耐候钢在输电铁塔上的应用及存在的问题

岳增武，翟季青，刘延华，李辛庚

耐候钢在输电铁塔上的应用及存在的问题

岳增武1，翟季青2，刘延华2，李辛庚1

（1.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，济南250003；2.国网山东省电力公司，济南250001）

耐候钢在大气中能形成致密和粘附良好的稳定锈层，因而具有比普通碳钢更好的耐腐蚀性能，将耐候钢应用于输电铁塔是未来防腐蚀技术的重要发展方向。耐候钢在国外已成功应用数十年，包括应用于输电杆塔，在国内的输电铁塔上尚未规模化应用。综述耐候钢的耐蚀机理、影响因素及耐候钢的锈层稳定化处理技术，并总结将耐候钢应用于输电铁塔亟待解决的问题。

输电铁塔；耐候钢；腐蚀；锈层

0　前言

长期以来，我国输电线路铁塔主要采用热镀锌角钢为塔材，并进行周期性的防腐蚀维护。调查结果表明，山东沿海地区铁塔的平均首次维护时间为13.2年，平均维护间隔为6.6年，要实现铁塔40年服役寿命，平均需要进行5次防腐蚀维护［1］。

耐候钢可以在一些环境中裸露使用，其一次性投资与镀锌钢相近，但由于省去了防腐维护工序，全寿命周期成本明显降低。它在大气中的耐蚀性能依赖于表面形成的稳定化锈层，然而，在自然环境中要完成锈层的稳定化一般需要数年时间，在形成稳定化锈层之前，常出现锈液流挂与飞散的现象，污染周围环境并影响外观，特别是在含有Cl-的海洋性大气环境，传统耐候钢表面难以生成保护性的稳定锈层，因此无法表现出优良的抗腐蚀性能。

目前耐候钢在欧美、日本等国得到广泛应用。在我国，耐候钢在铁路、船舶等行业已批量使用。国家电网公司正在进行相关的可行性研究，并在输电线路工程中进行了耐候钢的尝试性应用。

1　耐候钢的耐蚀机理

耐候钢Cor-Ten包括 Cor-Ten A（Cu、P、Cr、Ni合金化）系列和Cor-Ten B（Cr、Mn、Cu合金化）系列。Cor-Ten钢之后的许多耐候钢牌号是在Cor-Ten钢的基础上进行了改进和元素调整形成的。我国也已经形成了耐候钢的国家和行业标准，如GB/T 4171—2008《耐候结构钢》等。国内几家大型钢铁企业也各自形成了自己的耐候钢产品系列。

一般把耐候钢的耐蚀性能归因于耐候钢表面更加致密和附着性更好的锈层，锈层分为两层：外层疏松多孔，内层致密，耐蚀性主要受内锈层的影响［2-3］。其保护性机理虽然并不完全明确，但可能与锈层更好的屏蔽效应［3-4］和离子选择性［5-6］有关，可以阻挡有害元素向内扩散［7］；而碳钢表面的锈层疏松，对基体不能起到保护作用［8-9］。

Okada等人研究了耐候钢大气暴露数年后生成的锈层，认为内锈层主要为致密的非晶质，存在Cu 和P的富集［3］。Misawa研究了在工业大气中暴露26年的耐候钢，发现内锈层主要为非晶物质，它是一种铁的氢氧化合物 FeOx（OH）3-2x，并有Cu、P、Cr的富集，以及少量的α-FeOOH［10-11］。

Yamashita等人研究了经长期暴露的（0.5～26年）耐候钢上形成的锈层，发现锈层分为内外两层，表面锈层疏松，内层组织致密；通过拉曼光谱观察，发现外层主要是γ-FeOOH，而内层主要为纳米颗粒的α-FeOOH和部分被Cr置换成的α-（Fe1-xCrx）OOH［2，12］。这种锈层稳定性好且组织细小致密，除了可以有效地隔离腐蚀介质与钢基体的接触，阻止水和酸根离子的侵入外，同时因为其具有极高的阻抗，极大地减缓了腐蚀阳极区和阴极区之间的电子迁移，从而降低了电化学反应的速度，抑制了内部钢材的腐蚀［13］。

