广东安恒铁塔钢构有限公司 广东佛山 528000
摘要：金属构件镀锌能够有效提高构件的防护性和装饰性，镀锌金属构件在电网的各类设备中具有大量的应用。本文以电网设备的镀锌技术构件腐蚀失效实例展开探讨，分析了腐蚀的原因，并提出了相关的解决措施，以期能为有关需要提供参考。
关键词：镀锌金属构件；腐蚀原因；分析；解决措施
引言
随着我国社会经济的快速发展，我国电力行业得到了迅猛的发展，各种电网设备的建设也日益增加。而在电网设备中，镀锌金属构件是重要的部件组成部分，其腐蚀失效会严重影响到电网运行的安全和输电的质量。基于此，笔者结合实例，对镀锌金属构件的腐蚀原因及解决措施展开了探讨。
1.镀锌钢铁部件腐蚀失效案例分析
1.1 220kV输电铁塔塔材腐蚀失效分析
巡检发现某220kVⅠ回线路的第21号输电铁塔（以下简称Ⅰ-21铁塔）及某220kVⅢ回线路的第21号输电铁塔（以下简称Ⅲ-21铁塔）的塔脚部位浸泡于腐蚀介质中，塔腿和混凝土基础保护帽损伤严重。输电铁塔均采用热镀锌进行防腐。该线路位于重化工工业园区，紧邻高污染排放的重化工企业，附近土壤、水源及空气长年污染严重。
1.1.1宏观检查
经宏观检查，Ⅰ-21铁塔腐蚀损伤的可见部位主要为基础保护帽及其上方600mm范围内的塔材。4只塔脚的混凝土保护帽均有不同程度的开裂、酥化和局部脱落现象，损伤严重。保护帽上方600mm的塔脚钢板、塔腿角钢主材、斜拉材、连接螺栓和接地线均被腐蚀损伤，腐蚀以麻点状尖锐凹坑形式扩展至相互串连，形成大面积的腐蚀减薄。Ⅲ-21铁塔的腐蚀损伤可见部位主要为基础保护帽及其上方约300mm范围内的塔材。基础保护帽上方300mm范围内的塔脚钢板、塔腿角钢主材、斜拉材、连接螺栓和接地线均被严重腐蚀损伤，塔脚钢板和塔腿角钢主材已严重腐蚀减薄，斜拉材已腐蚀至局部缺失，接地扁铁已腐蚀至断裂。斜拉材局部发生严重变形，说明铁塔已存在一定程度地倾斜。
为了评估铁塔钢材腐蚀损伤程度，使用绝对原点数显游标卡尺对各腐蚀铁塔相关规格塔材的尺寸进行测量，结果见表1所示。
表1 Ⅰ-21、Ⅲ-21铁塔塔材腐蚀前、后尺寸对比
1.1.2镀锌层检测与分析
为了评估腐蚀铁塔塔材的镀锌层质量，使用MiniTest740涂层测厚仪（探头FN1.5）对腐蚀最为严重的Ⅲ-21铁塔相关规格塔材的表层镀锌层厚度进行测量，结果如表2所示。可以看出，塔材主材的镀锌层最小厚度满足要求，但厚度不均匀；斜拉材的镀锌层最小厚度低于标准要求且厚度不均匀；塔脚钢板由于腐蚀损伤严重，其表面镀锌层已全部脱落，无法进行镀锌层测量。
表2 Ⅲ-21铁塔各规格塔材镀锌层厚度测量结果
1.1.3腐蚀介质分析
利用能谱分析技术（EDS）和扫描电子显微镜（SEM）对取自Ⅰ-21铁塔和Ⅲ-21铁塔基础部位的土壤介质进行分析，土壤SEM形貌如图1所示，土壤各元素质量分数见表3。由表3可知，Ⅰ-21铁塔和Ⅲ-21铁塔基础部位的土壤介质中S质量分数高达8%~11%，并含有其他质量分数较高的Pb（铅）、Pd（钯）、Ge（锗）、K（钾）等重金属元素。
aⅠ-21铁塔基础部位土壤
bⅢ-21铁塔基础部位土壤
图1 Ⅰ-21和Ⅲ-21铁塔基础部位土壤SEM形貌
自腐蚀损伤铁塔塔脚取样的污水分析结果如表4所示。可以看出，塔脚污水的酸性很强（pH值为2），硫酸盐质量浓度较高。
表3 Ⅰ-21和Ⅲ-21铁塔基础部位土壤各元素质量分数
1.2 220kV变电站隔离开关及断路器接线板连接螺栓腐蚀失效分析
某电业局在220kV变电站巡检过程中，发现站内多个电气设备的连接螺栓出现锈蚀现象，其中2016隔离开关及201断路器接线板连接螺栓锈蚀情况尤为严重。1.2.1宏观检查对腐蚀的2016隔离开关及201断路器接线板连接螺栓进行宏观形貌检查，大部分螺栓表面镀锌层已完全脱落并发生锈蚀，锈蚀部位呈红褐色，此外螺栓外表面局部区域存在白色粉末状腐蚀产物，个别螺栓螺杆直径已经明显变小。
1.2.2镀锌层检测与分析
为了评估接线板连接螺栓的镀锌层质量，使用MiniTest740涂层测厚仪（探头FN1.5）对部分镀锌层保存较为完好的2016隔离开关及201断路器接线板连接螺栓的镀锌层厚度进行测量，检测结果见表5。结果表明，连接螺栓的镀锌层平均厚度均在10~20μm，局部区域的最小镀锌层厚度仅为3.6μm，远低于标准要求的45μm。
1.2.3腐蚀产物分析
为了分析连接螺栓上白色腐蚀产物的成分及其成因，利用SEM及EDS对2016隔离开关连接螺栓表层的白色腐蚀产物进行分析。如图2所示，白色腐蚀产物呈颗粒状分散在螺栓基底上。经能谱分析，白色腐蚀产物中铝元素原子分数百分比为41.78%，氧元素原子分数百分比为58.22%。由此可见，白色腐蚀产物为铝的氧化物，应为铝合金接线板腐蚀所致。
