输电铁塔保护帽内塔脚隐蔽腐蚀的检测及评估

吴俊健，胡家元

（1.国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000；2.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

输电铁塔作为高压输电线路的承重结构，是高压输电线路最重要的基础设施之一，其安全可靠对电力系统安全至关重要[1]。输电铁塔的塔身、塔脚、接地系统等金属部件均会发生腐蚀[2]，而塔脚腐蚀有环境复杂恶劣、腐蚀状态隐蔽、防腐难度大、腐蚀危害性大等特点，是输电铁塔所有腐蚀问题中的重点和难点[3-4]。图1 为浙江省宁波、 金华等地近期发现的几种典型塔脚腐蚀形貌，图1（a）显示在与保护帽交界面处塔脚已接近锈断，图1（b）则表现为保护帽内塔脚腐蚀较保护帽外更为严重，保护帽内塔脚基材出现隐蔽性局部减薄，安全隐患十分突出。

图1 塔脚部位典型腐蚀形貌

国内外对输电铁塔防腐工作十分重视，但主要针对于塔身等大气裸露部位[5-7]，对保护帽包裹的塔脚腐蚀研究却较少涉及。刘爽[8]等研究了一起500 kV 线路铁塔塔脚与混凝土交界面处严重腐蚀减薄案例，分析认为周边大气中SO2浓度较高、且交界面长期处于潮湿状态是导致塔脚快速腐蚀的原因。陈彤及庄建煌[3，9]等针对普遍存在的塔脚局部腐蚀现象，采用电化学方法分别模拟了塔脚上部、塔脚-混凝土界面、塔脚在混凝土中的腐蚀过程，认为塔脚-混凝土界面处易积灰保水的特殊结构是导致其局部腐蚀失效的主因。李新梅[10]等研究了塔脚修复用冷镀锌在酸性、中性及碱性条件下的电化学腐蚀行为，提出了应用要求；钱洲亥[11]等提出了一种应用于塔脚防腐的复层矿脂包覆防腐技术；高书田[12]等发明了一种用于高压输电铁塔的防腐塔脚；Tiba[13]等开发了一种利用光伏供电的铁塔基础阴极保护方法。上述研究阐述了图1（a）所示塔脚与混凝土交界面腐蚀机理，并提出了一些适用于锈蚀塔脚的防腐方案。然而，目前国内外对于图1（b）所示的保护帽内塔脚隐蔽腐蚀这一现象，关于保护帽质量评估、塔脚腐蚀快速检测、相关腐蚀机理等方面尚未见文献报道。现阶段仅采取对在役保护帽人工敲开抽检，检查后重新浇筑的方式，不仅费时费力，且存在大量资源浪费。

一般认为合格的混凝土浇筑后将会呈现强碱性，其内部钢材将处于钝化状态而免遭腐蚀[14-15]。然而，一方面混凝土在大气环境下会缓慢碳化[16]，其内部pH 值降低至11.5 以下后碳钢将逐渐失去钝化、发生腐蚀[15，17]；另一方面当混凝土品质不良时，因保护帽中存在的缝隙易于滞留水分及侵蚀介质，塔脚也将遭受腐蚀。因而，研究一种保护帽品质的快速评定方法，实现对新建及在役保护帽品质的快速检测，判断后续塔脚腐蚀风险；开发一种保护帽内钢材腐蚀无损检测技术，实现对于保护帽内塔脚金属腐蚀的快速检测，确定当前塔脚腐蚀现状，将具有显著的实用价值。

1 试验内容

1.1 试验内容及样品

1.1.1 试验内容

借鉴回弹法、超声法等混凝土构件的品质评估技术[18]，研究简便易行的铁塔保护帽品质现场检查评估方法，实现对混凝土保护帽强度、内部缺陷等的快速检测。

基于线性极化法等钢筋混凝土结构腐蚀测试技术[19]，研究混凝土保护帽内塔脚腐蚀快速测试方法，实现对保护帽内塔脚腐蚀速率等特征判定。

1.1.2 试验样品

制作塔脚混凝土结构件样品（见图2），通过调整混凝土强度、内部掺杂盐类、泥土等条件（见表1），模拟保护帽的不同品质。所有结构件样品在室温箱做28 天养护之后开展各项测试工作，掺盐试验为混入占水泥相应质量分数的NaCl 盐类，并搅拌均匀；掺土试验为混入占水泥相应体积比的沙土，并适当搅拌，试验过程中发现，土样将下沉至混凝土下部。

图2 塔脚混凝土结构件试样

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土强度评估

对于塔脚保护帽结构，回弹法及超声法测试区域及测试点分布示意见图3。

表1 混凝土结构件试制参数

图3 混凝土强度测试区域示意

计算平均回弹值时，应从该测区16 个回弹值中各剔除3 个最大值和最小值，将余下的10 个回弹值求均值[18]。

超声测点布置在回弹测试的同一测区内，测试的声时值精确至0.1 μs，声速值精确至0.01 km/h，在每个测区内的相对测试面上，各布置3 个测点，测区声速应按式（1）计算：

