輸電線路鐵塔塔腿防腐的失效分析與預防

方玉群，周海飛，邢哲鳴，陳晨，金德軍

（1.國網浙江省電力公司金華供電公司，浙江金華321017；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

輸電線路鐵塔塔腿防腐的失效分析與預防

方玉群1，周海飛2，邢哲鳴1，陳晨1，金德軍1

（1.國網浙江省電力公司金華供電公司，浙江金華321017；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

部分110～220 kV輸電線路在運行過程中，鐵塔塔腿經常出現嚴重腐蝕的情況，影響了桿塔的安全運行。為此，對鐵塔塔腿腐蝕原因進行了剖析，對現場腐蝕樣本進行形貌、EDS能譜、X射線衍射、元素分布等分析，進一步闡述了塔腿防腐失效的內在因素，并提出了相關防腐對策。

鐵塔塔腿；腐蝕；失效分析；預防

近幾年來，110 kV及以上輸電線路塔腿塔材嚴重腐蝕的現象時有發生，任其發展必將直接影響線路安全運行，進而有可能造成鐵塔傾倒事故。因此，迫切需要在現場實地考察的基礎上，通過各種實驗室測試手段，結合相應的環境監測數據，從材料與結構因素、施工因素、環境因素等角度探討塔腿塔材嚴重腐蝕的原因，在此基礎上提出相關建議。

1 現場腐蝕情況

2014年6月，某供電公司輸電運檢班發現所轄110 kV線路部分桿塔基礎保護帽風化嚴重，塔材腿部存在腐蝕情況。為了解塔材腐蝕情況，敲開塔腿保護帽，發現主材和大斜材都存在著嚴重腐蝕，運行人員現場用游標卡尺測量主材和大斜材經腐蝕之后的厚度，主材厚度正常值為0.820 cm，腐蝕最嚴重處為0.636 cm，有3根大斜材幾乎被腐蝕爛斷，4根接地引下線腐蝕嚴重，如圖1和圖2所示。

圖1 基礎保護帽現場情況

圖2 主材及大斜材腐蝕現場情況

經查閱相關圖紙資料，該塔于2004年12月23日投運，塔型為7727型，主材采用Q345熱鍍鋅角鋼，斜材采用Q235熱鍍鋅角鋼，前后檔距分別為369 m和376 m。經現場勘查，發現該塔位于山坡上，土質為巖石，大號側跨越江面，距桿塔橫線路左側約500 m處有一化工廠。

2 失效原因分析

2.1 質量問題

國網公司鐵塔保護帽施工標準工藝要求規定：保護帽強度等級不低于C15；使用中粗砂，含泥量不大于5%；應使用粒徑5～20 mm的碎石，含泥量不大于2%；主板與靴板之間的縫隙應采用密封（防水）措施；保護帽頂面應留有排水坡度，頂面不得積水[1]。

經現場開挖檢查（如圖3所示），該塔保護帽存在以下嚴重質量問題：

（1）保護帽整體呈粉塵狀，水泥比例嚴重不足，含泥量嚴重超標，遠高于砂含泥量5%和石含泥量2%的要求。

（2）石子使用不規范，未采用要求規定的碎石，而是大量采用大塊風化石，最大的石子粒徑達到240 mm，遠超5～20 mm的要求。

（3）主板與靴板之間的縫隙未采取任何密封（防水）措施。

（4）由于保護帽質量及自然風化因素影響，保護帽頂面無排水坡度，導致整個保護帽積水嚴重。

分析認為，正是由于保護帽在施工時存在嚴重問題，在自然環境作用下快速風化，致使保護帽內部疏松且存在大量大小不一的空洞，為水分在毛細作用下的長期滯留提供了方便，從而加速了塔腿的腐蝕。

圖3 保護帽現場照片

2.2 酸雨腐蝕

根據現場了解，該腐蝕鐵塔附近有一家規模較大的化工廠，其產品包括氫氟酸、鹽酸、二氟一氯甲烷等。據浙江省環境監測中心數據顯示，腐蝕鐵塔所處區域2012年降雨的pH值為4.91，為明顯的酸性雨水，2012年降雨中Cl-（氯離子）濃度達0.787 mg/L，同年大氣中SO2（二氧化硫）年均濃度為0.028 mg/m3。而通過對腐蝕鐵塔實地采集的雨水樣本進行陰離子色譜分析，結果顯示雨水中除濃度最高的SO42-（硫酸根離子）外，Cl-含量高達0.98 mg/L，如表1所示。

