某變電站構架避雷針腐蝕失效的原因

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(1. 國網浙江省電力公司 電力科學研究院，杭州 310014； 2. 國網浙江省電力公司 寧波供電公司，寧波 315016)

構架避雷針是高電壓等級變電站防止直擊雷的重要設施[1]，對變電站的安全運行意義重大。構架避雷針由四節不同直徑的中空Q235鋼管經法蘭組合而成，在大型變電站中布置數目可達數十支。因其安裝于高處構架之上，日常維護不便，僅能在變電站停電檢修時，對其外壁進行局部油漆涂裝。

現場巡檢發現，運行多年的構架避雷針外壁已被黃色、棕黑色腐蝕產物覆蓋，部分呈現頂部發黑現象。某變電站構架避雷針面臨著嚴重銹蝕破裂問題，且發生了避雷針高處斷裂掉落事故；將部分構架避雷針拆卸檢查發現，其底部位置破裂，管材嚴重銹蝕減薄，鋼管內積聚大量鐵銹，見圖1。

目前，國內外對避雷針的研究主要集中于提升其電氣性能及防雷效果[2-3]，但對其自身腐蝕及由此帶來的危害卻關注很少。徐賢等[4]報道了一起構架避雷針因法蘭處腐蝕斷裂而掉落的事故，其失效形式為金屬在外力作用下的脆性斷裂,這與本工作所報道的腐蝕形態完全不同。為探索構架避雷針腐蝕失效進程，采用掃描電鏡(SEM)-能譜分析(EDS)、X射線衍射(XRD)及電化學測試等手段，對避雷針失效樣品的形貌、成分及電化學特性進行了觀察分析。以期揭示構架避雷針腐蝕失效的原因及其進程，利于針對性地探索構架避雷針的防腐蝕對策，延長設備壽命、保障變電站正常運行。

圖1 構架避雷針的腐蝕形貌Fig. 1 Corrosion morphology of structure of lightning rod

1 試驗

1.1 試樣

采用線切割獲得服役多年的避雷針試樣失效部位，制成失效試樣；采集避雷針外壁、內壁銹蝕產物，獲得其腐蝕粉末；以去離子水浸泡避雷針內壁銹樣，溶出其攜帶的鹽分，獲得內壁銹樣浸出液。

1.2 形貌觀察及成分分析

采用荷蘭FEI公司生產的QUANTA200型掃描電鏡(SEM)觀察失效試樣的腐蝕形貌。采用能譜儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)對避雷針外壁、內壁粉末銹樣進行成分表征，XRD型號為日本島津公司XRD-6000。

1.3 銹樣浸出液分析

以離子色譜法檢測銹樣浸出液中陰離子成分及其含量。離子色譜儀型號為Dionex ICS-1000，以KOH為淋洗液(淋洗液發生裝置生成)，淋洗液流速為1 mL/min，濃度為2 mmol/L。

1.4 電化學測試

電化學試驗在PGSTAT128N型Autolab電化學工作站上完成，采用三電極體系測量。工作電極為切割試樣，經環氧樹脂封裝而成，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極。電化學阻抗譜在自腐蝕電位下進行測量，測試頻率范圍為0.01 Hz～100 kHz；極化曲線掃描范圍為-0.2～0.4 V(相對于開路電位)，掃描速率為0.33 mV/s。試驗溶液為內壁銹樣浸泡液，溫度為(30±1) ℃。

2 結果與討論

2.1 腐蝕形貌

由圖2可見：避雷針管壁呈現雙層結構，即黑褐色的腐蝕產物層以及具有金屬光澤的殘余壁厚。腐蝕產物層較厚，且疏松多裂紋，與管壁結合不緊密，故而圖1所示的現場管壁內部脫落大量鐵銹。該雙層結構可以證明腐蝕是由內表面開始的，逐漸向外表面發展，直至管壁減薄開裂；避雷針外壁金屬腐蝕較輕微。

圖2 構架避雷針管壁橫截面形貌Fig. 2 Cross-sectional morphology of lightning rod

避雷針置于大氣環境中，由于具有中空結構，內外表面均會遭受大氣腐蝕；但圖2表明避雷針內表面腐蝕要遠比外表面嚴重，這表明內表面處于比普通大氣環境更惡劣的腐蝕環境中，因此內表面腐蝕速率較高。避雷針各節法蘭間一般采用環焊連接，可避免雨水漏入，但焊點腐蝕破損后，雨水有可能滲入避雷針；根據避雷針中空結構推測，雨水的滲入且內壁不易干燥，是造成內壁基材快速腐蝕的主要原因。

2.2 銹樣浸出液的離子含量

為驗證雨水是否會滲入避雷針內部，取10 g避雷針內壁銹樣以200 mL去離子水浸泡12 h，之后采用離子色譜儀對經0.45 μm微濾膜過濾的銹樣浸出液進行成分分析，結果見表1。

表1 銹樣浸出液中的離子含量Tab. 1 Anions content in rust lixivium

由表1可見：銹樣浸出液中存在F-、Cl-、NO2-、NO3-、SO42-等五種陰離子，與典型雨水中陰離子成分高度一致[5]。該分析結果證實了現場環境中由于焊點腐蝕破損等原因，雨水可通過避雷針接連法蘭等部位，滲透入避雷針內部，從而誘發內壁金屬腐蝕[6]。

2.3 銹樣的成分

由圖3可見：避雷針外壁銹樣的主要成分為Zn、Fe、O，并檢測出少量的Al、Si、S、Cl等元素，這表明銹樣的主要成分為鐵氧化物和鋅化合物，S及Cl元素的檢出說明避雷針所處的大氣環境中侵蝕性離子較多，這將促進鋼材的腐蝕。對于避雷針外壁而言，鍍鋅層未被完全消耗，仍能對碳鋼基體起保護作用，因而外壁基體金屬并未遭受嚴重銹蝕。采集少量避雷針內部黑褐色銹樣，碾磨成粉，對銹樣進行EDS和XRD分析，結果見圖4～5。

