我国电网设备大气腐蚀及控制

刘　伟, 蒋以奎, 葛红花

(1.贵州电力试验研究院, 贵州 贵阳　550002; 2.上海电力学院, 上海　200090)



我国电网设备大气腐蚀及控制

刘伟1, 蒋以奎2, 葛红花2

(1.贵州电力试验研究院, 贵州 贵阳550002; 2.上海电力学院, 上海200090)

针对我国电网设备的金属腐蚀问题,分析了电网设备的大气腐蚀与大气污染物之间的关系及大气中主要的腐蚀性污染物(SO2,氯化物,H2S等)对电网设备的腐蚀机理,讨论了国内电网输变电架空导线和地线、变电站、铁塔和金具的腐蚀现状、腐蚀形态,总结了目前电网腐蚀控制的技术和方法,并提出了进一步防止电网设备大气腐蚀的措施建议.

电网设备; 大气腐蚀; 大气污染物; 腐蚀控制

(1.Guizhou Electric Power Research Institute, Guiyang550002, China; 2.Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

电网是电力系统中由各种电压的变电所和输变电线路组成的一种电力网,其主要任务是输送和分配电能,并按需要改变电压.现代社会的发展对电力的依赖性越来越强,对电力供应的可靠性要求越来越高,因此保障电网的安全运行越来越重要.然而,电网设备在运行过程中不可避免地存在腐蚀问题,特别是大气污染日益严重使相关设备的腐蚀现象日益突出.本文对目前国内输变电设备存在的腐蚀问题和防腐措施进行分析,以期找出其中的规律性.

1　大气污染物与电网腐蚀

电网设备的大气腐蚀与大气环境中的腐蚀性污染物密切相关.调查和检测结果显示[1-2],在遭受严重腐蚀的电网设备所处环境中,均不同程度地检测到SO2, H2S,NH3,NOx等污染气体的存在,这些气体对钢铁、铜、银、铝及其合金等电网材料均有一定的腐蚀性.另外,大气中的固体污染物如降尘等,也对电网设备的腐蚀和安全产生较大影响.

大气污染物中,人们对有关SO2的大气腐蚀研究较多.王振尧等人[3]研究了黄铜和白铜在含SO2的大气中腐蚀状况,发现这两种金属的腐蚀损失与SO2体积分数呈线性关系,其中白铜的抗SO2腐蚀能力优于黄铜.在含SO2的大气中黄铜表面腐蚀产物主要成分为CuSO4·5H2O,Cu4(SO4)(OH)6·2H2O,Cu2O,白铜表面腐蚀产物主要成分为Cu4(SO4)(OH)6·2H2O和Cu2O.文献[4]研究发现,Q235钢在不同浓度的SO2气体环境中的腐蚀速率变化趋势也不同.SO2浓度较高时,钢的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长而降低;SO2浓度较低时,钢的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长而缓慢增加.SO2浓度的变化对腐蚀产物中含硫化合物的形成基本不产生影响,但SO2浓度的提高加速了腐蚀产物中氧化物或含氮化合物的形成.Q235钢在含SO2的大气中的腐蚀产物主要有FeSO4·7H2O,Fe2(SO4)3·9H2O,γ-FeOOH,δ-FeOOH.张明等人[5]通过对某500 kV的输电线路架空地线腐蚀断裂部位的表面分析,认为大气中的SO2是导致腐蚀的关键因素.

氯化物也是导致金属大气腐蚀的常见物质之一.李青等人[6]通过对某变电站未使用就已腐蚀的钢芯铝绞线的表面分析,认为该铝绞线的腐蚀是由于大气环境中存在的氯离子及其他盐类物质破坏了铝绞线表面的钝化膜.

SO2与NaCl同时存在时对铜的腐蚀可以起到促进作用[7],NaCl在铜表面的沉积使铜吸湿性增强,铜表面容易产生水膜,造成铜的电化学腐蚀.当大气中含有SO2时,SO2溶于水膜使水膜的pH值降低,进一步加速铜的腐蚀.NaCl对铜的腐蚀性要大于SO2,SO2与NaCl协同作用促进铜的腐蚀,腐蚀产物主要有CuSO4,Cu4SO4(OH)6,CuO2,Cu2Cl(OH)3.

大气环境中的H2S对电网铜材的腐蚀也屡见不鲜[8],铜暴露在潮湿的大气中,因吸附凝聚作用,铜的表面可以形成一层肉眼看不见的水膜.在含H2S的大气中,由于H2S的溶入,水膜的pH值呈酸性,又由于S2-的作用,使铜的阴极去极化作用增强,腐蚀更易发生,铜表面形成Cu2O和CuS等腐蚀产物.当大气中同时存在SO2和H2S 时,可起协同作用而加速铜的腐蚀.

