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        基于劑量-響應(yīng)函數(shù)的電網(wǎng)金屬材料大氣腐蝕分布圖繪制方法

        2022-07-21 07:51:04李光茂莫文雄朱晨王勇周鴻鈴杜鋼
        環(huán)境技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:大氣

        李光茂,莫文雄,朱晨,王勇,周鴻鈴,杜鋼

        (廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局,廣州 510410)

        引言

        電網(wǎng)設(shè)備分布范圍廣,服役環(huán)境條件惡劣,在戶外溫度、濕度、降雨等氣象條件以及鹽霧、二氧化硫、氮氧化物等化學(xué)活性物質(zhì)的共同作用下,電網(wǎng)設(shè)備金屬材料非常容易發(fā)生腐蝕,進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備故障,影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。我國電網(wǎng)設(shè)施覆蓋區(qū)域廣闊,所處的自然環(huán)境條件復(fù)雜,不同地區(qū)的大氣腐蝕性不同,進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備的腐蝕程度和服役壽命相差很大。目前不同地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備的選型選材和防腐設(shè)計(jì)缺乏有效的腐蝕速率數(shù)據(jù)支撐,部分地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命,后期運(yùn)維成本高。

        為指導(dǎo)不同地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備防腐設(shè)計(jì),部分學(xué)者開展了金屬腐蝕分布圖繪制方法的研究,文獻(xiàn)[1]分析了氣象要素和大氣污染物對輸變電設(shè)備腐蝕的影響過程;文獻(xiàn)[2]基于金屬掛片暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)(采樣點(diǎn)密度1 000 km2/個(gè)),采用克里金法進(jìn)行插值,并疊加腐蝕源對金屬腐蝕的影響,繪制浙江省大氣腐蝕等級分布圖;文獻(xiàn)[3]基于南方五省246 個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)的大氣環(huán)境數(shù)據(jù),構(gòu)建劑量-響應(yīng)函數(shù)得到相應(yīng)的腐蝕速率,對腐蝕速率采用克里金法進(jìn)行空間插值后,計(jì)及工業(yè)污染源和海洋對大氣腐蝕的影響,繪制了南方五省的大氣腐蝕等級分布圖,最后基于樣片現(xiàn)場暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)對腐蝕等級進(jìn)行校驗(yàn)。然而,當(dāng)前的腐蝕分布圖繪制方法仍存在一些不足:①以金屬暴曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為分布圖繪制的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而金屬樣片暴曬試驗(yàn)耗時(shí)長(一年以上),掛樣點(diǎn)密度有限,直接影響腐蝕分布圖的精度;②未考慮風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ωg介質(zhì)擴(kuò)散過程的影響,工業(yè)污染源附近及沿海地區(qū)的金屬腐蝕速率可能與實(shí)際情況有較大差異。

        因此,本文提出一種基于劑量-響應(yīng)函數(shù)的電網(wǎng)金屬材料大氣腐蝕分布圖繪制方法。首先,獲取繪圖區(qū)域內(nèi)的高精度網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù),繪制多類型氣象要素分布圖;構(gòu)建腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散模型,繪制腐蝕介質(zhì)分布圖;然后,根據(jù)繪制區(qū)域的實(shí)際情況,選取合適的金屬腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù),根據(jù)網(wǎng)格的氣象數(shù)據(jù)和腐蝕介質(zhì)數(shù)據(jù),得到網(wǎng)格的腐蝕速率數(shù)據(jù);最后,根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19292.1-2018[4]進(jìn)行腐蝕等級劃分,繪制腐蝕等級分布圖。該方法繪制得到的分布圖精度高,能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際復(fù)雜環(huán)境條件對金屬腐蝕速率的影響,能夠?yàn)殡娋W(wǎng)設(shè)備防腐設(shè)計(jì)和運(yùn)維提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)支撐。

        1 氣象環(huán)境數(shù)據(jù)