图2 白色腐蚀产物SEM形貌
2.镀锌金属构件腐蚀原因分析及解决措施
2.1高硫气氛下镀锌钢塔材腐蚀
2.1.1原因分析
Ⅰ-21和Ⅲ-21铁塔立于重化工工业园区，经以上分析可知，铁塔周边土壤及大气中S元素质量分数较高。SO2的溶解过程会产生H+，H+作为去极化剂参与阴极反应，从而加快镀锌层的腐蚀速度。同时，在大气腐蚀环境中，镀锌层腐蚀会产生碱式碳酸锌致密薄膜，可阻止水分渗入，从而减缓后续腐蚀的发生。然而在S质量分数较高的环境中，碱式碳酸锌薄膜会与SO2反应生成ZnSO4，不同于难溶于水的碱式碳酸锌，ZnSO4是可溶性盐，可被雨水冲走，导致锌层暴露，加快镀锌层腐蚀速度。当镀锌层全部被腐蚀破坏，塔材开始腐蚀，在高硫气氛下，钢制塔材很快就会腐蚀失效。
2.1.2解决措施
热镀锌适用于一般大气环境下的防腐，但在高硫的土壤污水环境下，热镀锌层已经不能起到有效的防腐作用。在含硫气氛中，镀锌层的腐蚀速度可达一般大气环境下的6~7倍。为了解决Ⅰ-21铁塔和Ⅲ-21铁塔腐蚀失效问题，建议将原Ⅰ-21号铁塔和Ⅲ-21号铁塔迁址至S质量分数低的地区，并对新的热镀锌铁塔涂刷涂料进行防腐，体系宜采用30μm环氧磷酸锌底漆+80μm环氧云铁中间漆+50μm丙烯酸聚氨脂面漆。热浸镀铝具有更好的抗硫化物腐蚀的能力，若无法迁址，建议将原铁塔更换为热浸镀铝铁塔，镀铝层厚度不低于86μm，并对新塔涂刷涂料进行防腐。
2.2接线板连接螺栓腐蚀
2.2.1原因分析
在铝制接线板使用过程中，雨水和雪水渗入螺栓与接线板之间的缝隙中形成电解液环境，由于铝制接线板与螺栓镀锌层异种金属接触，形成腐蚀电偶，发生电偶腐蚀。异种金属发生电偶腐蚀时，两种金属构成宏电池，产生电偶电流，腐蚀电位较低的金属（阳极）溶解速度加快，电位较高的金属（阴极）溶解速度减慢。有研究表明，在盐水和雪水环境下，Zn、Al、Fe的腐蚀电位依次增大。在接线板连接螺栓服役初始时，螺栓镀锌层完好，锌层作为阳极，对铝接线板和螺栓本体能够起到保护作用。但由于螺栓镀锌层厚度（3~20μm）远低于标准要求（45μm），镀锌层就会因腐蚀而失去保护作用，裸露的钢制螺栓本体与铝制接线板直接接触，铝制接线板成为阳极对螺栓提供保护，加快了铝制接线板的腐蚀速度，从而在螺栓表面形成大量银白色的氧化铝产物。在异种金属接触条件下，螺栓的镀锌层腐蚀失效不仅会导致螺栓腐蚀，还会由于原电池作用加速铝制接线板的腐蚀，这与文献[7-8]中钢芯铝绞线的腐蚀机理和结论相一致。
2.2.2防范措施
（1）防止腐蚀介质渗入。涂抹防腐蚀油脂可以有效防止雨水、雪水的渗入，可延长连接螺栓与接线板的使用寿命，因此可以在钢芯铝绞线中涂抹防腐油脂，以防由于钢芯镀锌层失效造成的铝绞线腐蚀。
（2）提高镀锌层厚度及附着量。锌作为阳极可有效保护铝接线板和钢制螺栓，在镀锌层完好的情况下，锌层可以先于铝制接线板及钢制螺栓腐蚀，镀锌层的厚度和附着量与其寿命成正比。经研究，镀锌层在重工业地区腐蚀率约为6.4μm/a，20μm以下的镀锌层仅能有效防护3~4a。一般来说，电网设备中的镀锌金属构件要求热镀锌，相对于冷镀锌，热镀锌可以形成更厚的镀锌层，从而能够在更长的时间内对金属构件起到防腐作用。而接线板连接螺栓均采用冷镀锌技术进行防腐，且厚度小于20μm，其镀锌层很快就会腐蚀消耗，起不到应有的防腐蚀作用。因此，在安装前应对电网设备的接线板连接螺栓镀锌层质量与厚度进行检测和控制，延长其防护时间，提高其服役寿命。
3.结论
综上所述，镀锌金属构件的防护性能优劣与其镀锌层的质量和厚度息息相关，因此，在电网设备安装过程中，必须要检测镀锌构件镀锌层的质量和厚度，确保镀锌构件的腐蚀防护性能符合要求。同时，镀锌层在S质量分数较高的腐蚀介质中腐蚀速度快，需要对该环境下的镀锌金属构件进行定期检查和维护。
参考文献：
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[3]胡俊鹏，李辛庚，岳增武，王晓明，王学刚，樊志彬，闫风洁.输变电钢构件热镀锌防腐蚀效果调查分析[J].腐蚀科学与防护技术，2014，26（06）：567-570.
论文作者:刘志全
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2018/12/26
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