變電站構(gòu)支架冷噴鋅與熱鍍鋅防腐性能對比試驗(yàn)

周 詠 黃 崢 劉義德 儲(chǔ)方舟

（國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京211103）

0 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，大量的高壓變電站和特高壓換流站相繼建成。為了貫徹執(zhí)行國家電網(wǎng)公司推行的“兩型一化”設(shè)計(jì)理念，必須遵守全壽命周期內(nèi)“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的原則，采用環(huán)保、節(jié)能的防腐材料［1］。

1 傳統(tǒng)的變電站構(gòu)支架防腐方式

1.1 無（有）機(jī)富鋅涂料防腐

無（有）機(jī)富鋅涂料一般以非金屬元素氧化物或金屬與非金屬元素生成的氧化物為主體構(gòu)成，在我國工業(yè)與民用建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。涂料中的鋅粉可以起到陰極保護(hù)作用，但由于涂料體系本身防護(hù)原理限制，防腐年限一般為5～10 年。輸變電設(shè)備部件外表形狀復(fù)雜，小尺寸部件多，且現(xiàn)場環(huán)境惡劣等，這些都加大了防腐涂裝表面處理的難度。而且，富鋅涂料施工要求高，維修次數(shù)多，維修費(fèi)用高，且存在一定的污染，這也限制了富鋅涂料在大型變電站的發(fā)展和應(yīng)用。

1.2 熱鍍鋅防腐

熱鍍鋅也叫熱浸鋅或熱浸鍍鋅，是一種有效的金屬防腐方式，主要用于各行業(yè)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施。是將除銹后的鋼件浸入500 ℃左右融化的鋅液中，使鋼構(gòu)件表面附著鋅層，從而起到防腐的目的。熱鍍金屬工藝一般分為溶劑法和氧化還原法，溶劑法又分為濕法［2］和干法。

2 冷噴鋅工藝

2.1 冷噴鋅技術(shù)簡介

冷噴鋅是由純度高于99.995%的原子化提煉的鋅粉，與揮發(fā)性溶劑、有機(jī)樹脂助劑組成的單組分防腐材料，可在常溫下實(shí)現(xiàn)噴鋅。冷噴鋅綜合了熱鍍鋅及富鋅涂料的優(yōu)點(diǎn)，其保護(hù)原理類似熱浸鍍鋅，具有雙重保護(hù)，一是陰極保護(hù)，二是屏蔽保護(hù)，但其防腐性能更為突出。

2.2 冷噴鋅防腐原理

冷噴鋅防腐是通過陰極保護(hù)進(jìn)行的，根據(jù)電化學(xué)腐蝕理論，陽極電極電位較低且先受到腐蝕。金屬鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為－0.76V，鐵則為－0.44V，故鋅粉作為陽極先受到腐蝕，鋼鐵作為陰極受到保護(hù)。冷噴鋅涂層中的鋅粉在保護(hù)過程中逐漸被消耗，隨著腐蝕產(chǎn)物的增加，新的鋅粉補(bǔ)充增大了電位差，從而產(chǎn)生了更強(qiáng)的陰極保護(hù)。

3 冷噴鋅防腐與熱鍍鋅防腐試驗(yàn)對比

3.1 鹽霧試驗(yàn)對比

3.1.1 平板鹽霧試驗(yàn)

為了研究冷噴鋅與熱鍍鋅防腐性能差異，在平板噴涂冷噴鋅，膜厚85μm；熱鍍鋅平板選擇3個(gè)不同廠家樣板，平均膜厚85μm。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T1771—2007 進(jìn)行耐中性鹽霧試驗(yàn)，鹽霧箱溫度控制在（35±2）℃，氯化鈉濃度（50±10）g/L。其中熱鍍鋅平板分別標(biāo)記為1#、2#、3#，冷噴鋅板上標(biāo)有十字叉絲。在3 000h內(nèi)對樣板的鋅鹽覆蓋情況進(jìn)行觀測記錄。

從腐蝕情況來看，在1 000h時(shí)冷噴鋅平板表面有部分鋅鹽，1#、2#、3#熱鍍鋅板均出現(xiàn)銹斑。在2 000h時(shí)冷噴鋅平板只有鋅鹽未見銹蝕，鍍鋅板銹蝕加劇。在3 000h后冷噴鋅平板表面鋅鹽增多，且有氣泡，2～3處出現(xiàn)銹點(diǎn)，劃線處無銹蝕；熱鍍鋅平板銹蝕嚴(yán)重，劃線處出現(xiàn)銹蝕。