除了上述污染物质外,大气中的固体污染物在电网设备金属表面的沉积对腐蚀也有促进作用[1,9].例如架空线路绝缘子表面各种污秽沉积可使线路绝缘性能下降,造成电流泄漏和损耗增加,甚至导致输电线路发生污闪,而且污秽沉积越严重,发生污闪的可能性越大,严重时造成线路跳闸等事故.

2　国内电网设备大气腐蚀现状

电网的布局与周边负荷的需求有关,输变电线路和设备一般集中建在高耗能企业密集区域或人口较集中的区域,这些区域的大气污染显然相对比较严重,使区域内的输变电线路和设备易受到大气腐蚀.程灵等人[9]对湖南重工业污染区株洲地区的调查发现,该地区大气中腐蚀性的化工气体和粉尘含量高,相对湿度大,输变电设备的腐蚀较严重,其中110 kV铜水线上的铁塔在服役5～6年后,局部地区铁塔金属材料厚度因腐蚀减薄至0.1 mm,部分螺栓已基本失去紧固作用.王平等人[10]对国内某区域电网腐蚀状况进行调查,结果如下.

(1) 调查的510座变电站有99座遭受不同程度的大气腐蚀,其中受到严重腐蚀的约占调查总数的4%,较重腐蚀的约占调查总数的6%.

(2) 从受到腐蚀的材料来看,电网设备中的铜是腐蚀最严重的金属材料之一,该区域内3 %的金属铜和8%的铜镀锌设备发生了严重腐蚀,3%的金属铜和11%的铜镀锌设备发生了较严重的腐蚀,4%的金属铜和14%的铜镀锌设备发生了轻微腐蚀;铝合金设备中1%发生严重腐蚀,3%发生轻微腐蚀;镀锌钢在镀锌层完整的情况下,腐蚀较轻微,但当镀锌层因腐蚀消耗而不完整时,钢基体将遭到严重腐蚀.

2.1输电线路架空导线和地线腐蚀损坏

架空地线又称作避雷线,是保护输电线路防止其遭到雷闪袭击的装置.国内的架空地线多采用表面经热镀锌防护处理的钢绞线.

近年来,湖南电网的架空输电线路断线事故频频发生,线路跳闸现象时有发生,严重影响了电网的安全稳定运行,使供电可靠性下降,究其原因主要是架空地线被腐蚀,而安装地线时镀锌层的破坏、镀锌层的工艺缺陷、焊接质量不良等均可造成地线腐蚀[11].

陈云翔等人[12]对某海岛架空输电钢芯铝绞线的失效原因进行了分析,该导线26股直径2.4 mm的铝股线分为内、外两层,中心部位为7股直径2 mm的镀锌钢线,中心部位的钢芯锈蚀严重,内层铝绞线的腐蚀比外层铝绞线更严重.表面分析结果显示,铝绞线的腐蚀产物主要是Al(OH)3和Al5(CO3)3(OH)13·xH2O,在断口上还检测到S,Cl,Na,Ca,Mg等元素.而在内陆地区四川的导线腐蚀失效分析中[13],发现外层铝绞线腐蚀较内层铝绞线严重,腐蚀产物呈灰黑色,较疏松,局部已脱落;与外层铝绞线存在着间隙的内层铝绞线的腐蚀也较为严重,表面呈灰黑色;中心部位的钢芯由于镀锌层与铝绞线的双重保护作用,腐蚀较轻,表面呈灰白色.

2.2变电站腐蚀损坏

变电站是电网的节点,也是连接发电厂和电力用户的关键枢纽,其作用是变换电压及分配电能,变电站的运行可靠性直接影响了电网的安全稳定.变电站内金属构件较多,涉及纯铜、镀锌钢、碳钢、铝合金、不锈钢等多种材料,金属材料的腐蚀失效在变电站中较为普遍,变电站地面设备的腐蚀多属于大气腐蚀.

变电站金属构件可以发生多种腐蚀形态,具体如下[14].

(1) 缝隙腐蚀变电站螺栓等连接承力件易发生缝隙腐蚀,某变电站的运行时间不足1年,某断路器的支柱基础螺栓中已有1颗发生严重锈蚀,主要原因是该螺栓下部的垫片与基座之间存在着明显的缝隙,当雨水存在时引发了缝隙腐蚀,使构件寿命缩减.

(2) 接触腐蚀两种腐蚀电位不同的金属相互接触时,腐蚀电位低的金属将加速腐蚀.某变电站设备的支柱螺栓其螺杆部分采用了镀锌钢,螺母则采用了不锈钢.由于锌的标准电位(-0.76 V)低于不锈钢的标准电位(-0.1～+0.1 V),使镀锌钢的腐蚀加快,运行不到1年,该设备的8个支柱螺栓都发生了不同程度的腐蚀.