圖3 外壁銹樣能譜圖Fig. 3 EDS results of outer rust

圖4 內壁銹樣能譜圖Fig. 4 EDS results of inner rust

圖5 內壁銹層XRD譜圖Fig. 5 XRD pattern of inner rust

由圖4可見：內部銹樣的主要元素為Fe及O，占絕對比例，其他鹽類離子相對含量很少，表明銹樣主要成分為鐵氧化物。內銹層中已檢測不出Zn元素，原有鍍鋅層已完全消耗，內壁基材正處于金屬/銹層這一復雜腐蝕體系[7]。XRD結果進一步證明了鐵氧化物為Fe3O4和α-FeOOH；Fe3O4的相對比例要較α-FeOOH高得多，故而銹層整體呈現黑褐色。

2.4 內銹層電化學特性

將帶銹樣試片加工成電極，對比測試帶銹電極和除銹電極的電化學阻抗譜及極化曲線，結果見圖6～7。

圖6 帶銹和不帶銹電極的極化曲線Fig. 6 Polarization curves of electrodes with and without rust

圖7 帶銹和不帶銹電極的Nyquist圖Fig. 7 Nyquist plots of electrodes with and without rust

由圖6可見：無論表面是否覆蓋銹層，電極的腐蝕過程均由陰極過程(氧擴散過程)控制。兩者的陽極極化曲線斜率十分相近，表明銹層不影響腐蝕反應的陽極過程，銹層下陽極過程仍然是鐵的溶解過程[8]。

與除銹電極相比，覆蓋銹層電極的陰極極化曲線的Tafel斜率明顯更小，陰極腐蝕過程阻力更小；說明銹層中具有加速陰極腐蝕反應的成分存在，一定程度上促進了陰極腐蝕過程[8-10]。

由圖7可見：無論電極表面是否存在銹層，電極的Nyquist譜圖均只有一個容抗弧組成，未出現銹層電阻，說明避雷針內壁銹層無法有效阻礙腐蝕進程。此外，去除銹層后，電極Nyquist譜圖的容抗弧反而變大了，此時腐蝕難度增大[11]，即銹層覆蓋時腐蝕反應阻力更小；由此進一步證明，避雷針內壁上附著的以Fe3O4為主銹層可促進基體腐蝕，即起大陰極作用[10]。

2.5 討論

在光照、空氣流動等作用下，避雷針外壁水分易蒸發干燥，外壁基材總銹蝕時間較短。鍍鋅層作為可靠的陰極性鍍層，可有效延長基材大氣使用壽命。2.3節外壁銹樣分析結果也表明鍍鋅層仍對外壁金屬起犧牲陽極作用,因而避雷針外表面未發生嚴重銹蝕。

由于避雷針為中空結構，其內壁也如同外壁一樣遭受大氣腐蝕。但雨水從法蘭接口等處漏入避雷針后，將處于一個相對密閉的環境，不易蒸發散失；因而避雷針內壁將長時間處于潮濕環境，腐蝕時間較外壁而言大大延長。雖然避雷針內壁腐蝕也將遵循鍍鋅層腐蝕、鍍鋅層/基體共同腐蝕、基體鐵腐蝕等三個過程[12-13]，但上述三個過程完成時間將急劇減短。特別是腐蝕生成的Fe3O4具有良好導電性，可起到大陰極作用[14-15]，從而加速鐵基體的腐蝕。具體反應過程為：

(1)

(2)

在腐蝕液膜中，Fe2+以水合離子存在，并能被O2快速氧化而轉化γ-FeOOH

(3)

(4)

與金屬基體直接接觸的或經導電性物質相連的γ-FeOOH會發生還原反應，加劇腐蝕[16]。γ-FeOOH的還原反應可用式(5)表示。

(5)

SUN認為Fe2+和電子能夠穿透與金屬相接觸的Fe3O4層，從而使氧還原的陰極過程從金屬表面轉移到Fe3O4層進行[17]。SYED[18]認為由于Fe3O4為大顆粒，Fe3O4層易疏松多孔，有利于Fe2+和電子的傳輸，從而加劇基體腐蝕過程。故而現場表現為避雷針內壁附著大量黑褐色銹層(見圖2)，腐蝕較外壁劇烈得多，腐蝕破壞是從內逐漸向外發展的。

值得一提的是，避雷針底部排水口過小(見圖8)，也是導致內壁腐蝕加劇的原因之一。雨水漏入避雷針內后，將沿內壁自上而下流動，避雷針底部位置處于潮濕環境的時間較長，腐蝕程度也將更為劇烈。特別是腐蝕后期，鐵銹將大量產生并脫落，極易堵塞底部排水口，造成避雷針內部積水，進一步惡化腐蝕環境。

圖8 避雷針底部排水口Fig. 8 Drain hole of lightning rod

3 結論

構架避雷針腐蝕失效集中于內壁，雨水滲入導致避雷針中空內部長期處于潮濕環境，是誘發內壁基材快速腐蝕的主要原因；而形成的疏松Fe3O4銹層起大陰極作用，將進一步加速金屬基體腐蝕。避雷針腐蝕失效是由內而外逐步發生的，該腐蝕形式具有很強的隱蔽性，易導致突發性安全事故，需引起足夠重視。為保障變電站安全運行，建議從以下方面完善避雷針防腐蝕工作：逐步更換老舊避雷針；改進新避雷針結構，加大排水口；增強防腐蝕處理工藝，法蘭處采取包覆處理；采用耐候鋼材等更耐蝕材料。