架空輸電線路金具腐蝕分析及防護對策

2013-08-09 09:52:36陳軍君胡加瑞謝億胡波濤

電力建設 2013年8期

陳軍君，胡加瑞，謝億，胡波濤

(湖南省電力公司科學研究院，長沙市 410007)

0 引言

輸電線路中，金具起著連接和固定裸導線、導體及絕緣子，傳遞機械載荷、電氣負荷的重要作用。金具的腐蝕失效，將造成連接線路斷開或掉落，引起停電跳閘的重大事故。由于金具檢修需高空停電作業，極不方便，需有效防腐，預防事故發生。

目前，鋼質金具普遍采用熱浸鍍鋅層防腐，這種防腐方式在一般地區可滿足防腐要求，而在工業污染地區常優先腐蝕［1］，達不到預期使用壽命。人們對金具腐蝕因素的認識尚未統一［2］，為深入研究腐蝕機理，本文針對廣西某500kV輸電線路金具腐蝕案例，對腐蝕金具開展力學試驗、物相分析、顯微分析和電化學測試，結合以湖南省為代表的內陸工業區金具多年腐蝕情況，評定腐蝕失效形式，分析腐蝕原因，總結典型工業區金具腐蝕規律并提出針對性的防腐對策，為金具的運行維護提供依據。

1 腐蝕失效情況

1.1 失效樣品

取樣線路位于廣西某工業區，投運8年，設計污穢等級為中污區二級，腐蝕金具1.5 km范圍內有氮肥廠1座，3.5 km范圍內有大型冶煉廠鋅礦、鉛礦各1座，小型冶煉廠數座。取回了6種成套金具樣品，包括U型螺栓(UJ－2280型)、U型掛環(U－12型)、聯板(L－1240型)、直角掛板(ZS－7型)、平行掛板(P－7型)、懸垂線夾(XGU－2F型)。

1.2 宏觀檢查

檢查樣品發現直角掛板、平行掛板和聯板腐蝕最嚴重，表面完全覆蓋紅銹;U型螺栓、懸垂線夾次之，局部邊角覆蓋紅銹;U型掛環腐蝕最輕，但外部鍍鋅層已發黑。紅色銹層較疏松，表面粗糙不平，有微小蝕坑或顆粒。

將以上金具腐蝕最嚴重的部位去除表面浮銹后，測量尺寸并與新金具對比，發現懸垂線夾掛架處局部腐蝕厚度最大，達到20.87%;其次為直角掛板和平行掛板，超過17%。可見懸垂線夾由于形狀最復雜，邊角縫隙較多，雖然整體腐蝕不嚴重，但局部腐蝕嚴重。金具的基本尺寸小于或等于50 mm時，其極限尺寸偏差為+1.0 mm［3］，上述多數腐蝕金具尺寸已不符合要求，截面積減小，承載能力降低。

1.3 力學性能

為便于夾具夾持，選取腐蝕最嚴重的直角掛板、平行掛板和腐蝕較輕的U型掛環，置于電子萬能試驗機上進行力學試驗。U－12掛環理論負荷為120 kN，試驗負荷加載至120 kN，保載60 s后將試驗壓力增至144 kN仍未斷裂，力學性能合格。P－7平行掛板理論負荷為70 kN，加載至70 kN，保載60 s后將試驗壓力增至84 kN未斷裂，力學性能合格。ZS－7直角掛板理論負荷為70 kN，但在加載至62.8 kN時產品破壞，斷口平齊為脆性斷裂，可見整體腐蝕較嚴重的直角掛板力學性能已不合格。

實踐中，金具的腐蝕失效有3種形式:(1)尺寸減薄引起的承載能力下降;(2)材料抗拉強度降低引起承載能力下降;(3)材質變脆，導致彎曲破壞負荷降低以及斷裂突然發生。三者均會給金具運行帶來安全隱患，當表面出現紅銹且局部尺寸減薄逾10%時，即有較大概率不滿足設計載荷，此時應加強巡視并進行腐蝕評估。