式中：L 为混凝土结构件测试面厚度；tm为3 次测量声时值的平均值。

本实验粗骨料为碎石，超声回弹综合法测试混凝土强度的计算公式[18]见式（2）。

式中：f 为混凝土推算强度；V 为声速平均值；R为回弹平均值。

1.2.2 塔脚腐蚀速率测试

基于线性极化法的基本原理，改进传统的混凝土内部钢筋腐蚀速率检测方法，设计一套全新的适用于混凝土保护帽-镀锌钢界面腐蚀速率的检测方法[20]；改进了测试装置中的辅助电极形状，明确了待测钢材的测试区域范围，从而有效降低了测试误差。该方法适合于检测如图4（b）所示部分混凝土包裹、部分裸露的钢材。测试系统及检测位置见图4。

图4 混凝土内金属腐蚀速率检测系统及测试区域

腐蚀电流Icorr由测试装置直接测得，但要计算腐蚀电流密度icorr，需确定阳极面积值。根据有限元软件对不同辅助电极宽度与电力线在阳极区（工作电极）上的影响深度进行模拟。模拟结果显示：以取90%的电流百分数所在的阳极区域作为确定阳极影响深度的依据，当取辅助电极宽度为20 mm 和40 mm 时，阳极上影响深度分别为60 mm 和65 mm，且在该范围内影响深度随辅助电极的宽度增加而增大。所以采用插值法，根据辅助电极的宽度l 来确定阳极影响深度d，计算公式如式（3）所示：

阳极面积A 可由式（4）确定：

式中：C 为塔脚角钢截面周长。

镀锌钢的锌层钝化后会有保护作用，其腐蚀电流密度很小；当镀锌层消耗殆尽、基体钢材腐蚀后，其腐蚀电流密度才会显著增加。故而，以腐蚀电流密度为评价指标，可依据表2 中混凝土钢筋的腐蚀划分原则，对铁塔混凝土保护帽内部钢材的腐蚀状态进行评估[21]。

表2 塔脚腐蚀状态判断

1.3 计算软件的开发

为获得准确的定量结果，混凝土强度评估及塔脚腐蚀速率检测均涉及较为复杂的计算，难以满足现场快速评估要求。鉴于此，开发了一套铁塔保护帽检测数据处理软件，包含保护帽品质分析模块、塔脚腐蚀评估模块，仅需输入现场测试数据即可快速计算出评估结果。软件模块界面如图5 所示。

2 结果与讨论

2.1 保护帽品质检查

利用超声回弹综合法对表1 中各混凝土构件进行强度评估，将测试结果以图5（a）所示软件计算，结果见表3。

如表3 所示，对于按不同强度浇筑的混凝土构件（编号1-3），超声回弹法可较准确的评定其强度等级，这也证明了该方法在塔脚保护帽上的适用性。混凝土构件中加入盐类后（编号4-5），对其强度影响不大；但掺入土样等杂质后（编号6-8），混凝土强度迅速降低。

进行超声测试时发现，对于掺有土样的混凝土构件，当测试点远离土层、接近或处于土层周围时，其超声测试值有明显差异，结果见表4。

如表4 所示，当塔脚混凝土保护帽内掺有土层时，跨土层的声速值为2～3 km/s；当不跨土层沿混凝土表面进行测量时，其声速值均略大于4 km/s。可见，当保护帽存在内部掺土重大缺陷时，超声测试可以便捷地判断混凝土品质。

2.2 塔脚腐蚀速率测试

采用发明的保护帽塔脚腐蚀速率测试法对表1 中各混凝土构件中塔脚腐蚀速率进行测试，将测试结果以图5（b）所示软件计算，结果见表5。

图5 保护帽品质及塔脚腐蚀检测数据处理软件模块

表3 各混凝土结构件强度评估结果

如表5 所示，对于按不同品质制作的塔脚保护帽，本文所述的改进测试方法可较准确区分其腐蚀速率，这也证明了该方法对塔脚保护帽体系的适用性。 对于C20 以上强度的混凝土保护帽（编号1-3），内部塔脚腐蚀速率在短期内无明显差异。加入了盐类后（编号4-5），塔脚腐蚀速率明显增大，说明侵蚀性盐类可加快混凝土中金属腐蚀。对于掺入土样的保护帽（编号6-8），内部塔脚腐蚀速率最大，这与现场大量发现的表面以混凝土包裹、内部以泥土填充的保护帽中塔脚严重锈蚀现象相符。

表4 掺土结构件超声测试结果km/s

2.3 现场测试结果

对某110 kV 输电铁塔的塔脚保护帽进行腐蚀评估，分别采用回弹超声综合法、改进线性极化法测试混凝土强度及保护帽内塔脚腐蚀速率，测试过程如图6 所示。测试结果见表6 及图7。

