浙江省金属材料大气腐蚀等级分布图绘制

李延伟,熊欣睿,柳 森,祝晓峰,胡 威,胡家元,

(1. 杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014； 2. 浙江省萧山中学，杭州 311201；3. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014)

大气腐蚀是金属腐蚀中数量最多、覆盖面最广、破坏性最大的一种腐蚀形式。80%以上的电力设备处于大气环境中，其金属材料的大气腐蚀严重威胁着电网运行安全。随着电力设备服役时间的延长，由大气腐蚀造成的设备耐久性降低问题日益突出。目前，由统一防腐蚀措施保护的金属设备服役后，在各地区腐蚀差异巨大；故根据大气腐蚀等级，针对性地进行防腐蚀设计、运维具有十分重大的现实意义。目前，国内外研究者初步绘制了一些区域性的大气腐蚀等级分布图(简称大气腐蚀图)[1-4]。此外，王振尧等[5]根据典型工业大气环境和海洋大气环境的实地调查以及碳钢的大气暴露试验结果，进行了我国自然环境大气腐蚀性调查。而孟晓波等[6]提出了一种用于绘制大气腐蚀图环境因素的采集方法。但现有大气腐蚀图往往未考虑腐蚀源、运行经验等因素影响，绘图精度也有待提高。浙江省大气环境较为复杂，存在着海洋性气候区、重工业污染大气区、工业大气区、普通大气区等多类型气候环境，且目前还没有金属材料在浙江大气的腐蚀分布图。为此，本工作在浙江省各县级区域开展碳钢、锌、铜等常用金属的实地挂片工作，并结合工业腐蚀源影响等因素，绘制形成高精度的浙江省大气腐蚀等级分布图，为今后浙江省电力设备等金属构筑物选址、防腐蚀设计、运行维护提供关键性基础数据。

1 基本原则

1.1 腐蚀等级划分

大气腐蚀等级的划分原则按GB/T 19292.2-2018《金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性 第2部分：腐蚀等级的指导值》的规定执行，由低到高分为C1至CX等6个等级。在绘制浙江省大气腐蚀等级分布图时，相邻区域不应出现大气腐蚀等级的跳变。

1.2 绘图数据来源

(1) 曝露法金属挂片数据。该部分数据为标准金属试片在实地大气环境中曝露1 a的自然腐蚀速率，采集点密度为1 000 km2/个。

(2) 典型腐蚀源加权。腐蚀源以工业腐蚀源为主，自然腐蚀源仅考虑海洋环境；在腐蚀源影响范围内，腐蚀介质含量超过GB/T 19292.1-2018《金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性 第1部分：分类、测定和评估》规定范围时，应将相应的大气腐蚀等级提高1个等级。根据DL/T 2055-2019《输电线路钢结构腐蚀安全评估导则》，工业腐蚀源影响半径为3 km，自然腐蚀源(海洋)影响范围为离海岸线5 km。

(3) 运行经验加权。根据DL/T 2055-2019标准，新建电力设备在6 a内发生重腐蚀的地区，可判定该地区大气腐蚀等级为CX；10 a内发生重腐蚀的地区可判定大气腐蚀等级为C5；15 a内发生重腐蚀的地区可判定大气腐蚀等级为C4。

2 研究方法

2.1 挂片曝露试验

采用曝露金属挂片方式，在11个地市供电公司的变电站布置100个金属曝露挂片架，如图1所示。

经1 a曝露后，取下挂片，于一周内进行后处理。按式(1)计算金属腐蚀速率。

(1)

(a) 挂片架

(b) 挂片架分布图1 挂片架及其分布Fig. 1 Coupon rack (a) and its distribution (b)

式中：vcorr为腐蚀速率，μm/a；Δm为金属挂片的质量损失，g；A为挂片表面积，cm2；t为挂片曝露时间，a；ρ为金属密度，g/cm3。

表1为碳钢、锌、铜三种金属在浙江省各地曝露1 a期的腐蚀速率以及对应的大气腐蚀等级。DL/T 1425-2015《变电站金属材料腐蚀防护导则》规定，以多种金属试样进行大气腐蚀环境等级评定时，应取较重的腐蚀等级。因此取碳钢、锌、铜中最严重的腐蚀评价作为该地大气腐蚀等级。

