輸電鐵塔保護帽內塔腳隱蔽腐蝕的檢測及評估

吳俊健，胡家元

（1.國網浙江省電力有限公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

輸電鐵塔作為高壓輸電線路的承重結構，是高壓輸電線路最重要的基礎設施之一，其安全可靠對電力系統安全至關重要[1]。輸電鐵塔的塔身、塔腳、接地系統等金屬部件均會發生腐蝕[2]，而塔腳腐蝕有環境復雜惡劣、腐蝕狀態隱蔽、防腐難度大、腐蝕危害性大等特點，是輸電鐵塔所有腐蝕問題中的重點和難點[3-4]。圖1 為浙江省寧波、 金華等地近期發現的幾種典型塔腳腐蝕形貌，圖1（a）顯示在與保護帽交界面處塔腳已接近銹斷，圖1（b）則表現為保護帽內塔腳腐蝕較保護帽外更為嚴重，保護帽內塔腳基材出現隱蔽性局部減薄，安全隱患十分突出。

圖1 塔腳部位典型腐蝕形貌

國內外對輸電鐵塔防腐工作十分重視，但主要針對于塔身等大氣裸露部位[5-7]，對保護帽包裹的塔腳腐蝕研究卻較少涉及。劉爽[8]等研究了一起500 kV 線路鐵塔塔腳與混凝土交界面處嚴重腐蝕減薄案例，分析認為周邊大氣中SO2濃度較高、且交界面長期處于潮濕狀態是導致塔腳快速腐蝕的原因。陳彤及莊建煌[3，9]等針對普遍存在的塔腳局部腐蝕現象，采用電化學方法分別模擬了塔腳上部、塔腳-混凝土界面、塔腳在混凝土中的腐蝕過程，認為塔腳-混凝土界面處易積灰保水的特殊結構是導致其局部腐蝕失效的主因。李新梅[10]等研究了塔腳修復用冷鍍鋅在酸性、中性及堿性條件下的電化學腐蝕行為，提出了應用要求；錢洲亥[11]等提出了一種應用于塔腳防腐的復層礦脂包覆防腐技術；高書田[12]等發明了一種用于高壓輸電鐵塔的防腐塔腳；Tiba[13]等開發了一種利用光伏供電的鐵塔基礎陰極保護方法。上述研究闡述了圖1（a）所示塔腳與混凝土交界面腐蝕機理，并提出了一些適用于銹蝕塔腳的防腐方案。然而，目前國內外對于圖1（b）所示的保護帽內塔腳隱蔽腐蝕這一現象，關于保護帽質量評估、塔腳腐蝕快速檢測、相關腐蝕機理等方面尚未見文獻報道。現階段僅采取對在役保護帽人工敲開抽檢，檢查后重新澆筑的方式，不僅費時費力，且存在大量資源浪費。

一般認為合格的混凝土澆筑后將會呈現強堿性，其內部鋼材將處于鈍化狀態而免遭腐蝕[14-15]。然而，一方面混凝土在大氣環境下會緩慢碳化[16]，其內部pH 值降低至11.5 以下后碳鋼將逐漸失去鈍化、發生腐蝕[15，17]；另一方面當混凝土品質不良時，因保護帽中存在的縫隙易于滯留水分及侵蝕介質，塔腳也將遭受腐蝕。因而，研究一種保護帽品質的快速評定方法，實現對新建及在役保護帽品質的快速檢測，判斷后續塔腳腐蝕風險；開發一種保護帽內鋼材腐蝕無損檢測技術，實現對于保護帽內塔腳金屬腐蝕的快速檢測，確定當前塔腳腐蝕現狀，將具有顯著的實用價值。

1 試驗內容

1.1 試驗內容及樣品

1.1.1 試驗內容

借鑒回彈法、超聲法等混凝土構件的品質評估技術[18]，研究簡便易行的鐵塔保護帽品質現場檢查評估方法，實現對混凝土保護帽強度、內部缺陷等的快速檢測。

基于線性極化法等鋼筋混凝土結構腐蝕測試技術[19]，研究混凝土保護帽內塔腳腐蝕快速測試方法，實現對保護帽內塔腳腐蝕速率等特征判定。

1.1.2 試驗樣品

制作塔腳混凝土結構件樣品（見圖2），通過調整混凝土強度、內部摻雜鹽類、泥土等條件（見表1），模擬保護帽的不同品質。所有結構件樣品在室溫箱做28 天養護之后開展各項測試工作，摻鹽試驗為混入占水泥相應質量分數的NaCl 鹽類，并攪拌均勻；摻土試驗為混入占水泥相應體積比的沙土，并適當攪拌，試驗過程中發現，土樣將下沉至混凝土下部。