(3) 镀锌层缺陷腐蚀目前热镀锌碳钢在变电站的应用比较普遍,使用中发现,槽钢、接地扁钢、螺栓、抱箍等碳钢构件的防腐蚀镀锌层经常出现质量问题.主要原因是存在镀层瑕疵、镀锌层的厚度不够,或者在运输、安装过程中镀锌层发生局部破坏,使铁基体发生腐蚀.

(4) 涂层缺陷腐蚀变电站中也有部分碳钢构件采用涂层防护代替热镀锌防护,通常是一些尺寸比较大而难于进行热镀锌的金属构件,如变压器和其他设备的箱体、构架和外壳.当涂层存在孔隙、破损等缺陷时,将促进碳钢基体的腐蚀.

2.3铁塔腐蚀

输变电线路的铁塔也常发生腐蚀现象.某地区的输电线路铁塔大多进行了防腐蚀处理,但多数铁塔在使用不足5年后就发生了严重腐蚀.刘纯等人[15]分析了该地区输电铁塔的腐蚀特征,认为大气中的SO2污染物是造成铁塔腐蚀的主要因素,这种腐蚀通常从镀锌层的破损处和塔材的边角部位开始,另外防腐涂料选用不当、涂刷质量差可加速腐蚀.刘爽等人[16]发现某500 kV输电线路铁塔的塔脚部位出现了严重腐蚀,通过对腐蚀产物的形貌和组成分析,发现铁塔在地表位置的腐蚀速率最大;在9 m以下的高度范围内,腐蚀速率随高度的增加出现明显下降;在9 m以上的高度范围内,腐蚀速率随高度变化小.并分析认为塔脚部位腐蚀严重的原因是由于该部位因降雨、凝露等使水在该处汇集,同时汇集的水中污染物浓度较高.

滨海地区因大气中盐雾的存在,铁塔腐蚀问题更为严重[17].盐雾的主要组成是悬浮于大气中的氯化钠微液滴,其中富含氯离子、硫酸根离子等侵蚀性离子.对于滨海地区的输电铁塔,应采用更为有效的防腐蚀技术.

2.4金具腐蚀

架空输电线路中的金具一般具有较快的腐蚀速度,且金具通常位于高空,不方便维护.腐蚀使金具的截面积减小,抗拉强度降低,也可能导致金具的脆性增加,造成事故.陈军君等人[18-19]分析了湖南、广西部分地区架空输电线路中的金具腐蚀问题,对腐蚀试样进行了力学分析、表面分析和电化学测试,认为大气中的硫化物可以促进镀锌层的腐蚀消耗,是引起这些金具腐蚀的主要因素.张卫星等人[20]分别比较了热镀铝锌合金和纯锌电力金具的耐蚀性,研究了这两种金具与铝导体之间的电偶腐蚀行为,认为热镀铝锌合金的金具具有更好的耐蚀性能.

瓷绝缘子金具的电化学腐蚀主要发生在负极性侧V型串铁帽下檐[21-22],腐蚀使瓷件的部分表面被铁锈所覆盖,腐蚀原因主要是由于外加电压下的电解腐蚀.在直流输电线路的正极性侧瓷绝缘子的钢脚部位也发现普遍的腐蚀现象,这种腐蚀主要集中在水泥与保护锌套的交界处.

3　电网腐蚀控制措施

3.1热镀锌技术的应用

热镀锌技术是输变电线路钢结构普遍采用的防止大气腐蚀的方法,该方法主要是利用阴极保护的原理,以电位较低的锌作为牺牲阳极,防止或减缓钢结构的腐蚀.热镀锌防腐蚀性能主要取决于所处大气环境的侵蚀性.调查显示[23],国内输变电线路钢结构热镀锌的首次防腐蚀维护时间集中在20 年以内,之后的防腐蚀维护间隔为3～11年,平均为5.5年.在工业污染区及沿海地区,首次防腐蚀维护时间一般低于10年.在高湿度、高污染地区,采用单一的热镀锌技术可能难以满足钢结构的防腐蚀要求.

3.2耐腐蚀导线的开发

输变电线路导线的腐蚀损坏主要有电化学腐蚀、化学腐蚀和缝隙腐蚀等3种形式,腐蚀降低了线路运行寿命.为了降低输变电线路导线的腐蚀,可以采用以下方法[24].

(1) 改善钢绞线的表面质量,采用含金属镀层的钢绞线,如镀铝、镀锌或镀含稀土的铝锌合金,其中铝包钢线的耐蚀性能较好.

(2) 改善导线的结构.目前大多数导线采用圆线同心绞结构,这种结构的导线在层间和单线间均可能产生缝隙,容易产生缝隙腐蚀.通过以上两方面改进开发的耐腐蚀导线,在输变电线路上已成功应用,效果良好.

