冷噴鋅應用在變電站構支架中的可行性研究

摘 要：變電站構支架長期處于露天環境中，大氣腐蝕會造成變電站安全運行的隱患。現階段對于構支架的防腐主要有有機涂層防腐、無機非金屬涂層防腐及金屬覆蓋層防腐。金屬鋅覆蓋層防腐應用更為廣泛，其包括熱鍍鋅工藝和冷噴鋅工藝。文章通過對比冷噴鋅與其他防腐方式，并對全壽命周期成本進行分析，探討其在變電站構支架防腐中應用的可行性。

關鍵詞：變電站構支架；大氣腐蝕；熱鍍鋅；冷噴鋅；全壽命周期成本

引言

目前對鋼材的防腐主要有有機涂層防腐、無機非金屬涂層防腐及金屬覆蓋層防腐，其中金屬覆蓋層防腐以鋅保護為主，包括熱鍍鋅和冷噴鋅。在各種腐蝕條件下，大氣腐蝕是造成鋼構件腐蝕的主要因素。文章將通過調研及對比分析的方式，探討冷噴鋅在變電站構支架防腐中應用的可行性。

1 大氣腐蝕

變電站構支架暴露在外部環境中，屬于典型的大氣腐蝕。大氣腐蝕對金屬的危害比其他腐蝕因素更嚴重，其造成的變電站腐蝕已經成為影響電網安全運行的重大隱患。

影響大氣腐蝕的因素可以概括為氣候條件、大氣腐蝕性組分、表面因素三類。氣候條件包括濕度、溫度、日照量和降水量等，不同氣候條件對腐蝕影響各有利弊；氣腐蝕性組分主要以干、濕兩種沉降方式傳輸到材料表面，從而導致電化學腐蝕；表面因素包括腐蝕產物和表面狀態，促進了腐蝕的進行。

2 變電站構支架的腐蝕類型

在露天環境中，大氣腐蝕對變電站構支架的腐蝕形態很多，大體可以分為均勻腐蝕和局部腐蝕。

2.1 均勻腐蝕

均勻腐蝕的腐蝕作用是均勻地發生在整個金屬表面上，并在平面上逐步地使金屬腐蝕并降低其各項性能，一般均勻腐蝕發生時間相對緩慢。

2.2 局部腐蝕

局部腐蝕的程度與變電站周邊環境和構支架自身的防腐性能有直接關聯。

點蝕是大多數內部腐蝕形態的一種，可以形成大大小小的孔眼，腐蝕疲勞是鋼鐵在交變應力作用和腐蝕介質的共同作用下產生的腐蝕。

縫隙腐蝕一般發生在處于腐蝕液體中的金屬表面或其它屏蔽部位，是一種嚴重的局部腐蝕。幾乎所有的腐蝕性介質，包括淡水，都能引起金屬的縫隙腐蝕，根據經驗縫隙腐蝕的敏感寬度為0.02-1 mm，最易發生在螺栓等連接部位。

焊縫腐蝕也是構支架容易出現的的一種腐蝕現象，構件除縫隙處易發生集中腐蝕外，在焊縫處的腐蝕問題也比較突出，調查發現焊縫腐蝕基本不擴散，腐蝕集中。常見的構支架腐蝕還有電偶腐蝕、應力腐蝕、鍍鋅層缺陷腐蝕、涂層缺陷腐蝕、摩擦腐蝕等。

3 變電站構支架常用的防腐方式

目前鋼結構常用的防腐蝕方法有有機涂層防腐、無機非金屬涂層防腐及金屬（鋅）覆蓋層防腐蝕。

3.1 有機（無機）涂層防腐

有機（無機）涂層防腐是一種常用的鋼結構防腐蝕方法，以環氧富鋅漆[3]為主，在我國工業與民用建筑工程中應用廣泛。由于涂料體系本身防護原理限制，防腐年限一般5～10年，難以滿足變電工程50年的使用壽命。期間，維修次數多，維修難度大，維修成本高，且不利于變電站持續工作，影響經濟效益。

