輸電桿塔鋼構件腐蝕防護技術現狀和發展趨勢

樊志彬，李辛庚

（山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

長期服役于自然環境中的輸電桿塔鋼構件的防腐蝕性能，是保證輸電線路安全可靠運行的關鍵要素之一［1］。在沿海和因重工業生產排放所帶來的環境污染并伴隨自然環境氣候的惡化而形成的重腐蝕環境中，使在役桿塔鋼構件等重要設備腐蝕速率日漸加快，傳統使用的熱鍍鋅、刷涂富鋅涂料等腐蝕防護技術性能已不能滿足使用要求，有效免維護周期明顯縮短，生產中用于防腐維護的成本大大增加。因此，開發新型耐腐蝕防護材料和維護技術，實現鋼構件長壽命、少維護或免維護的防腐效果，是保證輸電線路安全運行、建設“堅強智能電網”的需要。

1 輸電桿塔的腐蝕現狀

國內輸電鐵塔表面大多采用熱鍍鋅防護。鍍鋅層對于桿塔基體材料與腐蝕環境具有隔離作用和陰極保護作用：一方面鋅在大氣中的腐蝕速度大約是鋼鐵的1/15，能夠有效保證外部腐蝕介質不與鋼材基體直接接觸；另一方面以鋅犧牲陽極的形式防止構件基體材料腐蝕來保證桿塔的結構強度［2］。

日本熱鍍鋅協會在1964—1974年進行的熱鍍鋅大氣暴露試驗結果如表1所列［3］。

近年來的使用情況反映，鍍鋅層防腐蝕實際壽命遠遠小于表1中的數值，主要原因是與環境污染和全球氣候惡化有關。在干燥空氣中，鋅鍍層具有良好的保護性能，但在沿海等潮濕環境中，鋅表面會生成一層氫氧化鋅，在二氧化碳作用下生成堿式碳酸鋅。該腐蝕產物疏松、體積較大，防護作用顯著降低。鋅在工業污染嚴重地區，對二氧化硫、二氧化氮等的耐腐蝕性能較差，隨環境中二氧化硫或二氧化氮的含量增加，耐腐蝕性能下降。

湖南為大陸型中亞熱帶季風濕潤氣候，光、熱、雨水資源豐富且比較同步，存在株洲、湘潭等重工業污染區。2008年南方冰災中，湖南地區由于線路覆冰而大面積倒塔的出現，其主要原因就包含由于環境腐蝕導致的桿塔構件強度缺失。調查表明在沿海地區和重工業污染地區的輸電鐵塔投入運行3～4年便銹跡斑斑，再過經過1～2年便轉化為整體銹蝕。

表1 鍍鋅產品耐用年限的規定

福建地區處于亞熱帶，光照、雨水充足，既有重工業污染區，也有沿海氣候和國家酸雨控制區。三明局220 kV后富線為后山變至富興變聯絡線，發現1號至3號、5號至10號鐵塔主材、聯板受銹蝕層度較重，主要原因系后山出線段地處三明鋼鐵廠、化工廠及化學試劑廠（生產硫酸、鹽酸）周邊，受污染物，特別是酸霧的影響所致。處于海洋氣候的廈門局將鴻線7號、8號鐵塔腐蝕嚴重。漳州220 kV總南線與三明局220 kV增列線由于地處山區環境植物茂盛，環境十分潮濕，塔腳部位腐蝕嚴重。

山東屬暖溫帶季風濕潤半濕潤氣候類型，降水集中，雨熱同季，春秋短暫，冬夏較長。光照充足，常年降水比較豐富。在淄博地區調研時發現，500 kV淄濰線近4～5年出現多基塔塔腳腐蝕，使上底座和護板減薄至設計厚度的1/2，已經對桿塔的安全運行產生影響。經分析，土壤中SO42-和Cl-離子的含量偏高，塔腳腐蝕是表面硫腐蝕和因混凝土基礎虹吸潮濕而發生的界面濃差腐蝕共同作用的結果。

對500 kV川淄線調研中發現，部分鐵塔多處主材、聯板的鍍鋅層出現紅褐色銹斑，銹蝕較重。桿塔所處位置為農田，而附近日用陶瓷、建筑陶瓷生產廠家較多，燒結等工業廢氣排放較多，污染嚴重。

