的目的。密封法通常使用澆筑瀝青、聚乙烯膠、樹脂、水泥、油漆等物質進行縫隙填充。

4.3 塔腳鋼材自身防腐鈍化法

塔腳鋼材自身不僅會發生電化學腐蝕,還會發生自然化學腐蝕,對此,可以采用塔腳表面深化鍍鋅隔層、汽油淋浴后再安裝、表面涂防腐漆、表面使用金屬鈍化劑等方法。在日常巡視及塔腳銹蝕特殊巡視中,要注意塔腳銹蝕情況,發現金屬鍍鋅層脫落,要及時補充防腐漆。

4.4 塔腳鋼材原位焊接補強法

當塔腳鋼材銹蝕嚴重時,為確保鐵塔安全,可以采用塔腳鋼材原位焊接補強法,即將塔腳水泥保護帽破碎,露出內部銹蝕鋼材,然后切割掉銹蝕部分,在原位對鋼材焊接高強鋼筋、高強鋼板等高強材料,達到補強和銹蝕防治的目的。

4.5 原位植筋補強法

原位植筋補強法是指將銹蝕的塔腳基礎用鉆孔機等設備進行鉆孔,孔徑大小要適宜,孔洞排列要錯開原有鋼筋,將新鋼筋植入新的孔洞中,構成一個新的基礎鋼筋籠,孔洞縫隙采用樹脂、水泥、瀝青等進行密封填充,最后在基礎鋼筋籠中澆筑混凝土,實現塔腳補強。

5 結束語

輸電線路鐵塔易發生銹蝕的部位為塔腳鋼材—大氣—水泥保護帽交界面、塔腳板材與地腳螺栓連接部位等,銹蝕速率慢且不易被發現,但其銹蝕危害極大,需要及時采取適當的防治措施從根源上消除鐵塔銹蝕隱患,提升輸電線路安全運行水平。