2 腐蝕產物分析

2.1 X衍射分析

為分析腐蝕產物物相，從金具銹蝕部位刮取粉末試樣，用D/max 2500 VB型X射線衍射儀測試，結果見圖1。

圖1中上方曲線為腐蝕產物X衍射結果，中間曲線為FeOOH標準物質X衍射特征圖譜，下方曲線為Fe3(SO4)2(OH)2·3H2O標準物質X衍射特征圖譜。可見表面的腐蝕產物主要為FeOOH以及含鐵的硫酸鹽化合物。FeOOH為前期腐蝕產物，包括 γ-FeOOH(橙色)及 α-FeOOH(黃色)，進一步反應將在銹層內部形成更穩定的Fe3O4(黑色)。多種物相的鐵腐蝕產物組合，使工業區的金具銹蝕宏觀上多呈現紅褐色。含鐵硫酸鹽的存在表明硫參與了腐蝕反應。

圖1 金具腐蝕產物X衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction(XRD)graph of fitting corrosion products

2.2 電子顯微分析

從整體腐蝕最嚴重的直角掛板上用線切割機截取1 cm×1 cm的方形試塊，置于Sirion200場發射掃描電鏡上對表面和截面進行電子顯微分析，結果見圖2。

圖2 直角掛板腐蝕樣品掃描電鏡和能譜分析Fig.2 Scanning electron microscope(SEM)and energy dispersive spectroscopy(EDS)micrograph of corrosion samples of rectangular hanging plate

銹層表面有大量顆粒狀腐蝕產物，并且存在裂紋和孔洞。截面上淺色鐵基體和深灰色氧化區域有明顯結合面，基體較致密，氧化區域較疏松，提供了腐蝕性物質進入通道。分別對表面、截面基體和氧化區域進行 EDS分析，測得基體主要元素含量為鐵98.95%，并有少量錳1.07%，符合設計16Mn材質。氧化區域中氧含量擴大到6.40%(原子比18.91%)，表明發生腐蝕，且原表面熱鍍鋅保護層僅有13.03%的鋅殘留，鍍鋅層已基本失效。

從截面EDS線掃描進一步看出，由基體到表層，鐵含量明顯降低，氧含量大幅增加，硫含量也顯著增加。硫來源于工業污染大氣，促進了金具的腐蝕。

3 腐蝕速度分析

由腐蝕產物分析可知，受工業污染的大氣中，硫對加快金具腐蝕起到了關鍵作用。為模擬金具在實際大氣環境中的腐蝕情況，配制模擬酸雨溶液，因廣西、湖南地區酸雨分布在4.0～5.0，取平均值4.5，對應0.025%NaHSO3溶液。用硫酸微調至pH4.5。選取便于制作方形工作電極的聯板試樣，包括出現紅銹腐蝕聯板、舊鍍鋅層發黑聯板、鍍鋅層完好備品聯板、新鍍鋅試樣、未鍍鋅試樣，線切割為1 cm×1 cm方塊，編號1～5，封裝制成工作電極，參比電極為飽和甘汞，輔助電極為鉑片，在德國產IM6eX電化學工作站上測試動電位極化曲線，電位范圍－0.6～－1.9 V，掃描速率0.5 mV/min，結果見圖3。圖中i為電流密度;ESCE為掃描電位。

由極化曲線推算各樣品自腐蝕電位Ecorr和自腐蝕電流密度Icorr如表1所示。Ecorr由小到大依次為5、1、2、3、4 號試樣，且 Ecorr的絕對值越大，金屬表面活性越強，越容易發生腐蝕。因此，金具腐蝕傾向由大到小依次為無鍍鋅層樣、聯板腐蝕樣、舊鍍鋅層發黑樣、聯板備品樣、剛鍍鋅樣，未鍍鋅試樣和腐蝕紅銹試樣由于表面腐蝕電位最低，較易發生腐蝕，同時4號樣品自腐蝕電位－1.374 V，說明在含硫酸雨中金具有完好鍍鋅層時仍有較強腐蝕傾向。