在海洋氣候中，由于較大的空氣濕度和鹽含量，熱鍍鋅層的腐蝕加劇，使用壽命縮短。煙臺地區龍湯一、二線，龍東線、龍沈線等近海岸電廠出線線路，常年受潮濕海風侵蝕，桿塔和導線腐蝕嚴重。在四面環海的廣東南澳縣，一條10 kV的配電線路，在1993—1997年間，由于嚴重的鹽霧腐蝕架空導線斷線15起。鍍鋅的桿塔鐵構件半年左右就開始生銹，一年就銹跡斑斑。

從調研的情況可以發現，目前的熱鍍鋅桿塔防腐和日常的富鋅涂料的維護難以滿足設計使用壽命的要求，需要發展新型防護技術防止桿塔的腐蝕，保證輸電線路的安全。

2 國內外桿塔防腐技術

2.1 熱鍍鋅技術的發展

自1983年起，奧地利電網在380 kV線路上開始試驗 “鍍鋅封閉”（DUPLEX-coating，鐵塔在工廠鍍鋅后立即進行涂料封閉涂裝）防護技術。結果顯示自投運到首次維護時間可長達40～50年之久，大大提高了鍍鋅鐵塔的抗蝕性，大幅度降低了運行維護成本，后被廣泛應用于新建線路。經統計，使用“鍍鋅封閉”增加的費用占整條線路費用的2.5%，但是從全壽命周期分析，顯著降低了成本［4］。荷蘭熱浸鋅研究所發表了類似的等加效應結果，即：無論熱浸鋅、電弧噴鋅，鋅層加重防腐涂料復合涂層壽命為兩者使用壽命之和的1.8～2.4倍。

為了提高熱鍍鋅涂層耐蝕性能，熱浸鍍鋅鋁涂層成為近幾十年的研究熱點。鋁由于擁有良好的鈍化性能，其耐蝕性能更優于鋅。但鈍化后的鋁對鋼鐵基體缺乏陰極保護作用，而鋅鋁涂層同時具備了鋅涂層和鋁涂層兩者的優點［5］。比較著名的商業涂層有 Galfan （Zn+5%Al）、Galvalume（Zn+55%Al+1.6%Si）和 SUPER ZINC（Zn+5%Al+0.1%Mg）。試驗表明鋅鋁涂層耐蝕性能遠好于純鋅浸鍍層，在海洋氣候及重工業污染區的防腐性能也很優異。

Galfan在工業污染和海洋環境中耐腐蝕性能為熱浸鍍鋅的 2～3 倍［6］，Galvalume 為熱浸鍍鋅耐蝕性能的 3～6倍［7］。1998年，新日鋼鐵株式會社研制的Zn-Al-Mg合金涂層ZAM，不僅具備Zn-Al涂層良好的耐蝕性能，而且由于鎂的加入改善了陰極保護功能［8］。研究顯示，在熱浸鍍液中加入微量的稀土元素，可以改善鍍液與鋼材的潤濕性能，增加流動性，得到均勻的涂層，并明顯提高鍍層耐蝕性能［9］。在熱鍍鋅過程中加入合金元素幾乎不提高生產成本，但是涂層使用壽命得到了顯著地提高，是一種比較理想的熱鍍鋅替代技術。但是，這些熱浸鍍鋅鋁技術在國內桿塔上還沒有推廣使用。

2.2 涂料

由于涂料成本低、施工工藝簡單，因此成為銹蝕鐵塔防護的主要手段［10］。普通涂料體系耐腐蝕性能差，防護時間只有2～3年，如醇酸紅丹涂料等。隨著輸電鐵塔防腐技術的發展，重防腐體系涂料逐漸應用于輸電鐵塔防護。重防腐涂料體系是指在惡劣腐蝕環境下具有長效防護作用的一類高性能涂料，常用的涂料包括聚氨酯涂料、環氧樹脂涂料、橡膠涂料、富鋅涂料等［11-12］，通常是由底漆、中間漆、面漆組成，漆膜厚度在200 μm以上，三者構成的涂層發揮總體效果，防護時間可達15年以上。

