吳俊健，胡家元

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

輸電鐵塔作為高壓輸電線路的承重結構，是高壓輸電線路最重要的基礎設施之一，其安全可靠對電力系統(tǒng)安全至關重要[1]。輸電鐵塔的塔身、塔腳、接地系統(tǒng)等金屬部件均會發(fā)生腐蝕[2]，而塔腳腐蝕有環(huán)境復雜惡劣、腐蝕狀態(tài)隱蔽、防腐難度大、腐蝕危害性大等特點，是輸電鐵塔所有腐蝕問題中的重點和難點[3-4]。圖1 為浙江省寧波、 金華等地近期發(fā)現(xiàn)的幾種典型塔腳腐蝕形貌，圖1（a）顯示在與保護帽交界面處塔腳已接近銹斷，圖1（b）則表現(xiàn)為保護帽內塔腳腐蝕較保護帽外更為嚴重，保護帽內塔腳基材出現(xiàn)隱蔽性局部減薄，安全隱患十分突出。

圖1 塔腳部位典型腐蝕形貌

國內外對輸電鐵塔防腐工作十分重視，但主要針對于塔身等大氣裸露部位[5-7]，對保護帽包裹的塔腳腐蝕研究卻較少涉及。劉爽[8]等研究了一起500 kV 線路鐵塔塔腳與混凝土交界面處嚴重腐蝕減薄案例，分析認為周邊大氣中SO2濃度較高、且交界面長期處于潮濕狀態(tài)是導致塔腳快速腐蝕的原因。陳彤及莊建煌[3，9]等針對普遍存在的塔腳局部腐蝕現(xiàn)象，采用電化學方法分別模擬了塔腳上部、塔腳-混凝土界面、塔腳在混凝土中的腐蝕過程，認為塔腳-混凝土界面處易積灰保水的特殊結構是導致其局部腐蝕失效的主因。李新梅[10]等研究了塔腳修復用冷鍍鋅在酸性、中性及堿性條件下的電化學腐蝕行為，提出了應用要求；錢洲亥[11]等提出了一種應用于塔腳防腐的復層礦脂包覆防腐技術；高書田[12]等發(fā)明了一種用于高壓輸電鐵塔的防腐塔腳；Tiba[13]等開發(fā)了一種利用光伏供電的鐵塔基礎陰極保護方法。上述研究闡述了圖1（a）所示塔腳與混凝土交界面腐蝕機理，并提出了一些適用于銹蝕塔腳的防腐方案。然而，目前國內外對于圖1（b）所示的保護帽內塔腳隱蔽腐蝕這一現(xiàn)象，關于保護帽質量評估、塔腳腐蝕快速檢測、相關腐蝕機理等方面尚未見文獻報道。現(xiàn)階段僅采取對在役保護帽人工敲開抽檢，檢查后重新澆筑的方式，不僅費時費力，且存在大量資源浪費。

一般認為合格的混凝土澆筑后將會呈現(xiàn)強堿性，其內部鋼材將處于鈍化狀態(tài)而免遭腐蝕[14-15]。然而，一方面混凝土在大氣環(huán)境下會緩慢碳化[16]，其內部pH 值降低至11.5 以下后碳鋼將逐漸失去鈍化、發(fā)生腐蝕[15，17]；另一方面當混凝土品質不良時，因保護帽中存在的縫隙易于滯留水分及侵蝕介質，塔腳也將遭受腐蝕。因而，研究一種保護帽品質的快速評定方法，實現(xiàn)對新建及在役保護帽品質的快速檢測，判斷后續(xù)塔腳腐蝕風險；開發(fā)一種保護帽內鋼材腐蝕無損檢測技術，實現(xiàn)對于保護帽內塔腳金屬腐蝕的快速檢測，確定當前塔腳腐蝕現(xiàn)狀，將具有顯著的實用價值。

1 試驗內容

1.1 試驗內容及樣品

1.1.1 試驗內容

借鑒回彈法、超聲法等混凝土構件的品質評估技術[18]，研究簡便易行的鐵塔保護帽品質現(xiàn)場檢查評估方法，實現(xiàn)對混凝土保護帽強度、內部缺陷等的快速檢測。