Icorr反映了腐蝕速度，可見沒有鍍鋅保護的5號試樣腐蝕速度比鍍鋅保護試樣高出2個數量級，腐蝕速度極快;已產生紅銹的1號試樣鍍鋅層已大部分消耗，但由于鐵的腐蝕產物在內層具有一定鈍化作用，腐蝕速度相對降低;而鍍鋅層較完好的2、3號樣腐蝕速度約為紅銹試樣的2倍，表明鍍鋅層在含硫酸雨中仍有較快的腐蝕消耗速度。

表1 各樣品自腐蝕電位和自腐蝕電流密度Tab.1 Free corrosion potentials and current density of samples

圖3 聯板腐蝕樣品極化曲線Fig.3 Polarization curves of corrosion samples of plate fittings

4 腐蝕原因分析

4.1 工業大氣中硫元素的影響

金具的腐蝕本質上為電化學腐蝕，表面熱鍍鋅的電位較鐵低，可先于鐵腐蝕起到陰極保護作用。當雨水或潮氣吸附于鋅表面形成薄液膜時，即構成了電解液環境，發生微觀腐蝕電池反應。

陽極發生鋅的溶解反應，一般發生在鋅的表面缺陷處，腐蝕結果表現為肉眼可見的小孔;陰極發生氧的去極化反應，發生在小孔周圍。反應結果:

Zn2++OH－→Zn(OH)2→ZnO·H2O

如果大氣沒有被污染、酸性介質濃度很低，一般pH 值＞5.2 時［4］，腐蝕產生氫氧化鋅 Zn(OH)2、氧化鋅ZnO、碳酸鋅ZnCO3等化合物，進一步形成堿式碳酸鋅Zn2(OH)2CO3的致密薄膜，厚度可達8 um以上，這些產物以沉淀形式析出且均難溶于水，因此阻止水分滲入減緩了后續腐蝕發生，相當于可自我修復的保護膜。

但有硫存在時，SO2的溶解及氧化過程產生了H+，導致Zn表面薄層液膜的酸化。一方面H+作為去極化劑參與陰極反應，加快了陽極鋅的溶解。另一方面，在酸性環境中，原本較致密的堿式碳酸鋅保護膜Zn2(OH)2CO3也與硫反應生成ZnSO4。

由于ZnSO4是可溶性鹽，容易被雨水沖走，從而使鋅不斷暴露并腐蝕，極大地加劇了鍍鋅層的消耗速度。當鍍鋅層消耗完時，鐵失去陰極保護很快就產生嚴重紅銹。

從腐蝕線路附近看，污染源有硫氧化物，靠近氮肥廠也有氮氧化物，但腐蝕產物分析主要檢測出硫，可見硫為工業大氣中促進金具腐蝕的最關鍵因素。從2000—2009年湖南14個地區酸雨數據看，株洲市SO2年均值最高［5］，為 0.101 mg/m3，其他地區均低于0.082 mg/m3，NO2含量長沙、湘潭、衡陽均高于株洲，Cl－等其他陰陽離子相當［6］，實際金具腐蝕情況也以株洲最嚴重，驗證了該點。

金具普遍采用的熱浸鍍鋅層，在多數大氣環境下有較高的穩定性(包括海邊大氣)，但當含硫氣氛存在時，腐蝕速度可達一般大氣的6～7倍，這時應尋求更耐硫腐蝕的其他合金鍍層防腐。相對的，鍍鋁層耐硫腐蝕但密度輕不耐磨，可考慮用鋅鋁合金鍍層綜合二者優點。目前國外較成熟的熱鍍鋅鋁合金(Galfan)和鋁鋅合金(Galvalume)，抗硫化腐蝕較強，約為熱鍍鋅的2～4倍［4］，可用于工業區金具防腐。

