樊平成，李 軍，李 龍，陳 浩

(1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.巴彥淖爾電業(yè)局，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 引 言

金屬材料廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)輸電、變電、配電過程中。如果電網(wǎng)設(shè)備在工業(yè)污染嚴(yán)重以及潮濕的環(huán)境中運行，金屬部件的腐蝕速率將明顯加快。一旦這些金屬部件發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，電網(wǎng)設(shè)備將無法正常工作，進而導(dǎo)致大規(guī)模停電，存在著重大安全隱患[1]。因此，金屬部件的腐蝕防護對于確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行有著極其重要的意義。

近年來，學(xué)者們對電網(wǎng)設(shè)備中金屬部件的腐蝕和防護進行了大量的研究,并在該領(lǐng)域取得了巨大的成就。郝文魁等[2]研究了沿海工業(yè)環(huán)境中變電站電流互感器用鋁合金接線板的腐蝕行為和機理，并得出結(jié)論，大氣中的氯離子和硫化物是導(dǎo)致線路板晶間腐蝕的主要因素。譚曉蒙等[3]研究了典型工業(yè)區(qū)域鍍鋅鋼鐵部件的腐蝕規(guī)律，并認(rèn)為硫是金屬部件腐蝕的關(guān)鍵因素。陳國宏等[4]研究了高壓輸電耐張線夾的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)耐張線夾的腐蝕速率受腐蝕液的pH值及溫度等因素影響。陳彤等[5]總結(jié)了輸電網(wǎng)中鍍鋅金屬部件銹蝕的原因和相關(guān)的防護方法，并提出了通過采用合理的涂層和電化學(xué)方法可以提高其防腐性能。

針對典型的電網(wǎng)設(shè)備金屬部件(如電氣設(shè)備的接地扁鋼，混凝土電桿的拉線棒，懸瓶的球頭掛環(huán)等)，通過不同的物理和化學(xué)測試方法對其進行了深入的研究分析。同時，系統(tǒng)地研究了這些金屬部件的典型腐蝕機理和腐蝕行為，并提出了相應(yīng)的防護措施，為電網(wǎng)設(shè)備的安全運行和維護提供了技術(shù)支持。

1 接地連接件

1.1 腐蝕機理

接地電網(wǎng)金屬部件的正常使用是電網(wǎng)、電氣設(shè)備安全運行的重要保障，變電站的接地電極通常由鍍鋅扁鋼制成。接地扁鋼由于長期埋設(shè)于土壤中，腐蝕不可避免[6]，從本質(zhì)上講，土壤腐蝕可被視為電化學(xué)腐蝕。由于土壤顆粒組成的固體骨架中充滿空氣、水和不同的鹽類以及土壤多相性、不均勻性，金屬材料通過土壤介質(zhì)進行離子交換形成宏觀腐蝕電池，不同部位間產(chǎn)生電位差。此外,金屬材料由于自身組織的不均勻性，會與接觸的土壤介質(zhì)形成腐蝕微電池。

1.2 腐蝕失效案例

在對220 kV變電站進行巡檢時，發(fā)現(xiàn)某220 kV設(shè)備區(qū)水平接地扁鋼由于腐蝕而嚴(yán)重生銹，其宏觀形貌、SEM形貌和能譜分析如圖1所示?？梢郧宄乜吹?，接地扁鋼表面鍍鋅層已完全脫落并發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，部分區(qū)域腐蝕產(chǎn)物已脫落，未見明顯機械損傷及塑性變形。腐蝕產(chǎn)物呈層片狀分布在接地扁鋼表面且腐蝕產(chǎn)物表面存在大小不一的顆粒并伴有少量腐蝕孔洞，表層腐蝕產(chǎn)物呈黃褐色，內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物呈紅褐色。接地扁鋼腐蝕產(chǎn)物的主要成分為Fe、O、S、Cl，應(yīng)為鐵的氧化物、硫酸亞鐵和氯化鐵；其中的Si主要以氧化硅的形式存在，應(yīng)為砂石吸附在接地扁鋼表面所致。

圖1 接地扁鋼宏觀形貌、SEM形貌和能譜分析圖

該220 kV變電站位于化工園區(qū)內(nèi)，含有二氧化硫、硫化氫、氯化氫等腐蝕性介質(zhì)的煙塵因工業(yè)生產(chǎn)不斷被排放至大氣中，導(dǎo)致變電站周圍土壤中的硫酸根離子和氯離子含量較高，硫酸根離子和氯離子對土壤腐蝕有促進作用，其含量越高，腐蝕性越強。這是因為一方面氯離子因半徑較小，對鈍化膜穿透力極強且容易被金屬表面吸附，對鈍化膜的破壞作用極大[7]；另一方面，如果生成的二價鐵離子不能及時擴散到土壤中而積累于陽極表面，陽極反應(yīng)就會因此受阻。氯離子與二價鐵離子反應(yīng)生成氯化亞鐵，游離態(tài)的氯離子會反復(fù)作用生成新的二價鐵離子，并能透過金屬腐蝕層和碳鋼生成可溶性產(chǎn)物，加快陽極的金屬腐蝕過程，這些因素對接地扁鋼的土壤腐蝕具有促進作用。