Asami和 Kikuchi等对在海洋工业大气中曝露17年的碳钢与耐候钢表面锈层进行分析，发现Cu、Cr、Si元素在内层富集，而P、Ni在整个锈层中平均分布［14］，无论碳钢或耐候钢，α-FeOOH都是主要组成物，在整个锈层中几乎是均匀分布的，而在耐候钢中的浓度更高一些，非晶物质都是在锈层的最底部。

Dillmann等分析了古建筑上形成的铁锈，没有发现内锈层中存在非晶物质［15］，认为非晶物质经过长期转变，变为α-FeOOH的纳米晶颗粒，Yamashita的研究也支持这种解释［16］。

2　　大气环境对耐候钢耐蚀性能的影响

在乡村大气环境，耐候钢的腐蚀速度通常是很低的，形成保护性的、外观良好的锈层需要较长的时间。在城镇大气环境，当SO2的沉降量小于90 mg/（m2·d），耐候钢稳定阶段的腐蚀速率较低（2～6 μm/a），略高于乡村大气环境，而普通碳钢在这种环境中的腐蚀速率则显著提高［17］。在工业大气中，当SO2的沉降量大于90 mg/（m2·d）时，耐候钢的腐蚀速率明显提高，虽然其腐蚀产物的表面仍能呈现漂亮的外观，但并不具有好的保护性。此条件下耐候钢的腐蚀速率仍然低于普通碳钢［17］。

在海洋大气特别是靠近海岸线的环境中，包括靠近内陆盐湖的地方，传统耐候钢表面无法形成保护性的锈层，腐蚀速率较高［18］。关于盐度对腐蚀速率的影响，在日本对41座桥梁的长期曝露试验结果进行了分析，当空气中携带的NaCl的沉降量小于0.05 mg/（dm2·d）时，传统耐候钢的腐蚀速率小于6 μm/a，可以裸钢状态使用［19］。英国钢铁研究协会得出了相似的结论，传统耐候钢不应在距离海岸线2 km范围之内使用［20］。

在长期湿润的环境中，如浸泡在水中、埋藏在土壤中或在潮湿隧道中，耐候钢的腐蚀速率很高［21］，始终处于潮湿状态时不能形成保护性锈层，干湿交替是形成保护性锈层的必要条件［12］。在干湿交替的适宜环境中形成的具有保护性的锈层，α-FeOOH占比达80%，潮湿环境中γ-Fe2O3占有较高比例，在含氯离子环境中形成了β-FeOOH［22］。在浓度不同的NaCl溶液中进行干温交替加速试验结果也表明，Cl-浓度对耐候钢的腐蚀速率及锈层结构都有明显影响，在Cl-浓度低的溶液中趋于形成γ-FeOOH，而在Cl-浓度高的溶液中形成了β-FeOOH［23］。

日本在20世纪60年代开始使用耐候钢时，曾遇到稳定锈层不易形成等问题，当时大气中SO2含量是现在的数倍［24］。根据环保部发布的2013年空气质量报告，京津冀地区大气中SO2含量较高，与日本60年代末期和70年代初期接近，对耐候钢形成稳定锈层可能是不利的。

3　　耐候钢的锈层稳定化处理技术

耐候钢虽然具有较好的耐大气腐蚀性能，但在自然环境中形成致密的稳定锈层需要相当长的时间。在形成稳定化锈层之前，常常出现锈液流挂与飞散等现象，污染周围环境。为解决上述问题，促进稳定化锈层的快速形成，提出耐候钢表面稳定化处理技术。

有的研究表明稳定化并不是“促进”，即不能加速稳定锈层的形成，在不能使裸钢形成稳定化锈层的环境中，即使进行稳定化处理也不能实现稳定化［24］；有的研究结果表明，稳定化处理可以缩短稳定锈层形成的时间，且可以扩大耐候钢的适用环境，使其在高盐、高湿环境中形成稳定锈层［22］。较成熟的锈层稳定化处理技术有：日本磷化处理公司开发的耐候涂层法［25］；日本川崎制铁公司的RS涂层［26］；日本NKK公司的CUPTEN涂层［27-29］等。

目前国内在耐候钢表面稳定化处理方面开展了一些工作［30-31］，但尚未开发出成熟的广泛应用于耐候钢构件表面锈层稳定化处理的技术。

4　耐候钢在输电铁塔上的应用及存在的问题

耐候钢第一次用于输电铁塔是在20世纪60年代，在美国的Indiana州的Gary市进行了试验性应用，而后在Virginia州8 000座输电铁塔采用耐候钢制作［32］。