3.1.2 法蘭模型鹽霧試驗(yàn)

法蘭連接在變電站構(gòu)支架中應(yīng)用很多，通過制作法蘭模型進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，比較不同防腐方式及封堵狀態(tài)等情況下的防腐性能。

從腐蝕情況可知，在1 100h時(shí)熱鍍鋅處理法蘭表面有鋅鹽，并出現(xiàn)黃斑；不封堵冷噴鋅處理法蘭、封堵冷噴鋅處理法蘭表面鋅鹽無黃斑。在2 000h時(shí)熱鍍鋅處理法蘭表面有鋅鹽，黃銹斑面積變大；不封堵冷噴鋅處理法蘭、封堵冷噴鋅處理法蘭表面鋅鹽無黃斑。

帶密封圈和不帶密封圈的法蘭模型，其內(nèi)部腐蝕情況基本相同，而連接法蘭的螺栓在使用冷噴鋅時(shí)防腐效果更好。因此推薦不使用密封圈，對連接法蘭的螺栓進(jìn)行冷噴鋅噴涂。

3.1.3 不同膜厚冷噴鋅鹽霧試驗(yàn)

在試驗(yàn)之前，去除鋼鐵表面油污，按照《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB8923—88）標(biāo)準(zhǔn)用電動(dòng)砂輪機(jī)對鋼鐵表面進(jìn)行打磨至Sa2.5級(jí)，然后噴涂不同膜厚冷噴鋅涂層，膜厚為80μm、125μm、200μm。

從腐蝕情況看，在500h 時(shí)開始出現(xiàn)鋅鹽；1 000h 后，80μm膜厚表面鋅鹽無氣泡，125μm、200μm 表面出現(xiàn)氣泡，且后者氣泡多于前者；1 200h后，80μm 膜厚表面鋅鹽無氣泡，125μm、200μm 表面氣泡數(shù)量增加，3塊樣板十字交叉處均未見銹蝕。故隨著膜厚增加，冷噴鋅涂層防腐性能增加但是容易鼓泡，推薦膜厚控制在110μm 以下。

3.1.4 防腐處理焊縫處鹽霧試驗(yàn)

為了比較熱鍍鋅與冷噴鋅處理后焊縫的防腐性能，對兩種處理后的焊接平板進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)共采用3個(gè)樣板，鍍鋅板焊接后連為一體，焊縫處用冷噴鋅修補(bǔ)，記為10－1；噴涂冷噴鋅鋼板經(jīng)焊接后連為一體，焊縫及表面用冷噴鋅修補(bǔ)，記為10－2；鋼板黑件經(jīng)焊接后連為一體，表面噴涂冷噴鋅，記為10－3，全部采用滿焊。在1 000h內(nèi)對樣板鋅鹽覆蓋情況進(jìn)行觀察記錄。

300h后，3塊樣板焊縫處未見銹蝕，鍍鋅板鋅鹽多于冷噴鋅涂層；600h 后，鋅鹽覆蓋逐漸增多，且鍍鋅板腐蝕明顯；1 000h后，樣板10－1鋅鹽最多，焊縫處無銹蝕，樣板10－2、10－3焊縫無銹蝕但是面板出現(xiàn)銹斑。所以，冷噴鋅可以作為焊接處比較理想的修補(bǔ)材料。

通過多種鹽霧試驗(yàn)對比分析可知，冷噴鋅防腐效果要明顯優(yōu)于熱鍍鋅，可以在變電站構(gòu)支架的防腐方面進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3.2 電化學(xué)對比分析試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證熱鍍鋅和冷噴鋅的耐腐蝕性能，對3個(gè)廠家及冷噴鋅涂層進(jìn)行極化曲線測試，熱鍍鋅和冷噴鋅涂層厚度均控制在80μm 左右。測量儀器為上海辰華儀器公司生產(chǎn)的CHI604B型電化學(xué)工作站，采用常規(guī)的三電極體系，工作電極為待測鍍層，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和甘汞電極，電解液為30%NaOH 溶液，溶液溫度控制在25 ℃，測量鍍層的極化曲線。

電化學(xué)加速腐蝕試驗(yàn)完成后，利用外推法確定腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流Icorr。每種鍍層測試三次，取平均值。

利用腐蝕電流Icorr估算年評(píng)價(jià)腐蝕深度，計(jì)算公式為：

M＝KAIcorr/（nD）

式中，M 為年平均腐蝕深度（mm/a）；K 為常數(shù)，K＝0.003 27；A 為金屬原子 量；Icorr為腐蝕電流密度（mA/cm2）；n 為失電子數(shù)；D 為被測金屬的密度（g/cm3）。