4.2 金具自身特點對腐蝕的影響

金具本身獨有的一些特點，使其正常情況下腐蝕速度也快于鐵塔和導線。首先，金具的結構形式較為復雜，其單位質量的比表面積較大，存在較多邊角和孔隙結構，容易發生縫隙腐蝕和接觸腐蝕兩種局部腐蝕形態，從邊角縫隙處引發腐蝕。其次，金具一般承受較大拉應力，拉線金具承受的拉力約為104～105N量級［7］。在拉應力作用下，金屬將比靜止狀態更容易腐蝕，因為應力增大了鍍鋅層表面的破壞程度，使表面產生的裂紋擴展且增多，表面破壞程度變大，腐蝕介質更容易進入鍍鋅層;同時應力集中產生了駐留滑移帶，位錯密度高，原子具有較高的活性，易成為陽極優先腐蝕。電化學測試表明，應力增大，輸電線路腐蝕電流密度增大，最高時為無應力作用下的7倍［8］。再次，金具運行中的摩擦碰撞促進了腐蝕。金具連接輸電線路時并未完全固定，存在微量活動空間。當冰、風等附加載荷引起輸電線路風偏、振動時，將帶動金具之間相互接觸部位的輕微摩擦和碰撞，在腐蝕環境下引起微動腐蝕。表面鍍鋅層由于雨水對基體的腐蝕效應導致磨損速度加快，同時磨損產生的缺陷也使得腐蝕速度加快，腐蝕和磨損形成正交互協同作用［9］，極大地增加了接觸構件間的機械和化學損傷，加劇了腐蝕速度。

運行經驗表明輸電線路中金具一般較早腐蝕，但在鄉村大氣環境中，熱鍍鋅保護的金具仍可維持20年以上使用壽命，在工業區不能滿足要求，則可采取加強防護措施，特別為阻止微動腐蝕，可在鍍鋅表面涂覆一道柔性耐磨涂層，顯著提高防腐壽命和抗微動腐蝕特性。金具運行中較難維護，因此需在安裝之前涂覆。

4.3 鍍鋅層質量對腐蝕的影響

金具鍍鋅層的質量也是腐蝕的重要影響因素。為考察鍍鋅質量，用Elcometer 456型磁性覆層測厚儀對擬用來更換的備用金具鍍鋅層厚度進行檢測，結果見表2。

金具鋼件厚度超過6 mm時，標準推薦的鍍鋅層平均厚度不低于85 μm［10］。由表2可知，直角掛板和聯板鍍鋅層厚度偏低，與實踐中這2種金具經常全面腐蝕覆蓋紅銹的情況相符。

表2 備用金具鍍鋅層厚度測量結果Tab.2 Thickness measurement results of zinc coatings on reserve fittings μm

因此，金具安裝前應加強對鍍鋅質量的檢測和控制，在確保尺寸精度的前提下，應盡量增加鍍鋅厚度。按重工業污染區鍍鋅層腐蝕速度6.4 μm/a計算［4］，30年以上使用壽命，鍍鋅層厚度應增加到192 μm以上。鍍鋅層太厚會降低附著力，經驗表明鋅層300 μm以下時附著力仍較好，因此鍍鋅厚度宜控制在192～300 μm，鍍鋅越厚則工藝難度和造價越高。工程實踐表明，鍍鋅厚度提高至192 μm時，以鍍鋅廠家現有的生產工藝條件可較易達到，成本增加幅度尚可接受，已在湖南部分輸電線路部件上進行了應用。

目前，金具標準平均鍍鋅厚度為85 μm，按上述腐蝕速度6.4 μm/a計算，在重工業區可維持13年，與湖南株洲工業區等重腐蝕地點的實際運行數據基本吻合。因此加強防護采用192～300 μm的鍍鋅厚度具有較高可信度。