近10年來冷涂鋅涂料有了較大的發展，它是由溶劑、樹脂、助劑及由純度高于99.995%的鋅粉組成的新型防腐涂料，可在常溫下實現冷涂鋅，涂層鋅含量在96%以上［11］。國內外著名的冷涂鋅品牌有比利時的 Zinga、加拿大的 C.R.C.、美國LUST-OLEUM的2100系列、日本的ROVAL、深圳彩虹公司的7CF強力鋅等。冷涂鋅具備鍍鋅及普通涂料的雙重優點，提供陰極保護及屏障保護，防腐性能優異，可常溫刷涂，便于施工，得到“鍍鋅”效果，對鍍鋅可以進行修復。與其它防護涂層比較，其成本高是主要缺點。

冷涂鋅涂裝前對鋼結構表面處理及室外環境要求較熱噴涂處理低，可以在相對濕度85%以上的環境中施工，比利時Zinga甚至提出可以在潮濕表面涂裝。日本ROVAL冷涂鋅產品涂裝在清潔度為St2級的鋼材表面后，附著力達到了8.1 MPa。華東電網制訂的《華東電網500 kV輸電線路鐵塔冷涂鋅防銹工程技術和工藝規范》中規定冷涂鋅使用年限為8年。

冷涂鋅的防腐功效大抵與熱鍍鋅相當。桿塔在大規模使用時，熱鍍鋅成本低于冷涂鋅，但是在小件的涂裝上，冷涂鋅成本要低于熱鍍鋅，且施工方便。作為桿塔的防腐技術，冷涂鋅在重腐蝕環境中也難以滿足使用壽命的需求，但作為熱鍍鋅鐵塔修復和維護是很好的方法。

2.3 熱噴涂技術

熱噴涂技術已被公認是鋼鐵長效防腐中最具競爭力的方法之一。早在1952年，上海噴涂機械廠以安徽省作鋼鐵長效防腐示范。他們首次在國內采用熱噴涂鋅涂層的防腐方法，對淮南電廠至蚌埠45 km區域內的264座高壓輸電鐵塔的上半部進行保護，在1978年對鐵塔腐蝕狀況進行檢查，噴涂層狀態良好，無任何腐蝕跡象。

國內外眾多研究表明，熱噴涂鋅鋁涂層的防腐效果要優于純鋅或者純鋁涂層［12］。針對熱噴涂Zn-Al涂層的研究與開發，目前國內主要有偽合金涂層和合金涂層，其中合金涂層又分為粉芯絲材制備涂層以及合金絲材制備的涂層。在涂層成分上主要是通過改變Al的含量以及加入少量的Mg、Cu、稀土等金屬元素來提高涂層的耐腐蝕性能。

自1985年，日本JACC（Japan Association of Corrosion Control） 熱 噴 涂 委 員 會 的 S.Kuroda［13］等對Zn、Al及Zn-13Al熱噴涂涂層作了長期暴露試驗。結果表明，暴露10年和18年的熱噴涂Zn-13Al涂層的耐蝕性明顯優于熱噴涂Zn、Al涂層。國內學者采用粉芯絲材和高速電弧噴涂技術制備了Zn-26%Al涂層。通過電化學的方法測試涂層在NaCl5%溶液中的腐蝕行為，并與由實芯絲材純Zn、純Al及Zn-15%Al所制備的涂層作比較，探討Al含量的變化對涂層防腐蝕性能的影響。研究發現Zn-26%Al涂層在電解質溶液中表現出更優越的防腐性能。動電位極化測試結果說明Zn-Al涂層隨著Al含量的增加，其耐蝕性也提高［14］。

近幾年的研究表明，向Zn-Al合金中加入其它的適量元素（Mg和RE等）能顯著改善涂層的耐蝕性能。在多種合金元素的涂層制備中，粉芯絲材較易制備。劉燕等人［15］利用粉芯絲材制備出Zn-Al-Mg-RE涂層，試驗結果顯示涂層具備良好的耐蝕性能。腐蝕產物堆積成致密的鈍化膜，封閉了涂層上微孔［16］。

所謂自封閉，是指ZnAlMgRe高速電弧噴涂層在腐蝕過程中，隨著腐蝕反應的進行，生成了一系列Zn的堿式鹽類，Mg的氫氧化物及Mg與Al形成的尖品石氧化物的水合物等腐蝕產物，這些腐蝕產物不但能夠在涂層表面形成鈍化膜，還能夠有效地堵塞涂層中的孔隙，切斷腐蝕介質的快速通道，從而提高了涂層的耐蝕性。實驗室腐蝕實驗數據表明［17］：在海洋環境中，ZnAlMgRe 高速電弧噴涂層的抗腐蝕能力是Zn、Al電弧噴涂層的4倍以上，這主要和ZnAlMgRe涂層具有自封閉特性有直接關系。

