滨海变电站钢结构腐蚀评价与防护措施

摘要：采用红外光谱（IR）、电子扫描电镜（SEM）和电子能谱（EDS）对滨海变电站钢结构腐蚀失效进行分析，探讨变电站钢结构的腐蚀失效过程。结果表明：在滨海海洋大气和工业大气耦合腐蚀环境下，氯离子和酸性腐蚀介质导致钢结构及变压器外壁腐蚀严重，腐蚀主要包括漆膜脱落和鼓泡、电偶腐蚀、微生物腐蚀、涂层老化及粉化，钢结构已经发生严重的电化学腐蚀和金属氧化。采用合适的防护措施，包括选用合适基材和涂覆重防腐涂料可提高变电站钢结构的耐蚀性能和服役年限。

关键词：变电站；腐蚀机理；镀锌钢；海洋大气腐蚀；重防腐涂层

1 概述

滨海变电站钢结构的腐蚀源于热力学的不稳定，钢结构在苛刻海洋大气和工业大气腐蚀环境中，腐蚀介质（主要包括氯离子、氧气、水分）会诱导钢结构发生电化学腐蚀和应力腐蚀［1，3］。钢构件处在海洋大气中，由于钢材本身物理及化学性质的不均匀性，构成腐蚀电池，导致出现电化学腐蚀。当腐蚀电池的阳极和阴极在金属表面不规则地随机分布时，便发生均匀腐蚀［4-5］；当腐蚀电池的阳极区面积较小而阴极区的面积相对很大时，便发生局部腐蚀。局部腐蚀增加了钢结构脆性破坏的可能性，显著降低了结构的耐久性。腐蚀介质到达钢构件表面时，由于微裂纹的存在为局部腐蚀的发生创造了条件。随着腐蚀过程的发展，微裂纹的宽度和深度进一步加大，因此应力集中的情况也越来越严重，这又加速了裂纹的进一步发展，为腐蚀介质提供了更大的空间［6-7］。

本文首先对浙江省宁波市10个滨海变电站进行腐蚀调研，探究变电站钢结构的腐蚀失效过程，然后介绍宁波电力设计院有限公司联合中国科学院宁波材料技术与工程研究所在装配式变电站采用新型石墨烯重防腐涂层的防护效果，研制涂层可延长装配式变电站钢结构的服役寿命［8，10］。

2 滨海变电站腐蚀调查与讨论

滨海变电站钢结构在海洋大气腐蚀环境中的腐蚀程度可划分为轻微、较严重及严重三种等级［11］：轻微腐蚀表明钢结构表面平整，有少许锈迹，但钢结构基材完好；较严重腐蚀表明钢结构表面有明显锈迹、涂层鼓泡脱落且有明显腐蚀坑；严重腐蚀表明钢结构表面已全部被腐蚀产物所包裹，涂层脱落，腐蚀坑面积较大。依据此评判标准，对变电站室外钢结构进行腐蚀调查。

2.1 总体情况

对浙江省宁波市10个已经服役超过8年的滨海变电站进行钢结构腐蚀调研，发现未涂覆涂层的钢结构已经发生较严重腐蚀，集中出现在抱箍、端子箱、支架和变压器等设备上，详见图1。其中支架和变压器表面涂层已经出现明显起泡和脱落现象，清除其表面腐蚀产物后，腐蚀坑明显，腐蚀深度为1～3mm；抱箍和端子箱上的涂层已经明显粉化和失光，有锈迹从基材渗出。主要原因是在滨海海洋大气和工业大气耦合腐蚀环境中，氯离子和酸性腐蚀介质导致钢结构及变压器外壁腐蚀严重，腐蚀类型包括漆膜脱落和鼓泡、电偶腐蚀、微生物腐蚀、涂层老化及粉化现象等。

2.2 腐蚀形貌和腐蚀产物分析

图2是变电站钢结构及其腐蚀产物进行了电子扫描的电镜（SEM）照片。发现钢结构表面附着大量疏松的腐蚀产物，主要为铁氧化物。通过局部腐蚀放大照片可以观察到表面金属有明显腐蚀开裂现象，说明钢结构在苛刻海洋大气和工业大气耦合腐蚀环境中，腐蚀劣化迹象明显。右表是采用电子能谱（EDS）对支架、端子箱和抱箍表面腐蚀产物进行扫描得到的各元素含量。腐蚀产物中，发现氧元素、氯元素和硫元素含量均较高，说明钢结构发生明显腐蚀。其中氯元素主要来自海洋大气中的氯化钠，硫元素主要来自工业大气中的硫化氢和盐酸，氧元素含量高，说明钢结构已经发生严重的电化学腐蚀和金属氧化。