3.2 金屬（鋅）覆蓋層防腐

鋅有很好的耐蝕性能，在空氣或pH值6～12的水中長期使用不腐蝕，在海水中的腐蝕速度也較慢。常用的鋅防腐方法包括熱鍍鋅和冷噴鋅。

3.2.1 熱鍍鋅防腐。熱鍍鋅作為一種傳統的防腐方式，分為美鋼聯法、森吉米爾法、氣刀法等，其防腐蝕性能較高，有效解決了涂料防腐體系的使用壽命短等缺點，防腐年限一般可達30年，在變電工程中有廣泛應用。但是熱鍍鋅會帶來高污染、高能耗，且施工要求比較高，國家已在逐步立法限制熱鍍鋅的發展。

3.2.2 冷噴鋅防腐。冷噴鋅與熱鍍鋅防腐原理相同，但是其施工要求更低，能耗更低，屬于環保材料，特別是在變電站構支架防腐方面，用冷噴鋅防腐年限長達30～50年。國內的國家重點工程如國家大劇院、平果二500kV變電站、蘇通大橋等，都使用了冷噴鋅技術進行防腐，有效地解決了防腐周期短及其他缺陷問題。

4 變電站構支架常用防腐方式技術對比

4.1 涂層防腐防護技術及對比

涂層防腐主要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成覆蓋層進行防腐。目前，涂層防腐材料以環氧富鋅漆為主，包括無機富鋅漆和有機富鋅漆，涂料中的鋅粉可起到與熱浸鍍鋅層類似的陰極保護作用。但是，涂層防腐存在以下問題：（1）防腐年限短；（2）施工要求高，施工周期長；（3）維修難度大，成本高，兼容性差；（4）具有一定污染，經濟效益較低。

4.2 金屬（鋅）覆蓋層腐蝕防護技術及對比

4.2.1 熱鍍鋅工藝。熱鍍鋅工藝，就是把金屬構件表面經過預處理后全浸入熔融金屬溶液，熔融金屬與構件表面結合形成金屬覆蓋層達到防腐目的。熱鍍鋅金屬工藝一般分為溶劑法和氧化還原法（森吉米爾法），溶劑法又分為濕法和干法。溶劑干法可以使金屬覆蓋層和基層良好結合，但存在以下問題：（1）預處理過程產生污染，涂層易脫落；（2）高溫加工后易變形；（3）構件尺寸受限制；（4）施工要求高，兼容性差；（5）能耗高，施工周期較長。

4.2.2 冷噴鋅工藝。冷噴鋅工藝近年來發展極為迅速，其屬于一種涂膜鍍鋅。冷噴鋅的干膜金屬鋅含量可高達96%以上，由超細鋅粉、有機樹脂和揮發性溶劑組成，以涂裝方式把鋅粉鍍覆在基體材料表面上達到防腐目的。其保護原理類似電鍍鋅，具有主動陰極保護和屏障保護雙重作用。

冷噴鋅的工藝流程：鋼材前處理—焊縫及轉角預涂鋅層—冷噴鋅2道—噴涂金屬封閉漆一道—檢查涂裝質量—交付驗收—現場安裝—破損修補鋅層—整體或局部噴涂金屬封閉漆一道。相比于熱鍍鋅及富鋅涂料，冷噴鋅有如下特點和優勢：（1）鋅粉純度高，結合能力好；（2）孔隙率低，耐酸雨；（3）表面處理要求低，只需達到GB8923-88 Sa2.5級標準；（4）施工方便，周期短，兼容性好；（5）環保，符合BS6920英國標準；（6）維修成本低，經濟效益好。