1.3 預(yù)防措施

1)在熱鍍鋅接地扁鋼投入使用前加強對鍍鋅層質(zhì)量的檢測和控制，并在確保尺寸精度的前提下，盡可能增加鍍鋅層的厚度。對電網(wǎng)設(shè)備中已投入使用的熱鍍鋅接地扁鋼的鍍鋅層質(zhì)量進行全面測試，對存在問題的熱鍍鋅接地扁鋼及時更換。

2)增加扁鋼的截面積或引入銅和銅包鋼代替碳鋼作為接地材料可有效提高耐蝕性并延長接地網(wǎng)的使用壽命。為有效降低接地電阻，防止接地扁鋼腐蝕，在接地網(wǎng)改造時使用高效膨潤土防腐降阻劑以降低接地電阻和提高防腐蝕性能。

2 拉線棒

2.1 腐蝕機理

電網(wǎng)設(shè)備中的金屬部件諸如鐵塔斜拉桿、混凝土電桿拉線棒等，由于埋入地下的部分較深，通常易發(fā)生氧濃差腐蝕。這是因為在不同深度的土壤中，其孔隙度和濕度均存在明顯差異。從地表滲入土壤顆?？p隙間的氧氣，在表層干燥的沙土中，氧氣更容易滲透，所以氧氣濃度較高；而隨著土壤深度的增加，在潮濕而致密的黏土中，氧氣滲透困難，氧氣濃度明顯降低。因此，由于氧濃度的巨大差異，埋在土壤中的金屬部件在氧濃差電池的作用下被腐蝕。

2.2 失效案例分析

在某輸電線路中，由于氧濃差電池腐蝕，用于混凝土電桿的拉線棒斷裂，其宏觀形貌、微觀金相和能譜分析如圖2所示。

圖2 拉線棒的宏觀形貌、微觀金相和能譜分析圖

拉線棒發(fā)生斷裂且腐蝕嚴(yán)重，但沒有明顯的拉長變形，除斷裂處外，拉線棒埋設(shè)于土壤中的部分均存在不同程度的腐蝕損傷。同時，被腐蝕的拉線棒表面鍍鋅層已全部缺失，有許多腐蝕坑，棕色腐蝕產(chǎn)物主要含有鐵和氧，沒有其他元素，應(yīng)為氧化鐵。這是由于拉線棒埋設(shè)于土壤中的部分產(chǎn)生氧濃差電池腐蝕，與氧濃度高的土壤接觸的部分稱為宏觀腐蝕電池的陰極區(qū)，而與氧濃度低的深層土壤接觸的部分稱為腐蝕的陽極區(qū)，因此受到嚴(yán)重的氧濃差腐蝕。這也是拉線棒埋設(shè)越深腐蝕越嚴(yán)重的原因。

2.3 防護措施

1)采用PVC管將拉線嵌套其中，PVC管內(nèi)灌注混凝土，然后用玻璃纖維布封固PVC管并涂刷環(huán)氧樹脂，使拉線與空氣、土壤中的腐蝕性物質(zhì)隔離，能有效起到防腐作用。

2)因拉線棒埋設(shè)地下而具有一定的隱蔽性，因此采用常規(guī)手段確定其腐蝕情況十分困難。近年來導(dǎo)波檢測技術(shù)及電磁超聲檢測技術(shù)在接地網(wǎng)及地腳螺栓的腐蝕檢測方面取了較大的突破，因此可以引入這些新的無損檢測技術(shù)來代替開挖檢查，實現(xiàn)對拉線棒的檢測。

3 連接金具

3.1 腐蝕機理

連接金具作為電網(wǎng)金屬部件的一大類通常用在輸電線和鐵塔之間起到連接和固定的作用,主要包括聯(lián)板、絕緣子串的掛環(huán)(板)、U型螺絲、防振錘、支撐架和各種線夾等。連接金具長時間暴露在大氣環(huán)境中，其表面通常會形成一層極薄且不易發(fā)現(xiàn)的水膜。當(dāng)這層水膜達(dá)到20～30個分子厚度時，就會變成電化學(xué)腐蝕所需要的電解液膜。這種電解液膜常常是由于水分(雨、雪)的直接沉淀，或大氣的濕度、溫度變化以及其他種種原因引起的凝聚作用而形成。如果金屬表面只是處于純凈的水膜中，一般不足以造成強烈的電化學(xué)腐蝕。但在大氣環(huán)境下形成的水膜往往會受到周邊環(huán)境的影響，如工業(yè)園區(qū)、沿海地區(qū)等，從而含有水溶性的鹽類及溶解的腐蝕性氣體等。所以綜合考慮，影響大氣腐蝕速率的主要因素有相對濕度、溫度、大氣污染物濃度等。