图3是变电站钢结构支架、端子箱和抱箍表面腐蚀产物的红外光谱（IR）扫描谱图。其中3660cm-1对应于羟基-OH的伸缩振动，来源于基材表面吸附的水膜，3424cm-1和1024cm-1对应于铁氧化物Fe-O的伸缩振动，1636cm-1和470cm-1对应于C=O的伸缩振动，可能是金属表面形成碳酸盐。

2.3 变电站钢结构的腐蚀防护措施

在苛刻海洋大气腐蚀环境下，滨海变电站钢构件主要采用三种涂层保护措施，分别为涂漆、热镀锌和镀锌+涂漆。由于不锈钢成本较高，热镀锌酸性过程中会带来环境污染，目前变电站逐渐采用装配式钢结构+重防腐涂层防护的模式。

装配式变电站钢结构工业化程度高，施工速度快，工期短，项目资金周转快，对推动我国变电站建筑钢结构工业化具有重要意义，是我国未来变电站施工建设的重要发展趋势。由于建筑结构设计使用年限较长，一般民用建筑设计使用年限为50年，大型公共建筑如体育场馆、跨海桥梁等设计使用年限可达100年，因此其中的钢结构构件需要考虑其防腐性能及寿命问题。为了尽可能延长钢结构在使用年限内的防腐大修时间，需要选用长效防护的重防腐涂料体系对装配式钢结构进行涂装。装配式变电站钢结构的耐久性和服役寿命与其表面涂装的防护涂料直接关联。

宁波电力设计院有限公司联合中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发石墨烯重防腐涂层体系，重点突破石墨烯高效分散技术和长寿命涂层开发技术，考虑到装配式钢结构施工位于工厂内部和安装现场补涂的特点，设计的石墨烯涂层体系（主要由低表面处理底漆+高固体石墨烯中间漆+聚氨酯耐候面漆）对装配式钢结构具有明显优势：（1）对基材表面处理要求低。在石墨烯防腐底漆中，增加铁锈转化剂，提高漆膜的防锈和铁锈转化效果；（2）涂料的施工效率和施工性能好，一次成膜厚。拟采用高固体石墨烯中间漆，具有体积固体份高，阻隔水汽性能好等优势，一次成膜厚度可达200微米；（3）对装配式变电站钢结构的综合防护寿命高。石墨烯重防腐涂料采用底漆、中间漆和面漆复配，可在海洋大气腐蚀环境中，对钢结构的防护寿命≥25年。图4是石墨烯重防腐涂层在装配式钢结构变电站的现场施工照片，涂装完毕后测试复合涂层在钢结构上的附着力为12MPa，远超过项目设计（附着力≥5MPa）要求。石墨烯重防腐涂层对装配式变电站钢结构进行有效防护，对滨海变电站在苛刻海洋大气腐蚀环境下的安全稳定运行具有重大意义。

结语

我国输变电技术已处于国际领先水平，装配式变电站设备及施工技术也得了迅猛发展。对传统已经服役的变电站进行腐蚀调研，发现变电站钢结构的腐蚀问题不容忽视，集中表现在抱箍、端子箱、支架和变压器等设备上。变电站钢结构腐蚀与苛刻海洋大气腐蚀和工业大气腐蚀密切相关。建议采用新型装配式变电站钢结构搭配新型石墨烯重防腐涂层技术进行腐蚀防护。涂装长效石墨烯重防腐涂层体系，可以延长装配式变电站钢结构在苛刻海洋大气腐蚀环境中的服役寿命，通过环氧石墨烯防腐底漆，高固体环氧石墨烯阻隔中间漆和聚氨酯耐候面漆的配套，可对装配式变电站钢结构的防护寿命≥25年。

参考文献：

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［11］李晨涛，林李波，蔡蒂，等.广州市变电站室外金属构件腐蚀调查［J］.材料保护，2019，52（9）：184-188.

资助项目：浙江省国家电网“苛刻海洋腐蚀环境下装配式变电站钢结构长效石墨烯重防腐涂层关键技术研发”项目资助

作者简介：俞嘉辉（1995—），男，汉族，浙江宁波人，本科，助理工程师，主要从事电力土建工程的设计与研究。

通讯作者：刘栓（1986—），男，高级工程师，主要从事功能防腐涂料的研发。