表1 腐蝕鐵塔實地采集雨水樣本的陰離子色譜分析結果

一般認為，Cl-與硫化物是導致金屬腐蝕最重要的因素。Cl-對材料腐蝕的影響主要表現為對材料表面氧化膜和鈍化膜的破壞作用[2]，硫化物與鋼鐵反應生成易溶的硫酸亞鐵，從而進一步水解生成了硫酸，硫酸繼續和鐵作用，整個過程具有自催化反應的特征[3]。

由于該塔周圍雨水樣品中Cl-含量高達0.98 mg/L，SO42-含量高達4.91 mg/L，因此可以認為，Cl-對鈍化膜的破壞以及對點蝕的促進作用是毋庸置疑的，硫化物對Cl-的腐蝕作用則具有相當的協同效果。

綜上所述，由于保護帽為混凝土澆筑，呈堿性，酸雨的環境對混凝土具有很強的破壞性，因此，酸雨也是造成鐵塔塔腿腐蝕的重要原因。

3 腐蝕材料及其結構分析

為進一步了解腐蝕過程，截取塔腿不同腐蝕程度樣本進行形貌、能譜及X射線衍射、元素分布分析。圖4、圖5分別為輕度和重度腐蝕塔腿樣本的表面形貌及對應的EDS能譜、X射線衍射譜，表2和表3為Q235鋼和Q345鋼的化學成分和輕度腐蝕塔腿樣本能譜數據。圖6為塔腿腐蝕樣的截面形貌。

由圖4可知，輕度腐蝕塔腿樣品的腐蝕產物呈多孔狀，疏松地附著在表面，對進一步腐蝕已毫無抑制作用。表2和表3的數據顯示：腐蝕產物中的硫含量與氯含量均大幅高于基材，且與雨水中相關數據（見表1）較為匹配，可以認為腐蝕產物中的硫與氯來源于環境，而非基體本身。

圖4 輕度腐蝕塔腿樣表面形貌及EDS能譜

圖5 嚴重腐蝕塔腿的表面形貌和X射線衍射譜

表2 Q235鋼和Q345鋼的化學成分（質量分數）

圖6 塔腿腐蝕樣本的截面形貌

圖5表明：對于腐蝕更為嚴重的塔腿樣品，其腐蝕產物呈多層結構，疏松附著的表層下面尚有裂紋密集的里層，此時腐蝕產物很容易從基體表面剝離。對應的X射線衍射譜顯示，鋅元素以氧化物及碳酸鹽形態存在，金屬鋅已完全被消耗，伴隨出現鐵的腐蝕產物。隨著鋅腐蝕產物的逐漸剝離，碳鋼基材的腐蝕將明顯加速。

通過圖5、圖6，結合能譜數據發現：

（1）塔腿表面熱鍍鋅層的內部密集分布著大小不一的孔洞，可以判定為點蝕。

（2）孔洞周圍硫、氧的濃度非常高，氯分布于整個區域，孔洞處濃度稍高。

（3）熱鍍鋅層幾乎完全被鋅、碳、氧3種元素占據，說明氧化物、碳酸鹽的確為鋅層的腐蝕產物。

通過上述材料及結構分析認為：由于酸性、高氯離子及硫化物濃度的雨水長期滯留于疏松多孔的保護帽中，構成了易于發生腐蝕的外部條件，在腐蝕產物疏松多孔結構因素的共同作用下，導致了該110 kV線路塔腿塔材的嚴重腐蝕，由于腐蝕的隱蔽性進一步導致了某些大斜材的徹底銹斷。

表3 輕度腐蝕塔腿樣本表面EDS能譜數據

4 預防對策

4.1 采取包覆材料

對于新建鐵塔，在澆制保護帽之前，建議明確使用包覆材料將構件與外界環境隔離；對于已投入運行的鐵塔，若主材未發生嚴重腐蝕的，可先使用包覆方式使構件與外界環境隔離，然后再澆筑保護帽；對于銹蝕嚴重的主材和斜材，建議進行更換，同時做好包覆防腐措施。防腐所用包覆材料一般可采用礦脂防蝕膏、防蝕帶及防腐涂料，如圖7所示。

圖7 鐵塔塔腳包覆前后外觀對比

4.2 改進鐵塔塔腳板

保護帽的主要作用是保護地腳螺栓不會因偷盜、銹蝕等原因造成鐵塔傾覆。從圖1可知，對于處于保護帽內的大斜鐵，其銹蝕嚴重程度遠遠大于主材，主要是因為相比于主材，大斜鐵的厚度和寬度較小，在鍍鋅層被破壞后，腐蝕進程不斷加快，最終導致大斜鐵完全失效。

