海岛强腐蚀环境下某变电站混凝土结构耐久性评估

吴 亮 俞铁勇 张 军 张 凯 毛江鸿

1. 中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司 浙江 杭州 310012；2. 国网舟山供电公司 浙江 舟山 316004；3. 浙大宁波理工学院 浙江 宁波 315100

变电站是现代工业基地的心脏，关系到基地能否正常运转[1]。其中，土建工程优良的耐久性是保障变电站工作效能的基础[2]。

由于我国东部沿海地区处于干湿交替的富氧盐雾环境，氯离子侵蚀导致的混凝土结构锈胀开裂等一系列耐久性问题严重[3]。需注意的是，变电站运行过程中产生的杂散电流还将进一步加快氯离子的扩散[4]。

不少学者都针对沿海环境氯盐侵蚀下的混凝土结构进行了耐久性评估的研究。仲伟秋等[5]结合Fick定律的泊松分布来描述氯离子侵蚀现象，并以港口为例进行氯离子侵蚀环境下混凝土结构的可靠度分析。

郝晓丽[6]建立了考虑氯离子扩散系数的时间依赖性及其他因素影响的改进氯离子扩散模型，提出了在近海区和浪溅区等相似环境下混凝土结构最小保护层厚度的建议值。吴瑾等[7]将混凝土表面氯离子含量和保护层厚度作为随机变量，将扩散系数作为随机过程，在传统的Fick第二定律的基础上提出了氯离子含量分布的随机模型。针对沿海变电站工程的特殊性，耐久性评估需要考虑杂散电流对氯离子扩散的加速作用。

目前，考虑氯盐-杂散电流双重作用的耐久性评估研究报道较少。本文首先调研了某变电站的耐久性问题，检测了混凝土保护层厚度以及氯离子质量分数等耐久性指标；然后，根据检测结果，拟合得到该变电站服役条件下的实际氯离子扩散系数，运用Fick第二定律评估其耐久性；最后，提出了针对沿海已建变电站耐久性措施的建议。

1 混凝土结构耐久性检测

对浙江省舟山市某220 kV变电站土建结构的腐蚀状态进行工程调研，发现虽然该变电站服役不足2 a，在主变混凝土隔墙、混凝土屋面、室内混凝土墙柱和线路电缆室等部位均已发现可见锈坑、锈胀裂缝、保护层剥落等耐久性问题。基于此，检测了混凝土保护层厚度、氯离子含量及分布等耐久性指标。

1.1 混凝土保护层厚度检测

依据JGJ/T 152—2019《混凝土中钢筋检测技术标准》采用混凝土钢筋检测仪检测土建结构的保护层厚度。主变基础人字柱，消防室独立柱和电缆室基础检测结果如图1所示。

图1 混凝土保护层厚度测试结果示意

由图1可知，主变基础人字柱、消防室独立柱和电缆室基础的实际检测的最薄弱处保护层厚度分别为13、28、11 mm，而设计保护层厚度分别为25、45、45 mm。可以发现，各土建构件的实际保护层厚度均存在明显低于设计保护层厚度的情况。

1.2 氯离子含量及分布检测

氯离子含量检测依据JGJ/T 322—2013《混凝土中氯离子含量检测技术规程》进行，评价指标为氯离子在胶凝材料中的质量分数。各构件的检测结果如图2所示。

由图2可知，虽然该变电站的服役年限较短，室外结构如主变基础人字柱由于受盐雾、雨水等侵蚀，导致混凝土保护层表面氯离子含量较高。

2 土建结构耐久性寿命预测及分析

2.1 变电站耐久性寿命预测关键参数确定

对于处于沿海环境干湿交替区域的混凝土结构，Duracrete[8]提出的经验方法认为，在0～Δx（Δx为对流区深度）范围内的对流扩散区域中主要发生由孔隙液流动造成的氯离子对流，而在其余区域内以氯离子含量扩散作为主要渗透方式，在纯扩散区域（即：x≥Δx），氯离子在混凝土中的扩散行为可以用Fick第二定律[9]描述〔式（1）〕：