        金屬材料的大氣腐蝕是一種薄液膜下的電化學(xué)腐蝕,薄液膜的形成與大氣環(huán)境下的濕度、降雨、溫度、腐蝕介質(zhì)等關(guān)系密切。大氣腐蝕的發(fā)生起始于金屬表面生成電解質(zhì)液膜,進(jìn)而在液膜/金屬界面發(fā)生電化學(xué)腐蝕,金屬表面水蒸汽的凝聚、液膜中腐蝕氣體和鹽類的溶解度、液膜的電阻等都受到環(huán)境溫度及相對濕度等的影響。

        氣象環(huán)境因素是影響金屬腐蝕速率的基本要素,氣象要素的精度直接影響腐蝕分布圖的精度。為提升氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和分辨率,通過專業(yè)的氣象數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)獲取高精度的氣象要素網(wǎng)格化數(shù)據(jù),網(wǎng)格分辨率可達(dá)到5 km(部分?jǐn)?shù)據(jù)可達(dá)1 km),時(shí)間間隔可達(dá)到小時(shí)級。

        基于獲取到的氣象要素網(wǎng)格化數(shù)據(jù),按照不同網(wǎng)格的數(shù)據(jù)大小采用不同的顏色進(jìn)行渲染,并對網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理,剔除網(wǎng)格的棱角,形成溫度、相對濕度、降雨、風(fēng)速等氣象要素分布圖。

        2 腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散模型

        大氣環(huán)境中的鹽霧粒子、SO2、NO2、NH3等腐蝕介質(zhì)通過溶解于金屬表面的薄液膜內(nèi),改變電解質(zhì)液膜的性狀進(jìn)而影響金屬腐蝕速率。鹽霧粒子主要產(chǎn)生于海洋活動(dòng),并在海風(fēng)的作用下從海岸線向內(nèi)陸遷移并沉降到電網(wǎng)設(shè)備表面。SO2、氮氧化物等腐蝕性氣體主要產(chǎn)生于火電廠、石化廠、造紙廠、養(yǎng)殖場、汽車尾氣等工業(yè)污染源,并在風(fēng)力的作用下由污染源向主要風(fēng)向進(jìn)行擴(kuò)散。對于與腐蝕介質(zhì)發(fā)生源相同距離的不同位置,可能由于盛行風(fēng)向和風(fēng)速的不同,腐蝕介質(zhì)濃度差別很大,進(jìn)而導(dǎo)致金屬腐蝕速率相差很大。因此有必要掌握腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散狀態(tài)以提升腐蝕分布圖的準(zhǔn)確性。

        采用高斯煙羽模型來模擬腐蝕介質(zhì)的傳輸、擴(kuò)散和稀釋過程,即腐蝕介質(zhì)濃度遵循正態(tài)分布[5,6]。在下風(fēng)向上,基于高斯煙羽擴(kuò)散模型的污染源在任意一點(diǎn)的腐蝕介質(zhì)濃度計(jì)算公式如下:

        式中:

        c—腐蝕介質(zhì)濃度,單位為mg/m3;

        x 軸正向風(fēng)速方向;

        y 軸在水平面垂直于x 軸,正向在x 軸左側(cè);

        z 軸垂直于xoy 水平面,向上為正向;

        Q—污染源處腐蝕介質(zhì)濃度,單位為mg/m3;

        v—風(fēng)速,單位為m/s;

        H—污染源的有效高度。

        σy和σz—y 軸方向和z 軸方向的擴(kuò)散系數(shù),其計(jì)算公式如式(2)所示。

        式中:

        γ1、α1、γ2和α2—不同大氣穩(wěn)定度及下風(fēng)距離的有關(guān)系數(shù)。

        通過火電廠、石化廠等工業(yè)污染源的地理坐標(biāo)及污染源處氣體排放數(shù)據(jù),結(jié)合污染源所在網(wǎng)格的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù),得到污染源所在網(wǎng)格及其鄰近網(wǎng)格的腐蝕介質(zhì)濃度,進(jìn)而繪制腐蝕介質(zhì)濃度分布圖。

        3 金屬腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù)