张五洲等人[25]在输变电线路中应用了碳纤维复合芯导线,该导线强度大、重量轻,同时还具有耐腐蚀、损耗低、耐高温、驰度低、载流量大等优点,是钢芯铝绞线的替代产品,广泛应用于输变电线路的改造工程中.采用碳纤维复合芯导线时,应结合该导线的特点,进行线路金具的合理设计与选型.

3.3铝合金的应用

铝合金构件具有重量轻、在大气中耐蚀性能好、比强度高、易于安装和运输、可回收率高等优点,在输变电线路中有较好的应用前景[26-27].近年来,国内外陆续制定了铝合金构件的设计规范,国外已在输变电线路中应用.采用铝合金构件,初期投资是钢构件的1.2～1.5倍,但由于铝合金耐大气腐蚀,无需采用热镀锌或防腐蚀涂层等表面防护,易于进行现场的二次加工与安装,使用周期长,使用期内维护简单,经济性反而更好.

3.4耐候钢的使用

耐候钢属于低合金钢,含有少量镍、铜等抗腐蚀性元素,具有较好的耐大气腐蚀性能,在桥梁、铁路、建筑、车厢、集装箱等领域得到广泛应用.王向红等人[28]分析了输变电铁塔中应用耐候钢可能产生的经济效益和环保效益,认为耐候钢的耐蚀性能和工艺性能均可以满足输变电线路铁塔以及螺栓连接和焊接、加工等方面的设计要求;耐候钢无需进行热镀锌等表面防护,具有较好的环保效益.相比热镀锌角钢方案,采用耐候钢方案可以节省27%的全寿命成本.

3.5涂料涂层防护技术的应用

涂料涂层防护技术仍是目前采用最普遍的防腐蚀技术,该技术施工简单、防腐蚀效果好、适应性强、工程造价低且易于维护,在输变电钢结构防护中应用广泛.涂料涂层防护性能与涂料种类有关,这些年陆续开发出不同的防腐蚀新涂料,如氟树脂防腐涂料、硅氟共聚物防腐涂料、聚氨醋树脂防腐涂料、高聚物合金重防腐涂料、纳米改性防腐涂料等[29-31].这些防腐蚀新涂料在耐化学介质、耐候性、耐油拒水、电绝缘性、使用寿命等方面具有较大优势.

3.6综合防护技术的应用

在腐蚀性较强、污秽等级较高的大气环境中,对输变电设备采用单一的防腐蚀技术往往难以达到腐蚀控制要求,这时需要多种防腐蚀技术的联合应用[32-33].例如,在滨海地区的铁塔保护中,采用热浸镀铝和防腐蚀涂层进行双重保护;或采用热镀锌防腐蚀层,并定期在热镀锌层外喷涂防腐蚀漆.

3.7输电杆塔基础的防腐设计

汤程等人[34]针对腐蚀性大气环境中输变电线路杆塔基础的腐蚀机理及控制,提出如下设计原则:

(1) 提高基础混凝土的密实性,防止侵蚀性物质进入到混凝土结构的内部;

(2) 通过碱度指标控制,使混凝土内的钢筋表面钝化膜保持稳定;

(3) 通过设计均衡混凝土结构受力状况,避免裂缝产生,减小裂缝宽度;

(4) 采用其他辅助方法,如添加缓蚀剂、钢筋表面涂刷防腐蚀涂料等.

4　结　语

随着大气污染的日益加剧,国内电网设备的腐蚀问题不断出现,对电网的安全稳定运行产生影响.防止电网设备的大气腐蚀,除了对相关设备进行合理的腐蚀防护、做好日常运行维护之外,需要大力开发新型经济的耐蚀材料和高性价比的防腐蚀技术.另外,还需要全社会的共同努力,解决大气污染日益严重的问题.

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(编辑桂金星)

Atmospheric Corrosion and Control of Metals inGrid Equipments in China

LIU Wei1, JIANG Yikui2, GE Honghua2

For metal corrosion problems on grid equipments,the relationship between atmospheric corrosion of grid equipment and atmospheric pollutants and corrosion mechanism of the main pollutants such as SO2,chlorides,H2S to metals in grid equipments are analyzed.The corrosion status and corrosion types of the power transmission and distribution overhead wire & ground wire,transformer substations,towers and metal fittings are discussed.The corrosion control techniques and methods of grid equipments are summarized.And finally,further measures and recommendations to prevent atmospheric corrosion of grid equipment are proposed.

grid equipment; atmospheric corrosion; atmospheric pollutants; corrosion control

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.04.009

2015-09-30

简介：刘伟(1972-),男,高级工程师,贵州贵阳人.主要研究方向为电厂化学及环境保护.E-mail:gzsyylw2053@sina.com.

上海市科学技术委员会项目(10Z2210400,14DZ2261000).

TG172.3;TM621.5

A

1006-4729(2016)04-0349-06