在日本，20世纪60年代后期，为研究耐候钢锈层的稳定化，建立了几个试验铁塔；1975年，为研究裸露耐候钢在输电铁塔上的适用性，在兵库县建设了3座铁塔；1980年使用耐候钢建成超高压钢管试验塔。试验及研究结果表明，耐候钢使用初期存在铁锈的污损，接合部件腐蚀较快，但锈层仍可以实现稳定化，钢管构件10年间的最大腐蚀量是0.07 mm。但在日本，耐候钢在输电线路的实际应用却进展不大，在1987年之前，日本每年只有数百吨耐候钢用于制造输电铁塔，之后虽然增加到数千吨，但只占该国耐候钢使用量的1%［24］。

国内某钢铁公司研制的热轧耐候钢板JT345，已制作航标灯塔和输电铁塔40多座，钢板力学性能稳定，焊接、加工和耐蚀性能良好［33］。以厦门220 kV梧侣—内官输电线路工程为依托，铁塔主材选用与Q420强度相当的Q450NQR1高强度耐候钢，开展了耐候冷弯角钢输电铁塔的试点应用工作［34］，其长期耐蚀性能仍需要时间的检验。

在角钢塔开始使用耐候钢的一段时间内，遇到了两个与腐蚀有关的问题：一是塔脚被植被覆盖，腐蚀速率较高；二是节点处腐蚀速率高。其中螺栓连接处的腐蚀是耐候钢应用于输电铁塔面临的最大难题，腐蚀产物还使螺栓连接处变形［35］。由美国多家电力公司联合，开展了节点腐蚀问题和耐腐蚀方法研究。研究结果包括［36］：1）节点处腐蚀与湿度、工业污染、水分有关，腐蚀速率随时间逐渐降低，耐候钢铁塔明显裸露处3～4年后腐蚀速率稳定，而螺栓连接的节点处需要15～20年腐蚀速率才趋于稳定；2）节点处的变形仍能保证整体强度；3）采用密封和渗透方法可提高节点的耐蚀性，环氧基渗透剂+厚浆型环氧乳胶漆、磺酸钙油渗透剂+磺酸钙蜡涂层体系具有较好的施工性和耐蚀性，但其寿命是有限的，仍需要周期性地进行维护。将耐候钢应用于输电线路角钢塔和钢管结构仍是有前景的，但是要考虑到以下几个方面：设计时应考虑节点处防潮措施，如边距、节距和部件的布置方向；清理地面植被；直接嵌入式地基应刷涂料，防止土壤中水分对基础的腐蚀［36］。日本的研究得出相似的结论［37］。Knotkova等研究了输电铁塔用耐候钢节点接头处的缝隙腐蚀，并提出了对缝隙腐蚀处进行维护的方法［38］。

5　　结语

海洋大气环境中的氯盐沉积、高湿环境及长时间湿润、高SO2含量对耐候钢形成保护性的锈层是不利的。在这些环境中不宜盲目进行耐候钢裸钢的推广使用。耐候钢的锈层稳定化处理有利于耐候钢形成稳定化锈层，有利于耐候钢裸钢的推广应用。耐候钢应用于输电铁塔具有较好的前景，目前应用中最大的问题是螺栓连接处的缝隙腐蚀。

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Application and Existing Problems of Weathering Steels to Transmission Towers

YUE Zengwu1，ZHAI Jiqing2，LIU Yanhua2，LI Xin’geng1
（1.Shandong Electric Power Industry Boiler&Pressure Vessel Inspection Center Co.，Ltd.，Jinan 250003，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

The weathering steel has enhanced corrosion resistance for a dense and well-adhering corrosion product layer forms on the surface.The application of weathering steels to transmission towers is an important development direction of corrosion protection.Weathering steels have been applied successfully abroad for decades in transmission towers，but in China，largescale application of weathering steels to transmission towers has not been achieved.The corrosion resistance mechanism and rust stabilizing techniques are reviewed，and several problems demanding prompt solution are proposed.

transmission steel tower；weathering steel；corrosion；rusty scale

TG174

A

1007-9904（2016）06-0010-04

国网山东省电力公司电力科学研究院技术革新项目（KY2015-42）

2016-03-09

岳增武（1969），男，博士，高级工程师，从事输变电设备腐蚀防护技术研究。