图6 混凝土强度及塔脚腐蚀速率现场测试

如表6 所示，对于该基铁塔的混凝土保护帽进行多点测试，发现该保护帽混凝土强度在7.9～10.2 MPa，低于铁塔混凝土强度不低于15 MPa（强度C15）的一般要求[22]，可认定该保护帽品质不佳，其内部易形成腐蚀环境。造成保护帽品质不达标的原因主要有：保护帽服役后混凝土碳化而强度降低、保护帽内混有泥土等杂质而导致强度不达标。

表5 混凝土结构件内塔脚腐蚀速率

表6 混凝土强度现场测试结果

图7 保护帽内塔脚极化曲线

通过解析极化曲线，测试得到的腐蚀电流为2.77×10-4A。利用公式（4）估算得到塔脚阳极面积为227.2 mm2，可计算得到塔脚腐蚀电流密度为0.12 μA/cm2，属于“轻度腐蚀”等级。

对该基铁塔保护帽进行敲开检查，保护帽内部结构及塔脚腐蚀情况如图8 所示。 由图8 可见，保护帽内部存在沙土填充现象，并非全为混凝土材质，这也解释了该保护帽强度测试结果不达标现象。同时，内部塔脚已出现锈蚀，但还未严重，也与塔脚腐蚀速率测试结果相符。检测结果证明了本文所用检测方法的准确性。

图8 保护帽内部结构及塔脚腐蚀情况

3 保护帽内塔脚腐蚀机理

输电铁塔钢材普遍采用镀锌层防腐，以延长铁塔钢材的大气环境使用寿命[23]。锌是两性金属，其电位-pH 图如图9（a）所示，当环境pH 值在6～13 时，锌层表面可形成ZnO 保护膜。相似地，铁的电位-pH 图如图9（b）所示，钢材基体在强碱性环境中处于惰性状态。当保护帽品质合格时，混凝土呈现强碱性[17]，其内部镀锌钢材处于被保护状态，腐蚀速率很低，表5 中1-3 号样品的试验结果也验证了这一结论。

图9 镀锌钢塔脚的电化学性质

当保护帽由于长期服役风化、用材不合格等原因而品质不佳时，其内部容易出现缝隙等缺陷而滞留水分。这不仅将降低混凝土介质碱性，同时引入了雨水中和Cl-等侵蚀性介质，此时锌材及钢材表面保护性薄膜会被破坏[9]。塔脚镀锌钢材的腐蚀包括镀锌层腐蚀、钢材基体腐蚀等过程，以受到侵蚀作用为例，2 种材质的腐蚀反应包括：

锌腐蚀主要反应为：

当锌层被腐蚀破坏后，碳钢基材腐蚀主要反应为：

由于劣化保护帽的保水作用，塔脚部位的镀锌钢材将长期处于含有侵蚀离子的含水环境中，而镀锌层并不适合对水溶液中钢材的防护。 因而，劣化保护帽内塔脚腐蚀进程将比曝露在大气环境中的塔身部分更为严重[24]。这也解释了现场发现的保护帽内塔脚腐蚀较外部更为严重的现象。提高保护帽强度及质量、对保护帽内塔脚部位涂刷防腐涂料等加强防腐，将是防治塔脚腐蚀、确保铁塔塔脚服役安全性的关键措施。

4 结论

本文开发了一种混凝土品质检测方法及塔脚腐蚀速率测试方法，并开发了数据处理软件；通过对混凝土结构件样品及现场塔脚保护帽的测试验证，得到结论及建议如下：

（1）对于按不同强度浇筑的混凝土构件，超声回弹法可较准确地评定其强度等级；混凝土构件中加入盐类后，对其强度影响不大，但掺入土样等杂质后，其强度迅速降低。该方法可准确判断混凝土保护帽的品质，可用于新建及在役保护帽的质量监督；当保护帽存在掺土等严重内部缺陷时，也可单独采用超声法对其进行快速判断。

（2）改进线性极化法检测发现，强度在C20以上的混凝土保护帽内部塔脚腐蚀不明显；而添加侵蚀性盐类、掺入土样的保护帽，其内部塔脚腐蚀速率明显增加。该方法可准确测试保护帽内塔脚腐蚀速率，用于塔脚隐蔽腐蚀的快速判断，可服务于在役塔脚防腐监督；实现以无损检测方式减少保护帽破坏性抽检工作，达到节约人力物力的目的。

（3）劣化保护帽容易出现缝隙而滞留水分，将降低混凝土介质碱性，同时引入了雨水中和Cl-等侵蚀性介质，是导致其内部塔脚隐蔽腐蚀的主要原因。由于劣化保护帽的保水作用，塔脚镀锌钢材将长期处于有侵蚀离子的含水环境中，其内部塔脚腐蚀进程将比曝露在大气环境中的塔身部分更为严重。提高保护帽强度及质量、对保护帽内塔脚部位加强防腐将是防治塔脚隐蔽腐蚀的关键措施。