山東電力科學研究院研制的系列ZnAlMgRE合金實芯電弧噴涂絲材，在鋼基體上制備出ZnAlM-gRE涂層。通過銅乙酸加速鹽霧試驗、電化試驗、浸泡試驗均表明其耐蝕性能遠好于熱浸鍍鋅和熱噴涂鋅涂層，防腐壽命為熱浸鍍鋅的1～8倍。全壽命周期性價比分析是熱鍍鋅的2.4倍以上。現已開始工程示范應用。

2.4 耐候鋼及鋁合金桿塔

耐候鋼，又稱為耐大氣腐蝕低合金鋼，是在鋼中加入少量的合金元素（銅、磷、鎳、鉻等），使其在大氣中比普通碳鋼耐蝕性優良的一種低合金鋼。合金元素可以在鋼表面形成致密和附著性能很好的保護膜，阻礙銹蝕向內部發展，它是介于不銹鋼和碳鋼間的價廉物美的低合金鋼。20世紀60年代，在美國耐候鋼用來替代鍍鋅鋼被應用于輸電桿塔，利用了其較高的強度以減小尺寸和結構重量。在1961年，沒有涂裝的耐候鋼應用在馬薩諸塞州的兩個輸電桿塔上，隨后大規模的運用于賓夕法尼亞州的輸電桿塔上［18］。但在潮濕的環境中運行幾年后其腐蝕速率與裸碳鋼基本相同。

1975年，考慮到污染物腐蝕帶來的鐵塔強度的降低，日本開始在輸電線路試驗運用耐候鋼無涂裝角鋼鐵塔，并在2000年試驗應用涂裝耐候鋼鋼管塔。結果顯示，在工業大氣、海洋大氣和酸雨環境中耐候鋼的耐蝕性能都要優于普通碳鋼，但在耐候鋼在接頭和基礎處的腐蝕較為明顯［18］。

鋁在大氣中可以快速生成一層致密的Al2O3膜，且在很寬的pH范圍內都可以保持穩定。因此，鋁在大氣中的耐蝕性能良好，一些國家采用鋁作為輸電桿塔材料。

英國的試驗結果顯示［19］，在污染大氣中的鋁桿塔腐蝕速率為2.6μm/a，在沿海地區為7.3μm/a。設計壽命為85年的桿塔，若使用普通碳鋼作為基材，在無污染的環境中每隔15年就必須涂刷一次，在污染和海洋環境中間隔分別為12年和9年。而以鋁作為基材的桿塔在85年壽命內都不需要維護。鋁和碳鋼桿塔在全壽命周期內評估對環境造成影響相近，但鋁材可以更多地回收利用。

2.5 復合材料桿塔

隨著復合材料技術和制造工藝的發展，纖維增強復合材料FRP作為一種質輕高強、耐腐蝕、絕緣性好的材料，制備復合材料桿塔已成為可能。日本早在20世紀60年代就開始了就開展了玻璃纖維增強塑料（即玻璃鋼，FRP）用于輸電線路橫擔的研究，并很好的解決了風偏所引起的閃絡事故。

在美國和加拿大復合材料的桿塔發展已經很成熟，已經有多家公司投入了實際生產和應用。據Ebert公司2006年的一份報告，截止2006年2月，Ebert公司的全復合材料桿塔在腐蝕嚴重的海岸地區運行良好，在10年內不生銹、無腐蝕、未損壞［20］。我國復合材料的桿塔的研究與應用還處于起步階段。2007年，國網武漢高壓研究院研制成功了10 kV線路防雷擊及污閃的絕緣塔頭和橫擔。國家電網公司2009年開始從絕緣特性、抗冰敷特性、抗腐蝕性能三個方面研究復合材料在輸電桿塔上的應用研究。部分試點工程已上線運行，運行狀況良好。

3 結語

面對重工業大氣污染和海洋重腐蝕氣候，熱鍍鋅防護技術已不能滿足使用壽命的要求，迫切需要發展新的防腐技術。與熱浸鍍純鋅涂層相比，熱浸鍍鋅鋁合金涂層和熱噴涂鋅鋁合金涂層都有著更好的耐蝕性能，且降低全壽命周期成本。但是熱浸鍍技術對環境污染嚴重，且其耐蝕性能也劣于熱噴涂涂層。因此，熱噴涂鋅鋁合金涂層是在重工業污染和海洋氣候地區取代熱浸鍍鋅最簡單，也是最有效的手段之一。

［1］宋煥東.淺議高壓輸電線路的防腐措施［J］.民營科技，2010（1）：28-30.

