变电站钢结构防腐蚀设计及其应用研究

张春潮

（福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350108）

0 前言

钢结构是一种质轻高强、抗震性好、节能环保，并能够循环利用的建筑结构。伴随着国家经济的蓬勃发展、钢材产量的巨大提升和国家电网关于变电站建设实行模块化设计、标准化生产、装配式施工的生产理念，钢结构在变电站建设中广泛应用于户外构支架和生产用房。但钢材耐腐蚀性差，极易锈蚀，严重危及结构的安全运行，甚至引起灾难性事故。据相关统计，我国每年由于钢结构腐蚀造成的金属结构、设备和材料损失量大约是当年钢产量的 10%～20%，造成的经济损失约占国民生产总值的2%～4%[1]。因此，进行钢结构的腐蚀机理和防护措施研究具有重要的意义。

1 腐蚀机理与防腐蚀措施

1.1 腐蚀机理

当钢铁暴露在潮湿及有氧的环境中，总是向它的稳定形态（氧化铁）转变，这种转变是其和周围环境反应的结果，锈蚀也因此发生。钢材的锈蚀主要有两种类型：

（1）化学腐蚀

在湿度较大、侵蚀性介质的环境中，钢铁材料与空气接触时铁分子与空气中的氧及水分子起化学反应生成铁锈所致。

（2）电化学腐蚀

电化学腐蚀过程中，钢材中的铁元素作为腐蚀电池的阳极释放电子形成铁离子，经过一系列反应生产铁锈。具体的化学方程式如下：

2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3

1.2 影响因素

主要影响因素包括钢材所处的自然环境和自身的合金元素。自然环境包括大气环境、海水环境和土壤环境，不同环境下钢材锈蚀的影响因素不同[1]。

1.3 防腐蚀措施

钢结构防腐蚀方法主要有以下四种：

（1）提高钢材自身抗腐蚀性，即采用耐候钢。

（2）采用阴极保护，常用于地下或水下钢结构。

（3）热镀锌。通过在构件表面附着锌层，形成致密的保护膜，起屏蔽和置换防腐作用。

（4）涂层防护。分为金属复合涂层和油漆涂层，均包括底漆、中间漆和面漆，起隔绝防护和延迟腐蚀作用。

1.4 变电站防腐要求

变电站作为一种电力基础设施，与常规建筑相比，有其特殊性：

（1）持久性。变电站长时间处于带电工作状态，钢结构出现问题时，无法使变电站长时间停止运行来进行维修，所以需要考虑到钢结构防腐的持久性。

北京邮电大学等40 所高校发文总量达1825 篇，占所有文章总数的近一半量。北京邮电大学和电子科技大学分别以170 篇和147 篇的数量占据发文量榜首。

（2）适应性。变电站广泛分布于各地，环境条件各不相同，制定防腐蚀方案时必须充分考虑各种环境条件，具有良好的适应性。

2 钢结构防腐蚀设计

钢结构锈蚀后，杆件截面减小，结构承载力降低，结构使用年限减少[2]。因此，设计钢结构时必须根据结构所处环境、耐久性要求和经济条件进行综合确定。

2.1 环境分类

环境是钢结构腐蚀的第一影响要素，决定了涂装方案的选择、涂层厚度、日后维修和投资费用等。变电站所处环境各不相同，特别是沿海地区大气中盐分含量高，腐蚀性强；城市和工业区空气中硫的含量高，溶于水后变成强腐蚀介质，这些环境条件下钢结构极易锈蚀。

根据《建筑钢结构防腐蚀技术规程》规定，我国的大气环境气体类型分为A～D四类，腐蚀性等级分为Ⅰ～Ⅵ类，防腐设计时应根据大气环境监测数据和空气相对湿度确定大气环境腐蚀性等级，采取合适的防护方案。在腐蚀等级为Ⅳ～Ⅵ类的环境中，钢结构防腐蚀宜采用金属热喷涂[3]。

表3-1 大气环境对建筑钢结构长期作用下的腐蚀性等级

B ＞75 城市大气Ⅳ 中腐蚀 0.05～0.2 C 60～75 工业大气D ＜60 海洋大气Ⅴ 较强腐蚀 0.2～1.0 D 60～75 海洋大气C ＞75 工业大气Ⅵ 强腐蚀 1.0～5.0 D ＞75 海洋大气

2.2 设计使用年限

设计使用年限分为3个标准：2～5年、5～10年、10～15年，应根据钢结构维修的难易程度及环境腐蚀性情况确定合理的设计使用年限和最小防护层厚度。

表3-2 钢结构防腐蚀保护层最小厚度

2.3 涂装要求

涂层的选择需要注意不同涂层对不同的腐蚀条件有不同的耐受性、不同涂料之间存在相容性问题和涂层施工相关要求。

2.4 结构构造要求

合理的构造措施可以更好地保证结构的安全性。结构构造除应满足截面尺寸和壁厚方面相关要求外，还应注意以下几点：

（2）焊条、螺栓、垫圈、节点板等连接构件的耐腐蚀性能，不应低于主体材料。

（3）构件连接处的缝隙，应嵌刮耐腐蚀密封胶。

（4）钢柱柱脚应置于混凝土基础之上。

3 应用研究

通过对钢结构腐蚀的分析研究，下文将结合一个实际工程进行防腐设计应用研究。

漳州海园220kV变电站位于漳浦县古雷石化产业园，距海岸线1公里，距石化产业园 8公里，大气环境十分恶劣。本工程采用全户内方案，全站电气设备布置在钢结构配电楼内。为做好本工程钢结构防腐设计、减少后期维护并提高结构安全性，在工程附件设立大气腐蚀监测试验站并进行现场调研。

通过表3-1可知，大气中Cl-、NO3-和SO42-的浓度很高。Cl-浓度高主要是由于工程距海岸线较近，盐密度较高所致；NO3-和SO42-浓度高主要是石化基地的工业大气所致。根据规程规定，本工程大气环境气体类型为D型，腐蚀类型为Ⅵ级强腐蚀。

表3-1 大气腐蚀监测试验数据

通过对油田变现场调研，发现投运仅一年的电气设备严重锈蚀。主要是由于海边空气中盐分含量较高、化工基地工业大气腐蚀性强、电气设备防腐不满足环境要求所致。

经相关分析，本工程设备支架采用热镀锌防腐、配电楼钢结构采用金属热喷涂防腐。金属热喷涂方案为喷砂除锈达到Sa2.5级标准，180微米锌铝合金+20微米环氧密封底涂料，40微米环氧云铁中间漆涂料一遍，100微米氟碳面层涂料两遍，涂层总厚度340微米，涂层使用年限可以达到20～30年，满足变电站防腐长效性要求。这套涂层体系包括可提供阴极保护的锌铝合金底漆，可提供隔绝保护的环氧云铁中间漆和超强耐候、耐磨和耐腐蚀性的氟碳面层涂料。该涂装方案广泛适用于沿海和工业大气环境中，面层涂装做法可根据经济性进行优选。

4 结语

随着钢结构在变电站中的广泛应用，其防腐蚀设计尤为重要。环境是钢结构腐蚀的第一影响要素，制定防护措施时一定要根据实际环境情况制定有效的防护措施，可以节约大量的维护经费并显著提高钢结构的安全性与使用寿命。