        金屬大氣腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù)是指金屬材料的大氣腐蝕速率與環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系模型。劑量-響應(yīng)函數(shù)可以通過不同地區(qū)的大氣腐蝕因子數(shù)據(jù)(包括時(shí)間、溫濕度、Cl-沉降量、SO2濃度等)來計(jì)算金屬的大氣腐蝕速率。由于金屬大氣腐蝕具有較強(qiáng)的地區(qū)性特征,不同區(qū)域的氣象環(huán)境和腐蝕介質(zhì)類型不同,而劑量-響應(yīng)函數(shù)作為經(jīng)驗(yàn)公式,不同地區(qū)適用的劑量-響應(yīng)函數(shù)也存在較大差異。因此,在繪制金屬腐蝕分布圖時(shí),應(yīng)根據(jù)繪制區(qū)域的環(huán)境特征選取合適的函數(shù)模型并根據(jù)該地區(qū)的金屬暴曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理調(diào)整模型參數(shù)。

        以碳鋼材料為例,對于存在Cl-和SO2的大氣環(huán)境,可參照GB/T 19292.1-2018 推薦的劑量-響應(yīng)函數(shù)來計(jì)算碳鋼的大氣腐蝕速率,如式(3)所示:

        式中:r

        corr—碳鋼材料的大氣腐蝕速率,單位為μm/a;

        T—大氣溫度,單位為℃;

        RH—相對濕度,單位為%;

        Pd—SO2沉積率,單位為mg/(cm2·d);

        Sd—Cl-沉積率,單位為mg/(cm2·d);

        fSt—碳鋼相關(guān)系數(shù),如式(4)所示。

        將所有網(wǎng)格的氣象數(shù)據(jù)以及腐蝕介質(zhì)數(shù)據(jù)分布代入金屬腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù)中,即可得到各網(wǎng)格的金屬材料大氣腐蝕速率。

        4 金屬腐蝕分布圖繪制

        金屬腐蝕分布圖的繪制流程如圖1 所示。首先從氣象部門獲取繪制區(qū)域內(nèi)大氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨等氣象環(huán)境的高精度網(wǎng)格化數(shù)據(jù),繪制氣象要素分布圖;然后獲取鹽霧、SO2、氮氧化物等腐蝕介質(zhì)發(fā)生源的經(jīng)緯度及濃度數(shù)據(jù),根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向及高斯煙羽模型計(jì)算腐蝕介質(zhì)在鄰近網(wǎng)格的分布情況,繪制腐蝕介質(zhì)濃度分布圖;根據(jù)繪制區(qū)域的環(huán)境條件,選取合適的金屬腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù),代入氣象數(shù)據(jù)和腐蝕介質(zhì)數(shù)據(jù),得到各個(gè)網(wǎng)格的金屬腐蝕速率;根據(jù)金屬掛樣暴曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正掛樣點(diǎn)所在網(wǎng)格及鄰近網(wǎng)格的金屬腐蝕速率;最后參照GB/T 19292.1-2018 進(jìn)行金屬腐蝕等級劃分,按照網(wǎng)格的金屬腐蝕等級采用不同的顏色進(jìn)行渲染,并對網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理,剔除網(wǎng)格的棱角,繪制得到金屬腐蝕等級分布圖。

        圖1 金屬大氣腐蝕分布圖繪制流程

        5 結(jié)語

        為有效提升金屬腐蝕分布圖的精度和準(zhǔn)確性,本文提出一種基于劑量-響應(yīng)函數(shù)的電網(wǎng)設(shè)備金屬材料大氣腐蝕分布圖繪制方法,采用高精度的網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù),并考慮腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散過程繪制腐蝕介質(zhì)分布圖,進(jìn)而依據(jù)劑量-響應(yīng)函數(shù)計(jì)算金屬腐蝕速率,通過金屬腐蝕實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行局部修正,得到金屬腐蝕分布圖。所提的繪制方法相比于傳統(tǒng)的空間插值法,繪制得到的分布圖精度更高,對海岸線及工業(yè)污染源附近的腐蝕分布情況預(yù)測更準(zhǔn)確,更符合實(shí)際情況,能夠?yàn)殡娋W(wǎng)設(shè)備的防腐設(shè)計(jì)、選型選材和運(yùn)行維護(hù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

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