舟山启明电力设计院有限公司 浙江 舟山 316021
摘要：近年来，变电站建设规模越来越多，取得了很大发展。经过对变电站建设中抗震、环保及节能等研究发现，钢结构开始成为新兴的建筑材料，符合变电站发展要求。但是与发达国家相比，我国钢结构建筑市场依然处于地下水平，必须认真借鉴并学习发达国家的经验。
关键词：变电站；钢结构防腐蚀设计；应用
引言
钢结构是一种质轻高强、抗震性好、节能环保，并能够循环利用的建筑结构。伴随着国家经济的蓬勃发展、钢材产量的巨大提升和国家电网关于变电站建设实行模块化设计、标准化生产、装配式施工的生产理念，钢结构在变电站建设中广泛应用于户外构支架和生产用房。但钢材耐腐蚀性差，极易锈蚀，严重危及结构的安全运行，甚至引起灾难性事故。据相关统计，我国每年由于钢结构腐蚀造成的金属结构、设备和材料损失量大约是当年钢产量的10%~20%，造成的经济损失约占国民生产总值的2%~4%。因此，进行钢结构的腐蚀机理和防护措施研究具有重要的意义。
1钢结构的优势
1.1材质均匀，可靠性高
钢材组织均匀，接近于各项同性匀质体，是理想的弹塑性材料，目前在钢结构设计中采用的计算理论能够较好地反映出实际的工作性能，故可靠性较高。
1.2轻质高强
钢结构与钢筋混凝土材料相比，具有承载能力高、自重轻、且弹性模量高的特点。相关数据显示，钢结构材料强度重量比较混凝土结构材料高出4倍以上，充分展现出其轻质高强的特点。
1.3塑性和韧性好
钢材良好的塑性，使结构在一般条件下不会因超载而发生突然断裂。在破坏之前变形增大，有明显的征兆，有利于局部的应力重分布。钢材良好的韧性，使结构在冲击荷载或者动力荷载下保持良好的稳定性。国内外历次地震中，钢结构是公认的抗震设防区域特别是强震区最合适的结构。
2钢结构腐蚀原理
钢的锈蚀需要4个条件，即阴极、阳极、金属接触与氧气和电解质，这是一个完整的电化学的发生过程，当以上4个条件满足同时存在的条件时，钢就会出现锈蚀现象。这是因为在钢铁的阳极部分，铁通过释放电子从而形成Fe2+；在它的阴极部分，由于水中所溶解的氧气对阳极产生的氢氧根OH-离子进行了吸收，使得电子从阳极向阴极不断流动，从而形成了腐蚀电流，因此，就会在钢结构的表面区域生成氢氧化铁的薄膜。具体的化学方程式如下所示：
2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2
氢氧化铁Fe(OH)2再同水和氧气进行结合形成锈蚀，过程如下：
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3
以上就是钢结构出现锈蚀的化学原理。
3防腐要求及措施
3.1防腐要求
（1）持久性。变电站长时间处于带电工作状态，钢结构出现问题时，无法使变电站长时间停止运行来进行维修，所以需要考虑到钢结构防腐的持久性。
（2）适应性。变电站广泛分布于各地，环境条件各不相同，制定防腐蚀方案时必须充分考虑各种环境条件，具有良好的适应性。
3.2防腐蚀措施
3.2.1重防腐涂装
重防腐油漆对钢结构能够进行10年~15年的保护，从而节省了电力设施的检修费用，但是，在进行重防腐涂料的涂装工作时，需要对钢板的表面情况、周围的大气环境、钢板温度等客观环境因素进行注意，在雨雪等湿度高于85%的气候条件下，不能进行重防腐涂装的施工作业。此外，在进行涂装作业前，需对钢板的表面温度进行温度计测量，同时，在施工操作时需要将喷头与钢板表面尽量近距离进行施工作业，避免干喷现象的出现。
3.2.2热镀锌与冷喷锌
首先，我们需要对热镀锌与冷喷锌这两种钢结构的防腐方法进行比较。热镀锌主要是利用金属高温熔化和雾化后在钢结构构件表面所形成的金属表层来发挥防腐效用的。在实际的施工作业中，通常是将钢结构构件浸入金属锌的热熔溶液中，使得钢结构表层被金属锌牢牢覆盖，以此达到最终的防腐目的；冷喷锌则是运用涂装的手段使得钢构件表层形成金属锌的保护盾牌，充分发挥牺牲阳极以保护阴极的化学原理来对钢结构进行有效保护，在经过锌盾的常温喷涂作业后，钢结构表面锌镀层中锌的含量高于96%；其次，从施工作业难度来讲，冷喷锌的方法较之热镀锌更为简单；最后，从经济方面来讲，冷喷锌更为节能环保，且成本较低。