式中：erf(·)——高斯误差函数；

x ——距混凝土表面的深度；

C0——混凝土初始氯离子质量分数；

Cs——混凝土10 a稳定期表面氯离子质量分数；

Dapp——表观氯离子扩散系数。

假定混凝土中的初始氯离子质量分数为0；根据已有研究[10]，Δx可取为10 mm；对于处于地上大气区的主变基础人字柱，其10 a稳定期的表面氯离子质量分数可取0.9%，对于处于室内潮湿环境的电缆室基础和消防室独立柱，其10 a稳定期的表面氯离子质量分数可取0.8%[10]；根据DB33/T 1128—2016《浙江省工程建设地方标准》，混凝土内钢筋锈蚀的氯离子质量分数阈值取为0.15%。

式（1）中，表观氯离子扩散系数Dapp反映了氯离子在混凝土中的扩散速度，与混凝土材料性质以及服役环境有关。表1为基于氯离子扩散的主变基础人字柱、消防室独立柱、电缆室基础的寿命分析结果。

结构部位 Dapp/（mm2·a-1）设计保护层厚度/mm 60 a所需厚度/mm实际最薄弱保护层厚度/mm构件实际寿命/a是否满足要求主变基础人字柱 186.05 25 24.4 13 3.8 不满足消防室独立柱 319.30 45 43.0 28 6.6 不满足电缆室 基础 271.93 45 37.5 11 2.7 不满足

2.2 主变基础人字柱的寿命分析

主变基础人字柱的寿命预测过程如图3所示。主变基础人字柱保证使用寿命60 a所必需的最小保护层厚度为24.4 mm，而在最薄弱保护层厚度13.0 mm下的实际耐久性寿命仅为3.8 a。

2.3 消防室独立柱的寿命预测分析

消防室独立柱的寿命预测过程及结果如图4所示。消防室独立柱保证使用寿命60 a所必需的最小保护层厚度为43 mm，按照实际最薄弱保护层厚度28 mm来计算，实际的耐久性寿命为6.6 a。

2.4 电缆室基础的寿命预测分析

电缆室基础的寿命预测过程如图5所示。电缆室基础保证使用寿命60 a所必需的最小保护层厚度为37.5 mm，而按最薄弱保护层厚度11.0 mm来计算，实际耐久性寿命仅为2.7 a。

2.5 分析结果

通过对实测的氯离子含量分布曲线进行拟合，可得到变电站实际服役条件下的Dapp，参见表1。从表1可以看出，各处的Dapp差别较大，一方面是由于各部位所用混凝土材料不同，另一方面可能是由于各处杂散电流的影响不同。

根据寿命预测结果可以发现，设计方案中各土建构件的保护层厚度能满足60 a设计使用寿命的要求。然而，实际工程中由于存在保护层偏差，实际检测的最薄弱处的保护层厚度均明显低于设计的保护层厚度，造成了局部薄弱区的出现。为保证土建部分60 a的设计使用寿命，需要及时采取相应的耐久性措施，如增补混凝土保护层厚度、涂敷防腐涂料或电化学修复等。

3 结语

1）对沿海环境下某220 kV变电站土建结构的耐久性劣化情况进行工程调研及检测发现，虽然服役时间不足2 a，变电站土建部分已出现了钢筋锈蚀、混凝土开裂剥落等耐久性问题；外界环境作用导致混凝土保护层表层氯离子含量较高，是钢筋锈蚀的主要原因。

2）主变基础人字柱、消防室独立柱及电缆室基础等土建构件实测耐久性指标及分析结果显示，各构件最小的保护层厚度分别为13、28、11 mm，对应的实际耐久性寿命分别为3.8、6.6、2.7 a，远不满足耐久性要求。

3）混凝土保护层厚度对寿命的影响极大，较小的误差就会导致耐久性寿命的显著降低，施工过程中应严格控制混凝土保护层的厚度。