表1 不同金属材料在浙江省各地曝露1 a期的腐蚀速率及腐蚀等级Tab. 1 Corrosion rates and corrosion grades for different metal materials exposed to different areas of Zhejiang Province for one year

由表1可知，在获得有效数据的100个测试点中，大气腐蚀等级为C3的点有34个，大气腐蚀等级为C4的点有61个，大气腐蚀等级为C5的点有3个，大气腐蚀等级为CX的点有2个。

2.2 腐蚀源数据来源及加权

工业腐蚀源主要包括化工、石化、炼油、冶金、建材、热电厂、矿产等。自然腐蚀源仅考虑海洋环境。工业腐蚀源影响半径为3 km，核心影响区半径为1 km；自然腐蚀源(海洋)影响范围为距海岸线5 km内，核心影响区为距海岸线2 km内。

目前，初步收集的浙江省典型工业腐蚀源有69处，表2为部分典型工业腐蚀源信息。在腐蚀等级分布图修编过程中，应重点结合腐蚀源变化情况进行相应的修订。

表2 浙江省部分典型工业腐蚀源信息Tab. 2 Information of some typical industrial corrosion sources in Zhejiang Province

2.3 运行经验来源及加权

由曝露挂片法绘图，并进行腐蚀源加权后，大气腐蚀等级分布图基本已成型。但仍然会因数据不足导致局部微环境内腐蚀等级误判，因而根据运行经验(金属构筑物实际服役中腐蚀情况)对腐蚀等级地图进行修正十分必要。

结合每年设备腐蚀监督，排查腐蚀案例，对所处大气环境进行等级判定。当发现重腐蚀案例后，将该设备周边半径3 km范围划定为同等级大气腐蚀区域，由此对大气腐蚀等级地图进行加权修正。通过梳理252起典型腐蚀案例，排查出4处CX级区域、7处C5级区域、9处C4级区域。表3为浙江省部分运行经验来源。

表3 浙江省部分运行经验来源Tab. 3 Parts of the operating experience sources in Zhejiang Province

3 大气腐蚀等级分布图绘制

3.1 大气腐蚀地图绘制方法

图2为大气腐蚀图绘制流程。首先根据经纬度信息，将曝露挂片的腐蚀速率数据标注在电子信息地图上，形成大气腐蚀图底图。之后，将腐蚀源数据及运行经验数据在底图上局部修正。重叠区域的边界按重腐蚀案例点数据>腐蚀源数据>曝露法挂片点数据的数据优先级确定。

图2 大气腐蚀图绘制流程Fig. 2 Drawing process of atmospheric corrosion map

3.2 大气腐蚀等级分布图绘制

根据已取得的数据，利用软件绘制形成浙江省金属材料大气腐蚀等级分布图，见图3。

由图3可见，大部分电力工程均处于C4及以上等级大气环境之中，即重腐蚀大气环境；浙江省金属材料大气腐蚀等级分布图与浙江省气候环境的分类大体一致，其中C3级大气基本处于普通地区，C4级大气基本处于工业污染区、C5级大气处于海洋性气候区域、CX级大气处于重工业污染区。

图3 浙江省大气腐蚀等级分布图Fig. 3 Distribution of atmospheric corrosion levels in Zhejiang Province

4 结论

通过浙江省金属材料大气腐蚀等级分布图的建立，可知浙江省约三分之二的区域处于C4级(含)以上重腐蚀大气环境。由于浙江省内工业企业众多，腐蚀源对周边电力工程微大气环境的影响较大，这将直接影响电力设备服役安全。该大气腐蚀图的建立，可大幅提高省内电力设备金属构筑物设计和选材的效率，同时提升了电网设备防腐蚀运维的针对性，制定更为经济高效的防护措施，对电网安全运行和经济效益都有重要意义。后续将增大挂片架的布点密度，特别是在腐蚀源附近增加布点，进一步提高大气腐蚀图的精度，以发挥其更大价值。