圖2 塔腳混凝土結構件試樣

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土強度評估

對于塔腳保護帽結構，回彈法及超聲法測試區域及測試點分布示意見圖3。

表1 混凝土結構件試制參數

圖3 混凝土強度測試區域示意

計算平均回彈值時，應從該測區16 個回彈值中各剔除3 個最大值和最小值，將余下的10 個回彈值求均值[18]。

超聲測點布置在回彈測試的同一測區內，測試的聲時值精確至0.1 μs，聲速值精確至0.01 km/h，在每個測區內的相對測試面上，各布置3 個測點，測區聲速應按式（1）計算：

式中：L 為混凝土結構件測試面厚度；tm為3 次測量聲時值的平均值。

本實驗粗骨料為碎石，超聲回彈綜合法測試混凝土強度的計算公式[18]見式（2）。

式中：f 為混凝土推算強度；V 為聲速平均值；R為回彈平均值。

1.2.2 塔腳腐蝕速率測試

基于線性極化法的基本原理，改進傳統的混凝土內部鋼筋腐蝕速率檢測方法，設計一套全新的適用于混凝土保護帽-鍍鋅鋼界面腐蝕速率的檢測方法[20]；改進了測試裝置中的輔助電極形狀，明確了待測鋼材的測試區域范圍，從而有效降低了測試誤差。該方法適合于檢測如圖4（b）所示部分混凝土包裹、部分裸露的鋼材。測試系統及檢測位置見圖4。

圖4 混凝土內金屬腐蝕速率檢測系統及測試區域

腐蝕電流Icorr由測試裝置直接測得，但要計算腐蝕電流密度icorr，需確定陽極面積值。根據有限元軟件對不同輔助電極寬度與電力線在陽極區（工作電極）上的影響深度進行模擬。模擬結果顯示：以取90%的電流百分數所在的陽極區域作為確定陽極影響深度的依據，當取輔助電極寬度為20 mm 和40 mm 時，陽極上影響深度分別為60 mm 和65 mm，且在該范圍內影響深度隨輔助電極的寬度增加而增大。所以采用插值法，根據輔助電極的寬度l 來確定陽極影響深度d，計算公式如式（3）所示：

陽極面積A 可由式（4）確定：

式中：C 為塔腳角鋼截面周長。

鍍鋅鋼的鋅層鈍化后會有保護作用，其腐蝕電流密度很小；當鍍鋅層消耗殆盡、基體鋼材腐蝕后，其腐蝕電流密度才會顯著增加。故而，以腐蝕電流密度為評價指標，可依據表2 中混凝土鋼筋的腐蝕劃分原則，對鐵塔混凝土保護帽內部鋼材的腐蝕狀態進行評估[21]。

表2 塔腳腐蝕狀態判斷

1.3 計算軟件的開發

為獲得準確的定量結果，混凝土強度評估及塔腳腐蝕速率檢測均涉及較為復雜的計算，難以滿足現場快速評估要求。鑒于此，開發了一套鐵塔保護帽檢測數據處理軟件，包含保護帽品質分析模塊、塔腳腐蝕評估模塊，僅需輸入現場測試數據即可快速計算出評估結果。軟件模塊界面如圖5 所示。

2 結果與討論

2.1 保護帽品質檢查

利用超聲回彈綜合法對表1 中各混凝土構件進行強度評估，將測試結果以圖5（a）所示軟件計算，結果見表3。

如表3 所示，對于按不同強度澆筑的混凝土構件（編號1-3），超聲回彈法可較準確的評定其強度等級，這也證明了該方法在塔腳保護帽上的適用性。混凝土構件中加入鹽類后（編號4-5），對其強度影響不大；但摻入土樣等雜質后（編號6-8），混凝土強度迅速降低。

進行超聲測試時發現，對于摻有土樣的混凝土構件，當測試點遠離土層、接近或處于土層周圍時，其超聲測試值有明顯差異，結果見表4。

如表4 所示，當塔腳混凝土保護帽內摻有土層時，跨土層的聲速值為2～3 km/s；當不跨土層沿混凝土表面進行測量時，其聲速值均略大于4 km/s。可見，當保護帽存在內部摻土重大缺陷時，超聲測試可以便捷地判斷混凝土品質。

