變電站鋼結構防腐設計研究

劉舒 郭東鋒 張宇峰 張浩

【摘要】鋼結構在變電站中的使用比例越來越高，鋼結構的腐蝕問題必須引起足夠的重視。本文通過分析鋼結構的腐蝕機理及變電站對鋼結構防腐的特殊需求，對常用防腐蝕方法及技術進行論述分析，對于保證結構安全、減少變電站運行期間的維護及節(jié)省全壽命周期成本都有重要意義。

【關鍵詞】變電站；鋼結構；防腐設計

一、前言

隨著國民經濟的迅速發(fā)展，鋼結構領域研究的不斷深入，鋼構件在各個領域中得到了廣泛的應用。在電力行業(yè)，發(fā)電廠房、輸電線塔架以及變電站構支架等設施越來越多地采用鋼材作為結構的主要材料。變電站的構支架材料已由最初的鋼筋混凝土桿逐步向鋼結構轉變。作為一種建筑材料，鋼材及其成品構件具有的優(yōu)越性能是其他材料無法媲美，與此同時鋼材料的防火、防腐蝕等問題也隨之而來。其中，鋼結構的防腐能力關系到整個工程的使用壽命、安全生產、以及后期停工維護等一系列問題，因此，鋼結構的防腐必須引起足夠重視。

二、鋼結構的腐蝕機理

變電站鋼構支架普遍為熱鍍鋅普通碳鋼材料，腐蝕的實質是材料表面與所處的環(huán)境中的介質發(fā)生化學或電化學作用而遭到破壞或變質。這個過程需要4 個條件， 通常稱之為“ACME”，它們分別是陽極（Anode）、陰極（Cathode）、金屬接觸（Metallic Pathway）以及電解質和氧氣（Electrolyte & Oxygen）。當這4個條件同時存在時，鋼鐵便發(fā)生銹蝕。在陽極，鐵釋放電子形成Fe2+；在陰極，水中溶解的氧吸收來自陽極的電子而生成氫氧根離子OH-，電子由陽極不斷流向陰極，產生腐蝕電流，在鋼結構表面形成氫氧化鐵薄膜，Fe（OH）2再與水、氧結合生成氫氧化鐵即鐵銹Fe（OH）3。

三、鋼結構常用防腐技術

目前在鋼結構上廣泛使用的防腐性措施是根據腐蝕性介質物理狀態(tài)以及對建筑材料的腐蝕性等級進行分類，防腐的常用方法：①改變金屬結構的組織，在鋼材冶煉過程中增加銅、鉻和鎳等合金元素，以提高鋼材的抗銹能力；②在鋼材表面用其他金屬層保護，如電鍍或熱浸鍍鋅等金屬保護層腐蝕性防腐體系；③在鋼材表面涂非金屬保護層，即用涂料將鋼材表面保護起來使之不受大氣中有害介質的侵蝕。結合上述三種防腐方法的原理，主要有以下四種技術：

1、熱浸鍍鋅技術

熱鍍鋅是將除銹后的鋼構件浸入高溫融化的鋅液中，使鋼構件表面附著鋅層。從而起到防腐蝕的目的這種方法的優(yōu)點是防腐年限與鋅層厚度成正比，生產工業(yè)化程度高，質量穩(wěn)定。因而被大量用于受大氣腐蝕較嚴重且不易維修的室外鋼結構中，如大量輸電塔、通訊塔等。使用一段時間后鋅層容易產生鋅鹽，表面顏色會產生一定的變化。這種保護方式具有耐蝕性好，使用壽命長，且基本不用維護等優(yōu)點。

2、防腐漆技術

在鋼結構加工使用過程中進行涂漆操作，通過涂漆來延緩鋼結構的腐蝕。其中分別為：鋼結構防腐漆預涂底漆、防銹底漆、中間漆和面漆。預涂底漆也稱為車間底漆，用于車間加工過程中金屬底材在進行噴砂、磷化等前期處理后，防銹底漆噴涂前的臨時保護。防銹底漆，與底材的附著力要滿足要求，不同的底材要選用合適的防銹底漆，環(huán)氧類底漆防腐蝕效果較好。中間漆介于底漆和面漆之間，具有較好的填充性能能修復、改善底漆的板面提高整體噴涂效果。面漆要求具有優(yōu)異的耐候性能、耐使用環(huán)境中介質的腐蝕性及優(yōu)異的裝飾性等對顏色、光澤、耐老化、耐化學介質、抗劃傷性及流平性等要求較高。