3.3 SEM 測試

將經(jīng)過3 000h鹽霧試驗(yàn)之后的冷噴鋅樣板和熱鍍鋅樣板常溫放置一天，用刀片切出一小塊涂層，采用Hitachi S－4800場發(fā)射掃描電鏡分析腐蝕產(chǎn)物表面形貌。對比冷噴鋅與熱鍍鋅表面腐蝕產(chǎn)物的表面形貌，我們發(fā)現(xiàn)冷噴鋅的腐蝕產(chǎn)物更加致密，而熱鍍鋅的腐蝕產(chǎn)物相對疏松，尤其是2#、3#熱鍍鋅樣板更加明顯，這與鹽霧試驗(yàn)冷噴鋅表面生成的鋅鹽量低于熱鍍鋅結(jié)論一致，且冷噴鋅的腐蝕產(chǎn)物更加致密，減緩了腐蝕的深入速度。故冷噴鋅防腐性能優(yōu)于熱鍍鋅。

4 全壽命周期成本（LCC）分析

全壽命周期成本（Life Cycle Cost，即LCC）分析是目前普遍采用的評(píng)價(jià)工程設(shè)計(jì)合理性的方法［1，3］。LCC 指一個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備在全壽命周期內(nèi)，為購置它和維持其正常運(yùn)行所需支付的全部費(fèi)用。

4.1 鋅層防腐年限估算［3］

在進(jìn)行變電站構(gòu)支架防腐全壽命周期成本分析前，需要對冷噴鋅鋅層的防腐年限進(jìn)行估算，這里可以采用以下公式推算：

（1）鋅盾陰極保護(hù)年限：

n1＝（G/g）×K

G＝7.2×0.96×t

式中，n1為鋅盾陰極保護(hù)年限；G 為鋅層總附著量，其中1μm鋅層涂布量約為7.2g/m2；g 為年腐蝕量（g/m2·a）；K 為折減系數(shù)，一般取0.8；t為鋅層厚度（μm）。

（2）冷噴鋅屏障保護(hù)年限：n2≥5。

（3）冷噴鋅綜合防腐年限：

n＝k×（n1＋n2）

式中，k為大量冷噴鋅實(shí)際應(yīng)用案例歸納出來的經(jīng)驗(yàn)值，鋅層與涂料層協(xié)同作用，防腐年限約增加1.2～2.0倍。

假設(shè)冷噴鋅設(shè)計(jì)膜厚100μm，在大氣環(huán)境腐蝕C4級(jí)別下評(píng)估冷噴鋅防腐年限，如表1所示。

表1 冷噴鋅防腐年限評(píng)估

4.2 LCC經(jīng)濟(jì)性對比分析

在進(jìn)行LCC經(jīng)濟(jì)性對比分析時(shí)，可以從人工費(fèi)、材料費(fèi)、維修費(fèi)、場地費(fèi)等多方面綜合考慮兩者的優(yōu)劣。通過對比分析可知，冷噴鋅防腐方案的初期投入與熱鍍鋅相當(dāng)，但后期的維護(hù)頻次及維護(hù)費(fèi)用相對較少，綜合考慮冷噴鋅的防腐性能更好。熱鍍鋅與富鋅涂料在施工要求及維護(hù)成本方面均比冷噴鋅高，而防腐性能相對較低，且會(huì)產(chǎn)生一定的污染。因此，冷噴鋅的經(jīng)濟(jì)效益更好，應(yīng)加以推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文通過試驗(yàn)對比分析及全壽命周期成本分析發(fā)現(xiàn)，冷噴鋅工藝在變電站構(gòu)支架防腐中的應(yīng)用具有很好的前景。相比于富鋅涂料和傳統(tǒng)的熱鍍鋅，其施工要求更簡單，對環(huán)境的影響更小，防腐效果更好，且維修費(fèi)用更低，是一種高效、節(jié)能、持久的防腐工藝。

［1］陳傳新，程超，李志.變電工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕方法選擇［J］.電力建設(shè)，2009，30（10）：20－22.

［2］楊杰.濕法FGD 后煙囪防腐措施的試驗(yàn)研究［J］.電力建設(shè)，2007，28（4）：44－47.

［3］高湛，李華.冷噴鋅防腐工藝研究［J］.建材世界，2010，31（5）：80－82.