3.2 失效案例分析

某110 kV變電站位于一個典型的工業(yè)園區(qū)內(nèi)，周圍有許多重工業(yè)企業(yè)，如煤礦、鋼鐵廠和化工廠。部分懸瓶的球頭掛環(huán)腐蝕嚴(yán)重(如圖3所示)，對球頭掛環(huán)的宏觀形貌、微觀金相、SEM形貌以及能譜進行分析發(fā)現(xiàn)：球頭掛環(huán)表面鍍鋅層已完全脫落并發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，銹層表面呈麻坑狀，腐蝕產(chǎn)物為紅褐色；表面存在大量腐蝕凹坑，腐蝕產(chǎn)物的主要成分為Fe、O、S，應(yīng)為鐵的氧化物及硫酸亞鐵；腐蝕產(chǎn)物中的Si和Ca主要以氧化硅及氧化鈣的形式存在，應(yīng)為砂石吸附在球頭掛環(huán)表面所致。

通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著來自工業(yè)生產(chǎn)的煙塵的不斷排放，造成空氣中二氧化硫等有害氣體含量處于較高水平。在二氧化硫的溶解和氧化過程中會釋放出氫離子，從而導(dǎo)致鍍鋅層表面的水膜酸化。這是因為：一方面，作為去極化劑，氫離子可以參與陰極反應(yīng)并加速鋅在陽極的溶解；另一方面，在酸性環(huán)境中，致密的堿式碳酸鋅保護膜可能與硫反應(yīng)形成硫酸鋅。反應(yīng)方程式如下：

Zn2(OH)2CO3+2SO2+O2→2ZnSO4+H2O+CO2↑

由于硫酸鋅良好的水溶性，極易被雨水沖走，從而導(dǎo)致熱浸鍍鋅層迅速耗盡。一旦鍍鋅層過早消耗殆盡，空氣中的二氧化硫就會吸附在金屬表面上，與鐵作用生成易溶的硫酸鐵，硫酸鐵遇水溶解后發(fā)生水解生成硫酸，生成的硫酸再與鐵作用生成硫酸鐵，球頭掛環(huán)按照這種循環(huán)的模式不斷發(fā)生腐蝕損傷，直至徹底失效。因此，在二氧化硫含量高的大氣環(huán)境中，熱浸鍍鋅層不能起到有效的防腐蝕作用[9]。

圖3 球頭掛環(huán)的宏觀形貌、微觀金相、SEM形貌和能譜分析圖

3.3 防護措施

1)應(yīng)對同批次在用連接金具進行排查，發(fā)現(xiàn)銹蝕損傷嚴(yán)重的應(yīng)及時更換；再者，應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范變電站內(nèi)連接金具的采購、入庫和使用的把關(guān)檢驗，避免材質(zhì)、鍍鋅層不合格的金具流入并使用到電氣設(shè)備上，以免再次發(fā)生類似銹蝕失效。

2)在典型的工業(yè)污染區(qū)，因鍍鋅層消耗較快，可以考慮使用抗硫化腐蝕能力更強的鋁鋅合金作為防腐涂層。此外，在電力建設(shè)設(shè)計階段，通過對不同服役區(qū)域腐蝕風(fēng)險的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用仿真建模的方法，進行腐蝕情況的預(yù)測，提前調(diào)整連接金具鍍鋅層的厚度，確保金屬部件在使用期間鍍鋅層起到有效的保護作用。

4 結(jié) 語

通過分析電網(wǎng)設(shè)備中金屬部件的腐蝕失效情況，研究了常見電網(wǎng)金屬部件(接地扁鋼、混凝土電桿拉線棒和球頭掛環(huán))的典型腐蝕機理和腐蝕行為，并詳細(xì)分析了其宏觀和微觀特性。對接地連接件、鐵塔、電桿的拉桿、拉線棒以及連接金具的典型腐蝕特征和腐蝕機理進行了總結(jié)，為保證電網(wǎng)的安全運行，避免電網(wǎng)、電力設(shè)備金屬部件發(fā)生類似的腐蝕情況，提出了有針對性的防護措施。