4钢结构防腐蚀设计
4.1环境分类
环境是钢结构腐蚀的第一影响要素，决定了涂装方案的选择、涂层厚度、日后维修和投资费用等。变电站所处环境各不相同，特别是沿海地区大气中盐分含量高，腐蚀性强；城市和工业区空气中硫的含量高，溶于水后变成强腐蚀介质，这些环境条件下钢结构极易锈蚀。根据《建筑钢结构防腐蚀技术规程》规定，我国的大气环境气体类型分为A~D四类，腐蚀性等级分为Ⅰ~Ⅵ类，防腐设计时应根据大气环境监测数据和空气相对湿度确定大气环境腐蚀性等级，采取合适的防护方案。在腐蚀等级为Ⅳ~Ⅵ类的环境中，钢结构防腐蚀宜采用金属热喷涂。表1为大气环境对建筑钢结构长期作用下的腐蚀性等级。
表1大气环境对建筑钢结构长期作用下的腐蚀性等级
4.2设计使用年限
设计使用年限分为3个标准：2~5年、5~10年、10~15年，应根据钢结构维修的难易程度及环境腐蚀性情况确定合理的设计使用年限和最小防护层厚度。表2为钢结构防腐蚀保护层最小厚度。
表2钢结构防腐蚀保护层最小厚度
4.3涂装要求
涂层的选择需要注意不同涂层对不同的腐蚀条件有不同的耐受性、不同涂料之间存在相容性问题和涂层施工相关要求。
4.4结构构造要求
合理的构造措施可以更好地保证结构的安全性。结构构造除应满足截面尺寸和壁厚方面相关要求外，还应注意以下几点：
（1）不同金属材料接触的部位，宜采取隔离措施。
（2）焊条、螺栓、垫圈、节点板等连接构件的耐腐蚀性能，不应低于主体材料。
（3）构件连接处的缝隙，应嵌刮耐腐蚀密封胶。
（4）钢柱柱脚应置于混凝土基础之上。
5应用研究
通过对钢结构腐蚀的分析研究，下文将结合一个实际工程进行防腐设计应用研究。本工程采用全户内方案，全站电气设备布置在钢结构配电楼内。为做好本工程钢结构防腐设计、减少后期维护并提高结构安全性，在工程附件设立大气腐蚀监测试验站并进行现场调研。通过表3可知，大气中Cl-、NO3-和SO42-的浓度很高。Cl-浓度高主要是由于工程距海岸线较近，盐密度较高所致；NO3-和SO42-浓度高主要是石化基地的工业大气所致。根据规程规定，本工程大气环境气体类型为D型，腐蚀类型为Ⅵ级强腐蚀。
表3大气腐蚀监测试验数据
经相关分析，本工程设备支架采用热镀锌防腐、配电楼钢结构采用金属热喷涂防腐。金属热喷涂方案为喷砂除锈达到Sa2.5级标准，180微米锌铝合金+20微米环氧密封底涂料，40微米环氧云铁中间漆涂料一遍，100微米氟碳面层涂料两遍，涂层总厚度340微米，涂层使用年限可以达到20~30年，满足变电站防腐长效性要求。这套涂层体系包括可提供阴极保护的锌铝合金底漆，可提供隔绝保护的环氧云铁中间漆和超强耐候、耐磨和耐腐蚀性的氟碳面层涂料。
结语
随着钢结构在变电站中的广泛应用，其防腐蚀设计尤为重要。环境是钢结构腐蚀的第一影响要素，制定防护措施时一定要根据实际环境情况制定有效的防护措施，可以节约大量的维护经费并显著提高钢结构的安全性与使用寿命。
参考文献
[1]廖威.某钢厂结构防腐技术研究与管理[硕士学位论文][D].湖南：湖南大学，2010.
[2]张相勇.建筑钢结构设计方法与实例解析[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[3]建筑钢结构防腐蚀技术规程（JGJ/T251-2011).北京：中国建筑工业出版社，2011.
论文作者:林燕红
论文发表刊物:《中国电业》2019年第06期
论文发表时间:2019/7/15
标签：钢结构论文; 变电站论文; 防腐蚀论文; 环境论文; 锈蚀论文; 腐蚀性论文; 作业论文; 《中国电业》2019年第06期论文;