基于線性極化法等鋼筋混凝土結構腐蝕測試技術[19]，研究混凝土保護帽內塔腳腐蝕快速測試方法，實現(xiàn)對保護帽內塔腳腐蝕速率等特征判定。

1.1.2 試驗樣品

制作塔腳混凝土結構件樣品（見圖2），通過調整混凝土強度、內部摻雜鹽類、泥土等條件（見表1），模擬保護帽的不同品質。所有結構件樣品在室溫箱做28 天養(yǎng)護之后開展各項測試工作，摻鹽試驗為混入占水泥相應質量分數(shù)的NaCl 鹽類，并攪拌均勻；摻土試驗為混入占水泥相應體積比的沙土，并適當攪拌，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，土樣將下沉至混凝土下部。

圖2 塔腳混凝土結構件試樣

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土強度評估

對于塔腳保護帽結構，回彈法及超聲法測試區(qū)域及測試點分布示意見圖3。

表1 混凝土結構件試制參數(shù)

圖3 混凝土強度測試區(qū)域示意

計算平均回彈值時，應從該測區(qū)16 個回彈值中各剔除3 個最大值和最小值，將余下的10 個回彈值求均值[18]。

超聲測點布置在回彈測試的同一測區(qū)內，測試的聲時值精確至0.1 μs，聲速值精確至0.01 km/h，在每個測區(qū)內的相對測試面上，各布置3 個測點，測區(qū)聲速應按式（1）計算：

式中：L 為混凝土結構件測試面厚度；tm為3 次測量聲時值的平均值。

本實驗粗骨料為碎石，超聲回彈綜合法測試混凝土強度的計算公式[18]見式（2）。

式中：f 為混凝土推算強度；V 為聲速平均值；R為回彈平均值。

1.2.2 塔腳腐蝕速率測試

基于線性極化法的基本原理，改進傳統(tǒng)的混凝土內部鋼筋腐蝕速率檢測方法，設計一套全新的適用于混凝土保護帽-鍍鋅鋼界面腐蝕速率的檢測方法[20]；改進了測試裝置中的輔助電極形狀，明確了待測鋼材的測試區(qū)域范圍，從而有效降低了測試誤差。該方法適合于檢測如圖4（b）所示部分混凝土包裹、部分裸露的鋼材。測試系統(tǒng)及檢測位置見圖4。

圖4 混凝土內金屬腐蝕速率檢測系統(tǒng)及測試區(qū)域

腐蝕電流Icorr由測試裝置直接測得，但要計算腐蝕電流密度icorr，需確定陽極面積值。根據(jù)有限元軟件對不同輔助電極寬度與電力線在陽極區(qū)（工作電極）上的影響深度進行模擬。模擬結果顯示：以取90%的電流百分數(shù)所在的陽極區(qū)域作為確定陽極影響深度的依據(jù)，當取輔助電極寬度為20 mm 和40 mm 時，陽極上影響深度分別為60 mm 和65 mm，且在該范圍內影響深度隨輔助電極的寬度增加而增大。所以采用插值法，根據(jù)輔助電極的寬度l 來確定陽極影響深度d，計算公式如式（3）所示：

陽極面積A 可由式（4）確定：

式中：C 為塔腳角鋼截面周長。

鍍鋅鋼的鋅層鈍化后會有保護作用，其腐蝕電流密度很??；當鍍鋅層消耗殆盡、基體鋼材腐蝕后，其腐蝕電流密度才會顯著增加。故而，以腐蝕電流密度為評價指標，可依據(jù)表2 中混凝土鋼筋的腐蝕劃分原則，對鐵塔混凝土保護帽內部鋼材的腐蝕狀態(tài)進行評估[21]。

表2 塔腳腐蝕狀態(tài)判斷

1.3 計算軟件的開發(fā)

為獲得準確的定量結果，混凝土強度評估及塔腳腐蝕速率檢測均涉及較為復雜的計算，難以滿足現(xiàn)場快速評估要求。鑒于此，開發(fā)了一套鐵塔保護帽檢測數(shù)據(jù)處理軟件，包含保護帽品質分析模塊、塔腳腐蝕評估模塊，僅需輸入現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)即可快速計算出評估結果。軟件模塊界面如圖5 所示。