4.2.3 冷噴鋅技術的應用與推廣。國外生產冷噴鋅的企業，如比利時的Zinga、日本的ROVAL、美國的ZRC、德國的WURTH等都成功將冷噴鋅工藝應用于鋼結構防腐，近年來，國內相關冷噴鋅的企業以鋅盾科技公司為首，將冷噴鋅技術進行推廣應用，冷噴鋅技術具有節能、環保、施工方便、經濟效益高等優點，能夠很好地貫徹“兩型一化”變電站設計理念，具有廣闊的應用前景。

5 變電站構支架防腐經濟性對比分析

目前，國際上普遍采用全壽命周期成本（Life Cycle Cost-LCC）來評價工程設計的合理性，LCC系指一個系統或設備在全壽命周期內，為購置它和維持其正常運行所需支付的全部費用，包括設計、研究開發、制造、使用、維修和保障直至報廢所需的費用之和。

相比于其他防腐方式，冷噴鋅防腐在30年內LCC經濟效益最好，而其對環境無污染，施工便捷，防腐性能更好，故更具應用前景。

同樣，對冷噴鋅與熱鍍鋅的防腐進可以通過LCC分析其經濟性指標，具體見表1。

由表1可知，冷噴鋅防腐方案的初期投入比熱鍍鋅多，但是后期的維修投入很少，綜合考慮冷噴鋅的防腐性能更好，更經濟。

6 變電站構支架腐蝕情況現場調研

傳統的鍍鋅管件在管體上留有通氣孔，這會加劇腐蝕。現普遍采用的是封堵的方式，阻斷腐蝕條件，熱鍍鋅主要應用于輸變電鋼構件的防腐，工藝成熟，鍍鋅層的厚度、韌性和表面狀態都能控制。在空氣潔凈地區鍍鋅層能維持30年以上，而在大氣腐蝕嚴重的環境中腐蝕很快，10年內就能完全腐蝕。

（1）熱鍍鋅處理。220kV佟圩變電站位于連云港臨港產業區內，于2010年投運，構支架均為熱鍍鋅構件。通過調研發現，部分變電站構支架已出現不同程度的腐蝕。

佟圩變電站周邊環境相對清潔，但是變電站構支架還是出現了一定的腐蝕，以大氣腐蝕為主。管件表面出現部分腐蝕，節點連接處，由于縫隙或孔洞也已經部分銹蝕，法蘭連接處螺栓也產生一定的銹蝕。主要原因包括施工產生的缺陷，也與熱鍍鋅材料自身防腐性能有關。

（2）冷噴鋅處理。錦屏-蘇南800kV直流輸電工程是目前世界上電壓最高的直流輸電工程。其位于安寧河斷陷河谷西岸，采用冷噴鋅技術對鋼結構部分進行防腐處理。

現場調研發現，鋼構支架基本沒有出現腐蝕，節點連接處噴鋅層良好，也沒有出現皺鄒或斷裂，法蘭連接處螺栓鋅層完好。只有極少部分出現腐蝕，主要由于施工操作不當造成。總體來說，該主流輸電站采用冷噴鋅防腐效果很好。

7 結束語

環氧富鋅涂料和熱鍍鋅作為傳統的防腐方法可以對變電站構支架進行一定的防腐，前者防腐年限短，施工要求高，且維修次數和成本高，對環境有一定的污染；后者防腐年限相對較長，但是工藝復雜，施工周期長，且對環境污染較大，經濟效益稍好。而冷噴鋅作為環保方法材料，其綜合了富鋅涂料和熱鍍鋅的優勢，施工要求低，周期短，防腐年限長，耐酸雨等多種惡劣環境，LCC效益最高。今后，隨著可持續發展戰略的繼續推進，冷噴鋅技術將會有更好的應用前景。

參考文獻

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

[2]黃聰，鐘華潔.海濱電廠空間鋼結構的防腐[J].電力建設，2000，7：59-61.

[3]游運通，馮漢民.自干型氟碳改性環氧富鋅涂料在電力鐵塔上的應用[J].涂料與應用，2007，37（2）：24-25.