3、涂料保護技術

涂料保護是將涂料涂在金屬結構表面形成涂層，形成的涂層必須滿足：連續(xù)無孔、不透氣、不透水，有較大的附著力，有適當的硬度和彈性，有隔離作用，穩(wěn)定，以及其它特殊要求如耐酸和緩蝕等特性。涂料保護法也是一種有效的防腐方法，具有施工簡便，投資低，使用范圍廣等優(yōu)點。

4、特種材料技術

在當前鋼結構施工過程中，為了鋼結構能適應更加復雜的自然環(huán)境，對鋼結構的性能進行優(yōu)化，在保證鋼結構性能要求的前提下，增加鋼結構的耐腐蝕能力。這樣雖然初期投入成本有所增加，但是，后期的維護成本較小，整體成本控制較好，在后期的使用過程中不用定期的對鋼結構進行防腐蝕處理，這樣就大大減輕了維護所消耗的人力成本、施工材料成本，同時，鋼結構的使用壽命也在不斷的延長。

四、變電站鋼結構防腐的特殊需求

變電站中鋼結構本身受大氣溫度影響冷熱交替、并經常受雨水或其他介質水的影響；長期暴露于空氣中，耐候等級要求也較高；因此必須充分考慮各種介質的腐蝕，兼顧考慮結構應力腐蝕和縫隙腐蝕，盡量做到在使用期間內免維護、達到全壽命期防腐的要求。

變電站工程的使用壽命一般為50年，需要長效運行。屋外配電裝置區(qū)域的構支架因設備常年帶電運行，維修難度非常大，不可能經常停電檢修。因此，必須采用長效防腐方案，盡量做到使用期內免維護。

變電站構架為鋼結構，大部分均采用螺栓連接，構件在防腐施工過程中若發(fā)生較大的變形，會產生無法拼裝等現象，因此，要盡量減小防腐施工中的構件變形、

五、變電站鋼結構的防腐技術

在輸變電工程中，鋼結構防腐技術中一般采用在鋼材表面用其他金屬層保護，如電鍍或熱浸鍍鋅等金屬保護層的防腐體系方法。該方法采用防腐性金屬作為保護層，是在鋼材基體表面覆蓋一層比鐵（Fe）更活躍的金屬元素作為陽極性層。防護層通常采用的金屬層是鋅，其腐蝕機理是利用鋅（Zn）的電極電位比鐵（Fe）低，當外界環(huán)境存在電化學腐蝕時，鋅（Zn）是陽極先受到腐蝕，而金屬鐵（Fe）是陰極受到保護從而對基體起到電化學保護作用。金屬鍍層法具有耐腐蝕性好，使用壽命長，且基本不用維護等優(yōu)點。

熱鍍鋅工藝將金屬構件表面經過預處理后全部浸入鋅熔融金屬溶液里， 熔融金屬與構件表面形成的冶金介面經過擴散形成金屬覆蓋層達到防腐的目的。熱鍍鋅工藝的優(yōu)點是金屬覆蓋層和基層結合很好，防腐蝕性能較熱噴涂高。

熱噴涂鋅工藝利用不同的熱源， 將金屬材料熔化、霧化后，高速堆積到基體表面形成一定厚度的金屬附著層來達到防腐目的。

冷噴鋅工藝是通過涂裝工藝在金屬構件表面形成鋅金屬保護膜（鋅盾），具有陰極保護（犧牲陽極）及屏障保護的功能。鋅盾冷噴鋅材料經常溫噴涂干燥后， 鍍層中純鋅含量在96%以上。

鋅加涂料不僅具有熱浸鋅、熱噴鋅（鋁）的有陰極保護作用，而且具有有機涂料對鋼結構的屏蔽保護作用。在使用過程中絕不會出現涂層剝落現象。鋅加涂層具有良好的柔韌性、抗沖擊性和耐磨性，特別抗強烈的機械震動，能經受住搬運和建造時碰撞造成的損傷。鋅加涂料施工簡單、基材表面處理要求比較低，同時滿足環(huán)保要求。

六、結束語

為了貫徹國家電網公司“兩型一化”的設計理念，按照全壽命周期內“資源節(jié)約，環(huán)境友好”的原則，控制全壽命周期成本，因此變電站鋼結構需要采取高性能的防腐措施，減輕鋼結構的腐蝕，延長鋼結構的使用壽命，節(jié)約維護成本，提高資源的利用率。我們還要不斷的研究并采用新技術和新工藝，以最優(yōu)的成本來實現鋼結構的防腐。

參考文獻

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