2 結果與討論

2.1 保護帽品質檢查

利用超聲回彈綜合法對表1 中各混凝土構件進行強度評估，將測試結果以圖5（a）所示軟件計算，結果見表3。

如表3 所示，對于按不同強度澆筑的混凝土構件（編號1-3），超聲回彈法可較準確的評定其強度等級，這也證明了該方法在塔腳保護帽上的適用性。混凝土構件中加入鹽類后（編號4-5），對其強度影響不大；但摻入土樣等雜質后（編號6-8），混凝土強度迅速降低。

進行超聲測試時發(fā)現(xiàn)，對于摻有土樣的混凝土構件，當測試點遠離土層、接近或處于土層周圍時，其超聲測試值有明顯差異，結果見表4。

如表4 所示，當塔腳混凝土保護帽內摻有土層時，跨土層的聲速值為2～3 km/s；當不跨土層沿混凝土表面進行測量時，其聲速值均略大于4 km/s。可見，當保護帽存在內部摻土重大缺陷時，超聲測試可以便捷地判斷混凝土品質。

2.2 塔腳腐蝕速率測試

采用發(fā)明的保護帽塔腳腐蝕速率測試法對表1 中各混凝土構件中塔腳腐蝕速率進行測試，將測試結果以圖5（b）所示軟件計算，結果見表5。

圖5 保護帽品質及塔腳腐蝕檢測數(shù)據(jù)處理軟件模塊

表3 各混凝土結構件強度評估結果

如表5 所示，對于按不同品質制作的塔腳保護帽，本文所述的改進測試方法可較準確區(qū)分其腐蝕速率，這也證明了該方法對塔腳保護帽體系的適用性。 對于C20 以上強度的混凝土保護帽（編號1-3），內部塔腳腐蝕速率在短期內無明顯差異。加入了鹽類后（編號4-5），塔腳腐蝕速率明顯增大，說明侵蝕性鹽類可加快混凝土中金屬腐蝕。對于摻入土樣的保護帽（編號6-8），內部塔腳腐蝕速率最大，這與現(xiàn)場大量發(fā)現(xiàn)的表面以混凝土包裹、內部以泥土填充的保護帽中塔腳嚴重銹蝕現(xiàn)象相符。

表4 摻土結構件超聲測試結果km/s

2.3 現(xiàn)場測試結果

對某110 kV 輸電鐵塔的塔腳保護帽進行腐蝕評估，分別采用回彈超聲綜合法、改進線性極化法測試混凝土強度及保護帽內塔腳腐蝕速率，測試過程如圖6 所示。測試結果見表6 及圖7。

圖6 混凝土強度及塔腳腐蝕速率現(xiàn)場測試

如表6 所示，對于該基鐵塔的混凝土保護帽進行多點測試，發(fā)現(xiàn)該保護帽混凝土強度在7.9～10.2 MPa，低于鐵塔混凝土強度不低于15 MPa（強度C15）的一般要求[22]，可認定該保護帽品質不佳，其內部易形成腐蝕環(huán)境。造成保護帽品質不達標的原因主要有：保護帽服役后混凝土碳化而強度降低、保護帽內混有泥土等雜質而導致強度不達標。

表5 混凝土結構件內塔腳腐蝕速率

表6 混凝土強度現(xiàn)場測試結果

圖7 保護帽內塔腳極化曲線

通過解析極化曲線，測試得到的腐蝕電流為2.77×10-4A。利用公式（4）估算得到塔腳陽極面積為227.2 mm2，可計算得到塔腳腐蝕電流密度為0.12 μA/cm2，屬于“輕度腐蝕”等級。

對該基鐵塔保護帽進行敲開檢查，保護帽內部結構及塔腳腐蝕情況如圖8 所示。 由圖8 可見，保護帽內部存在沙土填充現(xiàn)象，并非全為混凝土材質，這也解釋了該保護帽強度測試結果不達標現(xiàn)象。同時，內部塔腳已出現(xiàn)銹蝕，但還未嚴重，也與塔腳腐蝕速率測試結果相符。檢測結果證明了本文所用檢測方法的準確性。