綜合考慮保護帽的基本功能和圖1所反應的問題，分析認為將大斜鐵下端部一同澆制在保護帽內的做法非常不合理，考慮到目前大部分110～220 kV線路常規塔型大斜材下端部與塔腳板底部距離一般在200 mm左右,如圖8虛線部分所示。根據國網公司保護帽施工標準工藝“保護帽寬度應保證塔腳板和地腳螺栓保護厚度不小于50 mm，高度應以超過地腳螺栓50～100 mm為宜并不小于300 mm”的要求，在正常澆制的情況下，下端部均會被澆制在保護帽內。

因此，應考慮對鐵塔塔腳板進行改進。考慮到保護帽300 mm高度要求，建議將大斜材所連塔腳板鋼板加寬，在大斜材料下端部的原兩連接孔移至沿著中心延長線上端部位置，一方面保證在不改變塔型設計的前提下能順利安裝，所產生的成本費用也很小，另一方面保證下孔中心與塔腳板底部400 mm左右的凈空距離，確保正常保護帽澆制后，大斜材不會被澆制在保護帽內（如圖8所示）。

4.3 加強質量控制、驗收和運行管理

基建施工過程，施工單位和監理單位應加強過程管控，嚴格按國網公司保護帽施工標準工藝要求規定進行施工，確保保護帽澆制質量。

運行接收單位應加強驗收管理，對于保護帽驗收不能只進行外觀檢查，還應根據一定的比例對保護帽敲開進行抽檢；在投產1年時間內，加強保護帽的運行檢查，對于發現的保護帽質量問題，應及時向基建主管部門反饋，要求施工單位按要求重新澆制保護帽。

在日常巡視過程中，運行單位對于發現保護帽風化現象，應引起充分重視，全面排查鐵塔主材和斜材的銹蝕情況，及時安排大修，確保線路安全運行。

5 結論

（1）保護帽在施工時存在嚴重問題，在自然環境作用下快速風化，致使保護帽內部疏松且存在大量大小不一的空洞，水分在毛細作用下長期滯留，從而加速塔腿的腐蝕。

（2）酸性、高氯離子及硫化物濃度的雨水，長期滯留于疏松多孔的保護帽中，構成了發生腐蝕的有利外部條件，在腐蝕產物疏松多孔結構因素的共同作用下，導致塔腿塔材發生嚴重腐蝕。

（3）在保護帽澆制之前，使用包覆材料使構件與外界環境隔離，可有效防止塔腳塔材的腐蝕。

（4）應采取措施對鐵塔塔腳板進行改進，確保鐵塔斜材不被澆制在保護帽內部。

[1]國家電網公司基建部組.國家電網公司輸變電工程標準工藝[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]張世紅，劉朝，崔磊.幾種因素對帶銹鋼鐵腐蝕行為的影響[J].廣州化工，2012，40（3）∶10-11.

[3]李釗，祁慶琚，馬朝暉，等.濕熱海洋大氣環境下的鋼鐵腐蝕影響因素[J].寶鋼技術，2015（1）∶77-78.

[4]楊靖波，李茂華，楊風利，等.我國輸電線路桿塔結構研究新進展[J].電網技術，2008，32（22）∶77-83.

[5]陳彤，談天，洪毅成，等.輸電網鍍鋅金屬部件的腐蝕與防護[J].中國電力，2013，46（11）∶1-5.

[6]陳彤，莊建煌，黃偉林，等.輸電線路鍍鋅鐵塔塔腳局部腐燭失效分析及防護[J].中國電力，2015，48（5）∶139-143.

[7]沈曉明，錢洲亥，祝酈偉，等.浙江地區變電站土壤腐蝕性調查研究[J].浙江電力，2017，36（2）∶53-57.

[8]孫捷，萬明攀.熱浸鍍鋅池中的Bi對Q235鋼和Q345鋼硅反應性的作用[J].材料保護，2012（6）∶25-27.

[9]鐘維軍.輸電鐵塔裝配式板索基礎的分析研究[J].浙江電力，2016，35（6）∶70-73.

（本文編輯：徐晗）

Failure Analysis and Prevention of Tower Leg Corrosion of Transmission Lines

FANG Yuqun1，ZHOU Haifei2，XING Zheming1，CHEN Chen1，JIN Dejun1
（1.State Grid Jinhua Power Supply Company，Jinhua Zhejiang 321017，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Serious leg corrosion affecting operation safety of towers is quite common in the operation of some110～220 kV transmission lines.Therefore，the paper discusses the corrosion causes and analyzes the corrosion sampling through morphology，EDS energy spectrum，X-ray diffraction and element；besides，it expounds intrinsic factors of anti-corrosion failure of the tower leg and presents some countermeasures.

tower leg；corrosion；failure analysis；prevention

10.19585/j.zjdl.201706015

1007-1881（2017）06-0064-04

TM753

B

2017-04-07

方玉群（1977），男，高級工程師，主要從事輸電線路運行、檢修技術管理工作。