［2］李金桂，趙閨彥.腐蝕和腐蝕控制手冊［M］.北京：國防工業出版社，1988.

［3］盧錦堂，孔綱，陳錦虹，等.熱浸鍍鋅性能及質量要求［J］.材料保護，2000，33（3）：21-23.

［4］ Lugschitz H，Ernst A，Gros T.Corrosion protection of steel towers and camouflage of lines using the DUPLEX-system ［J］.e&i Elektrotechnik und Informationstechnik.2004，121（12）：452-454.

［5］ Edavan RP，Kopinski R.Corrosion resistance of painted zinc alloy coated steels［J］.Corrosion Science.2009，51（10）：2429-2442.

［6］ Y.Uchima MH，H.Koga.Effect of Structure and Mischmetal Addition on the Corrosion Behavior of Zn5 mass%Al Alloy［J］.The Iron and Steel Institute of Japan（Tokyo，Japan）.1989：545.

［7］ Humayun A.The basics of 55%Al– Zn coated sheet’s legendary performance，in： National Conference on Coil Coating and Continuo??us Sheet Galvanizing［C］.New Delhi，India.1997.

［8］ Belghazi A，Bohm S，Sullivan J，et al.Zinc runoff from organically coated galvanised architectural steel ［J］.Corrosion Science.2002，44（8）：1639-1653.

［9］ Rosalbino F，Angelini E，Macci?D，et al.Influence of rare earths addition on the corrosion behaviour of Zn-5%Al （Galfan） alloy in neutral aerated sodium sulphate solution［J］.Electrochimica acta.2007，52（10）：7107-7114.

［10］張成濤，唐小輝.輸配電鐵塔的腐蝕與防護［J］.全面腐蝕控制，1998，12（3）：11-15.

［11］陳耀財，安貞基.輸電鐵塔腐蝕分析與有機涂料防護設計［J］.現代涂料與涂裝，2010（10）：23-27.

［12］Gulec A，Cevher O，Turk A，et al.ACCELERATED CORROSION BEHAVIORS OF Zn，Al AND Zn/15Al COATINGS ON A STEEL SURFACE.Materiali in Tehnologije.2011，45（4）：477-482.

［13］Kuroda S，Kawakita J，Takemoto M.Marine exposure tests of thermal sprayed coatings in Japan ［C］.Thermal Spray 2003：Advancing the Science&Applying the Technology.2003：343.

［14］劉燕，朱子新，陳永雄，等.Zn-Al系列高速電弧噴涂層電化學防腐性能研究［J］.中國表面工程，2004，17（5）：23-25.

［15］劉燕，徐濱士，朱子新，等.熱噴涂 Zn-AI-Mg-RE涂層組織及耐蝕性能研究［J］.金屬熱處理，2009，33（11）：52-54.

［16］Zhu ZX，Liu Y，Xu BS.Effect of Mg on the Microstructure and Elect rochemical Corrosion Behavior of Arced Sprayed Zn-Al Coating［J］.Advanced Materials Research.2011，154：1389-1392.

［17］付東興，徐濱士，張偉，等.Zn-Al-Mg-RE涂層自封閉特性在復合涂層中的作用機制［J］.材料熱處理學報，2007，28（2）：98-101.

［18］Yang F，Han J，Yang J，Li Z.Some Advances in the Application of Weathering and Cold-Formed Steel in Transmission Tower［J］.JournalofElectromagnetic Analysis and Applications.2009，1（1）：24-30.

［19］Blackett G，Savory E，Toy N，Parke G，Clark M，Rabjohns B.An evaluation of the environmental burdens of present and alternative materials used for electricity transmission ［J］.Building and Environment.2008，43（7）：1326-1338.

［20］楊敏祥，陳原，李衛國，等.復合材料桿塔研究現狀及關鍵技術問題［J］.華北電力技術，2010（10）：48-50.