圖8 保護帽內部結構及塔腳腐蝕情況

3 保護帽內塔腳腐蝕機理

輸電鐵塔鋼材普遍采用鍍鋅層防腐，以延長鐵塔鋼材的大氣環(huán)境使用壽命[23]。鋅是兩性金屬，其電位-pH 圖如圖9（a）所示，當環(huán)境pH 值在6～13 時，鋅層表面可形成ZnO 保護膜。相似地，鐵的電位-pH 圖如圖9（b）所示，鋼材基體在強堿性環(huán)境中處于惰性狀態(tài)。當保護帽品質合格時，混凝土呈現(xiàn)強堿性[17]，其內部鍍鋅鋼材處于被保護狀態(tài)，腐蝕速率很低，表5 中1-3 號樣品的試驗結果也驗證了這一結論。

圖9 鍍鋅鋼塔腳的電化學性質

當保護帽由于長期服役風化、用材不合格等原因而品質不佳時，其內部容易出現(xiàn)縫隙等缺陷而滯留水分。這不僅將降低混凝土介質堿性，同時引入了雨水中和Cl-等侵蝕性介質，此時鋅材及鋼材表面保護性薄膜會被破壞[9]。塔腳鍍鋅鋼材的腐蝕包括鍍鋅層腐蝕、鋼材基體腐蝕等過程，以受到侵蝕作用為例，2 種材質的腐蝕反應包括：

鋅腐蝕主要反應為：

當鋅層被腐蝕破壞后，碳鋼基材腐蝕主要反應為：

由于劣化保護帽的保水作用，塔腳部位的鍍鋅鋼材將長期處于含有侵蝕離子的含水環(huán)境中，而鍍鋅層并不適合對水溶液中鋼材的防護。 因而，劣化保護帽內塔腳腐蝕進程將比曝露在大氣環(huán)境中的塔身部分更為嚴重[24]。這也解釋了現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的保護帽內塔腳腐蝕較外部更為嚴重的現(xiàn)象。提高保護帽強度及質量、對保護帽內塔腳部位涂刷防腐涂料等加強防腐，將是防治塔腳腐蝕、確保鐵塔塔腳服役安全性的關鍵措施。

4 結論

本文開發(fā)了一種混凝土品質檢測方法及塔腳腐蝕速率測試方法，并開發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件；通過對混凝土結構件樣品及現(xiàn)場塔腳保護帽的測試驗證，得到結論及建議如下：

（1）對于按不同強度澆筑的混凝土構件，超聲回彈法可較準確地評定其強度等級；混凝土構件中加入鹽類后，對其強度影響不大，但摻入土樣等雜質后，其強度迅速降低。該方法可準確判斷混凝土保護帽的品質，可用于新建及在役保護帽的質量監(jiān)督；當保護帽存在摻土等嚴重內部缺陷時，也可單獨采用超聲法對其進行快速判斷。

（2）改進線性極化法檢測發(fā)現(xiàn)，強度在C20以上的混凝土保護帽內部塔腳腐蝕不明顯；而添加侵蝕性鹽類、摻入土樣的保護帽，其內部塔腳腐蝕速率明顯增加。該方法可準確測試保護帽內塔腳腐蝕速率，用于塔腳隱蔽腐蝕的快速判斷，可服務于在役塔腳防腐監(jiān)督；實現(xiàn)以無損檢測方式減少保護帽破壞性抽檢工作，達到節(jié)約人力物力的目的。

（3）劣化保護帽容易出現(xiàn)縫隙而滯留水分，將降低混凝土介質堿性，同時引入了雨水中和Cl-等侵蝕性介質，是導致其內部塔腳隱蔽腐蝕的主要原因。由于劣化保護帽的保水作用，塔腳鍍鋅鋼材將長期處于有侵蝕離子的含水環(huán)境中，其內部塔腳腐蝕進程將比曝露在大氣環(huán)境中的塔身部分更為嚴重。提高保護帽強度及質量、對保護帽內塔腳部位加強防腐將是防治塔腳隱蔽腐蝕的關鍵措施。