变电站钢结构防腐设计研究

刘舒 郭东锋 张宇峰 张浩

【摘要】钢结构在变电站中的使用比例越来越高，钢结构的腐蚀问题必须引起足够的重视。本文通过分析钢结构的腐蚀机理及变电站对钢结构防腐的特殊需求，对常用防腐蚀方法及技术进行论述分析，对于保证结构安全、减少变电站运行期间的维护及节省全寿命周期成本都有重要意义。

【关键词】变电站；钢结构；防腐设计

一、前言

随着国民经济的迅速发展，钢结构领域研究的不断深入，钢构件在各个领域中得到了广泛的应用。在电力行业，发电厂房、输电线塔架以及变电站构支架等设施越来越多地采用钢材作为结构的主要材料。变电站的构支架材料已由最初的钢筋混凝土杆逐步向钢结构转变。作为一种建筑材料，钢材及其成品构件具有的优越性能是其他材料无法媲美，与此同时钢材料的防火、防腐蚀等问题也随之而来。其中，钢结构的防腐能力关系到整个工程的使用寿命、安全生产、以及后期停工维护等一系列问题，因此，钢结构的防腐必须引起足够重视。

二、钢结构的腐蚀机理

变电站钢构支架普遍为热镀锌普通碳钢材料，腐蚀的实质是材料表面与所处的环境中的介质发生化学或电化学作用而遭到破坏或变质。这个过程需要4 个条件， 通常称之为“ACME”，它们分别是阳极（Anode）、阴极（Cathode）、金属接触（Metallic Pathway）以及电解质和氧气（Electrolyte & Oxygen）。当这4个条件同时存在时，钢铁便发生锈蚀。在阳极，铁释放电子形成Fe2+；在阴极，水中溶解的氧吸收来自阳极的电子而生成氢氧根离子OH-，电子由阳极不断流向阴极，产生腐蚀电流，在钢结构表面形成氢氧化铁薄膜，Fe（OH）2再与水、氧结合生成氢氧化铁即铁锈Fe（OH）3。

三、钢结构常用防腐技术

目前在钢结构上广泛使用的防腐性措施是根据腐蚀性介质物理状态以及对建筑材料的腐蚀性等级进行分类，防腐的常用方法：①改变金属结构的组织，在钢材冶炼过程中增加铜、铬和镍等合金元素，以提高钢材的抗锈能力；②在钢材表面用其他金属层保护，如电镀或热浸镀锌等金属保护层腐蚀性防腐体系；③在钢材表面涂非金属保护层，即用涂料将钢材表面保护起来使之不受大气中有害介质的侵蚀。结合上述三种防腐方法的原理，主要有以下四种技术：

1、热浸镀锌技术

热镀锌是将除锈后的钢构件浸入高温融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层。从而起到防腐蚀的目的这种方法的优点是防腐年限与锌层厚度成正比，生产工业化程度高，质量稳定。因而被大量用于受大气腐蚀较严重且不易维修的室外钢结构中，如大量输电塔、通讯塔等。使用一段时间后锌层容易产生锌盐，表面颜色会产生一定的变化。这种保护方式具有耐蚀性好，使用寿命长，且基本不用维护等优点。

2、防腐漆技术

在钢结构加工使用过程中进行涂漆操作，通过涂漆来延缓钢结构的腐蚀。其中分别为：钢结构防腐漆预涂底漆、防锈底漆、中间漆和面漆。预涂底漆也称为车间底漆，用于车间加工过程中金属底材在进行喷砂、磷化等前期处理后，防锈底漆喷涂前的临时保护。防锈底漆，与底材的附着力要满足要求，不同的底材要选用合适的防锈底漆，环氧类底漆防腐蚀效果较好。中间漆介于底漆和面漆之间，具有较好的填充性能能修复、改善底漆的板面提高整体喷涂效果。面漆要求具有优异的耐候性能、耐使用环境中介质的腐蚀性及优异的装饰性等对颜色、光泽、耐老化、耐化学介质、抗划伤性及流平性等要求较高。

