變電站鋼結構防腐蝕設計及其應用研究

張春潮

（福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350108）

0 前言

鋼結構是一種質輕高強、抗震性好、節能環保，并能夠循環利用的建筑結構。伴隨著國家經濟的蓬勃發展、鋼材產量的巨大提升和國家電網關于變電站建設實行模塊化設計、標準化生產、裝配式施工的生產理念，鋼結構在變電站建設中廣泛應用于戶外構支架和生產用房。但鋼材耐腐蝕性差，極易銹蝕，嚴重危及結構的安全運行，甚至引起災難性事故。據相關統計，我國每年由于鋼結構腐蝕造成的金屬結構、設備和材料損失量大約是當年鋼產量的 10%～20%，造成的經濟損失約占國民生產總值的2%～4%[1]。因此，進行鋼結構的腐蝕機理和防護措施研究具有重要的意義。

1 腐蝕機理與防腐蝕措施

1.1 腐蝕機理

當鋼鐵暴露在潮濕及有氧的環境中，總是向它的穩定形態（氧化鐵）轉變，這種轉變是其和周圍環境反應的結果，銹蝕也因此發生。鋼材的銹蝕主要有兩種類型：

（1）化學腐蝕

在濕度較大、侵蝕性介質的環境中，鋼鐵材料與空氣接觸時鐵分子與空氣中的氧及水分子起化學反應生成鐵銹所致。

（2）電化學腐蝕

電化學腐蝕過程中，鋼材中的鐵元素作為腐蝕電池的陽極釋放電子形成鐵離子，經過一系列反應生產鐵銹。具體的化學方程式如下：

2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3

1.2 影響因素

主要影響因素包括鋼材所處的自然環境和自身的合金元素。自然環境包括大氣環境、海水環境和土壤環境，不同環境下鋼材銹蝕的影響因素不同[1]。

1.3 防腐蝕措施

鋼結構防腐蝕方法主要有以下四種：

（1）提高鋼材自身抗腐蝕性，即采用耐候鋼。

（2）采用陰極保護，常用于地下或水下鋼結構。

（3）熱鍍鋅。通過在構件表面附著鋅層，形成致密的保護膜，起屏蔽和置換防腐作用。

（4）涂層防護。分為金屬復合涂層和油漆涂層，均包括底漆、中間漆和面漆，起隔絕防護和延遲腐蝕作用。

1.4 變電站防腐要求

變電站作為一種電力基礎設施，與常規建筑相比，有其特殊性：

（1）持久性。變電站長時間處于帶電工作狀態，鋼結構出現問題時，無法使變電站長時間停止運行來進行維修，所以需要考慮到鋼結構防腐的持久性。

北京郵電大學等40 所高校發文總量達1825 篇，占所有文章總數的近一半量。北京郵電大學和電子科技大學分別以170 篇和147 篇的數量占據發文量榜首。

（2）適應性。變電站廣泛分布于各地，環境條件各不相同，制定防腐蝕方案時必須充分考慮各種環境條件，具有良好的適應性。

2 鋼結構防腐蝕設計

鋼結構銹蝕后，桿件截面減小，結構承載力降低，結構使用年限減少[2]。因此，設計鋼結構時必須根據結構所處環境、耐久性要求和經濟條件進行綜合確定。

2.1 環境分類

環境是鋼結構腐蝕的第一影響要素，決定了涂裝方案的選擇、涂層厚度、日后維修和投資費用等。變電站所處環境各不相同，特別是沿海地區大氣中鹽分含量高，腐蝕性強；城市和工業區空氣中硫的含量高，溶于水后變成強腐蝕介質，這些環境條件下鋼結構極易銹蝕。

根據《建筑鋼結構防腐蝕技術規程》規定，我國的大氣環境氣體類型分為A～D四類，腐蝕性等級分為Ⅰ～Ⅵ類，防腐設計時應根據大氣環境監測數據和空氣相對濕度確定大氣環境腐蝕性等級，采取合適的防護方案。在腐蝕等級為Ⅳ～Ⅵ類的環境中，鋼結構防腐蝕宜采用金屬熱噴涂[3]。

表3-1 大氣環境對建筑鋼結構長期作用下的腐蝕性等級

B ＞75 城市大氣Ⅳ 中腐蝕 0.05～0.2 C 60～75 工業大氣D ＜60 海洋大氣Ⅴ 較強腐蝕 0.2～1.0 D 60～75 海洋大氣C ＞75 工業大氣Ⅵ 強腐蝕 1.0～5.0 D ＞75 海洋大氣

2.2 設計使用年限

設計使用年限分為3個標準：2～5年、5～10年、10～15年，應根據鋼結構維修的難易程度及環境腐蝕性情況確定合理的設計使用年限和最小防護層厚度。

表3-2 鋼結構防腐蝕保護層最小厚度

2.3 涂裝要求

涂層的選擇需要注意不同涂層對不同的腐蝕條件有不同的耐受性、不同涂料之間存在相容性問題和涂層施工相關要求。

2.4 結構構造要求

合理的構造措施可以更好地保證結構的安全性。結構構造除應滿足截面尺寸和壁厚方面相關要求外，還應注意以下幾點：

（2）焊條、螺栓、墊圈、節點板等連接構件的耐腐蝕性能，不應低于主體材料。

（3）構件連接處的縫隙，應嵌刮耐腐蝕密封膠。

（4）鋼柱柱腳應置于混凝土基礎之上。

3 應用研究

通過對鋼結構腐蝕的分析研究，下文將結合一個實際工程進行防腐設計應用研究。

漳州海園220kV變電站位于漳浦縣古雷石化產業園，距海岸線1公里，距石化產業園 8公里，大氣環境十分惡劣。本工程采用全戶內方案，全站電氣設備布置在鋼結構配電樓內。為做好本工程鋼結構防腐設計、減少后期維護并提高結構安全性，在工程附件設立大氣腐蝕監測試驗站并進行現場調研。

通過表3-1可知，大氣中Cl-、NO3-和SO42-的濃度很高。Cl-濃度高主要是由于工程距海岸線較近，鹽密度較高所致；NO3-和SO42-濃度高主要是石化基地的工業大氣所致。根據規程規定，本工程大氣環境氣體類型為D型，腐蝕類型為Ⅵ級強腐蝕。

表3-1 大氣腐蝕監測試驗數據

通過對油田變現場調研，發現投運僅一年的電氣設備嚴重銹蝕。主要是由于海邊空氣中鹽分含量較高、化工基地工業大氣腐蝕性強、電氣設備防腐不滿足環境要求所致。

經相關分析，本工程設備支架采用熱鍍鋅防腐、配電樓鋼結構采用金屬熱噴涂防腐。金屬熱噴涂方案為噴砂除銹達到Sa2.5級標準，180微米鋅鋁合金+20微米環氧密封底涂料，40微米環氧云鐵中間漆涂料一遍，100微米氟碳面層涂料兩遍，涂層總厚度340微米，涂層使用年限可以達到20～30年，滿足變電站防腐長效性要求。這套涂層體系包括可提供陰極保護的鋅鋁合金底漆，可提供隔絕保護的環氧云鐵中間漆和超強耐候、耐磨和耐腐蝕性的氟碳面層涂料。該涂裝方案廣泛適用于沿海和工業大氣環境中，面層涂裝做法可根據經濟性進行優選。

4 結語

隨著鋼結構在變電站中的廣泛應用，其防腐蝕設計尤為重要。環境是鋼結構腐蝕的第一影響要素，制定防護措施時一定要根據實際環境情況制定有效的防護措施，可以節約大量的維護經費并顯著提高鋼結構的安全性與使用壽命。