3、涂料保护技术

涂料保护是将涂料涂在金属结构表面形成涂层，形成的涂层必须满足：连续无孔、不透气、不透水，有较大的附着力，有适当的硬度和弹性，有隔离作用，稳定，以及其它特殊要求如耐酸和缓蚀等特性。涂料保护法也是一种有效的防腐方法，具有施工简便，投资低，使用范围广等优点。

4、特种材料技术

在当前钢结构施工过程中，为了钢结构能适应更加復杂的自然环境，对钢结构的性能进行优化，在保证钢结构性能要求的前提下，增加钢结构的耐腐蚀能力。这样虽然初期投入成本有所增加，但是，后期的维护成本较小，整体成本控制较好，在后期的使用过程中不用定期的对钢结构进行防腐蚀处理，这样就大大减轻了维护所消耗的人力成本、施工材料成本，同时，钢结构的使用寿命也在不断的延长。

四、变电站钢结构防腐的特殊需求

变电站中钢结构本身受大气温度影响冷热交替、并经常受雨水或其他介质水的影响；长期暴露于空气中，耐候等级要求也较高；因此必须充分考虑各种介质的腐蚀，兼顾考虑结构应力腐蚀和缝隙腐蚀，尽量做到在使用期间内免维护、达到全寿命期防腐的要求。

变电站工程的使用寿命一般为50年，需要长效运行。屋外配电装置区域的构支架因设备常年带电运行，维修难度非常大，不可能经常停电检修。因此，必须采用长效防腐方案，尽量做到使用期内免维护。

变电站构架为钢结构，大部分均采用螺栓连接，构件在防腐施工过程中若发生较大的变形，会产生无法拼装等现象，因此，要尽量减小防腐施工中的构件变形、

五、变电站钢结构的防腐技术

在输变电工程中，钢结构防腐技术中一般采用在钢材表面用其他金属层保护，如电镀或热浸镀锌等金属保护层的防腐体系方法。该方法采用防腐性金属作为保护层，是在钢材基体表面覆盖一层比铁（Fe）更活跃的金属元素作为阳极性层。防护层通常采用的金属层是锌，其腐蚀机理是利用锌（Zn）的电极电位比铁（Fe）低，当外界环境存在电化学腐蚀时，锌（Zn）是阳极先受到腐蚀，而金属铁（Fe）是阴极受到保护从而对基体起到电化学保护作用。金属镀层法具有耐腐蚀性好，使用寿命长，且基本不用维护等优点。

热镀锌工艺将金属构件表面经过预处理后全部浸入锌熔融金属溶液里， 熔融金属与构件表面形成的冶金介面经过扩散形成金属覆盖层达到防腐的目的。热镀锌工艺的优点是金属覆盖层和基层结合很好，防腐蚀性能较热喷涂高。

热喷涂锌工艺利用不同的热源， 将金属材料熔化、雾化后，高速堆积到基体表面形成一定厚度的金属附着层来达到防腐目的。

冷喷锌工艺是通过涂装工艺在金属构件表面形成锌金属保护膜（锌盾），具有阴极保护（牺牲阳极）及屏障保护的功能。锌盾冷喷锌材料经常温喷涂干燥后， 镀层中纯锌含量在96%以上。

锌加涂料不仅具有热浸锌、热喷锌（铝）的有阴极保护作用，而且具有有机涂料对钢结构的屏蔽保护作用。在使用过程中绝不会出现涂层剥落现象。锌加涂层具有良好的柔韧性、抗冲击性和耐磨性，特别抗强烈的机械震动，能经受住搬运和建造时碰撞造成的损伤。锌加涂料施工简单、基材表面处理要求比较低，同时满足环保要求。

六、结束语

为了贯彻国家电网公司“两型一化”的设计理念，按照全寿命周期内“资源节约，环境友好”的原则，控制全寿命周期成本，因此变电站钢结构需要采取高性能的防腐措施，减轻钢结构的腐蚀，延长钢结构的使用寿命，节约维护成本，提高资源的利用率。我们还要不断的研究并采用新技术和新工艺，以最优的成本来实现钢结构的防腐。

参考文献

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