2.2 塔腳腐蝕速率測試

采用發明的保護帽塔腳腐蝕速率測試法對表1 中各混凝土構件中塔腳腐蝕速率進行測試，將測試結果以圖5（b）所示軟件計算，結果見表5。

圖5 保護帽品質及塔腳腐蝕檢測數據處理軟件模塊

表3 各混凝土結構件強度評估結果

如表5 所示，對于按不同品質制作的塔腳保護帽，本文所述的改進測試方法可較準確區分其腐蝕速率，這也證明了該方法對塔腳保護帽體系的適用性。 對于C20 以上強度的混凝土保護帽（編號1-3），內部塔腳腐蝕速率在短期內無明顯差異。加入了鹽類后（編號4-5），塔腳腐蝕速率明顯增大，說明侵蝕性鹽類可加快混凝土中金屬腐蝕。對于摻入土樣的保護帽（編號6-8），內部塔腳腐蝕速率最大，這與現場大量發現的表面以混凝土包裹、內部以泥土填充的保護帽中塔腳嚴重銹蝕現象相符。

表4 摻土結構件超聲測試結果km/s

2.3 現場測試結果

對某110 kV 輸電鐵塔的塔腳保護帽進行腐蝕評估，分別采用回彈超聲綜合法、改進線性極化法測試混凝土強度及保護帽內塔腳腐蝕速率，測試過程如圖6 所示。測試結果見表6 及圖7。

圖6 混凝土強度及塔腳腐蝕速率現場測試

如表6 所示，對于該基鐵塔的混凝土保護帽進行多點測試，發現該保護帽混凝土強度在7.9～10.2 MPa，低于鐵塔混凝土強度不低于15 MPa（強度C15）的一般要求[22]，可認定該保護帽品質不佳，其內部易形成腐蝕環境。造成保護帽品質不達標的原因主要有：保護帽服役后混凝土碳化而強度降低、保護帽內混有泥土等雜質而導致強度不達標。

表5 混凝土結構件內塔腳腐蝕速率

表6 混凝土強度現場測試結果

圖7 保護帽內塔腳極化曲線

通過解析極化曲線，測試得到的腐蝕電流為2.77×10-4A。利用公式（4）估算得到塔腳陽極面積為227.2 mm2，可計算得到塔腳腐蝕電流密度為0.12 μA/cm2，屬于“輕度腐蝕”等級。

對該基鐵塔保護帽進行敲開檢查，保護帽內部結構及塔腳腐蝕情況如圖8 所示。 由圖8 可見，保護帽內部存在沙土填充現象，并非全為混凝土材質，這也解釋了該保護帽強度測試結果不達標現象。同時，內部塔腳已出現銹蝕，但還未嚴重，也與塔腳腐蝕速率測試結果相符。檢測結果證明了本文所用檢測方法的準確性。

圖8 保護帽內部結構及塔腳腐蝕情況

3 保護帽內塔腳腐蝕機理

輸電鐵塔鋼材普遍采用鍍鋅層防腐，以延長鐵塔鋼材的大氣環境使用壽命[23]。鋅是兩性金屬，其電位-pH 圖如圖9（a）所示，當環境pH 值在6～13 時，鋅層表面可形成ZnO 保護膜。相似地，鐵的電位-pH 圖如圖9（b）所示，鋼材基體在強堿性環境中處于惰性狀態。當保護帽品質合格時，混凝土呈現強堿性[17]，其內部鍍鋅鋼材處于被保護狀態，腐蝕速率很低，表5 中1-3 號樣品的試驗結果也驗證了這一結論。

圖9 鍍鋅鋼塔腳的電化學性質

當保護帽由于長期服役風化、用材不合格等原因而品質不佳時，其內部容易出現縫隙等缺陷而滯留水分。這不僅將降低混凝土介質堿性，同時引入了雨水中和Cl-等侵蝕性介質，此時鋅材及鋼材表面保護性薄膜會被破壞[9]。塔腳鍍鋅鋼材的腐蝕包括鍍鋅層腐蝕、鋼材基體腐蝕等過程，以受到侵蝕作用為例，2 種材質的腐蝕反應包括：

鋅腐蝕主要反應為：

當鋅層被腐蝕破壞后，碳鋼基材腐蝕主要反應為：

由于劣化保護帽的保水作用，塔腳部位的鍍鋅鋼材將長期處于含有侵蝕離子的含水環境中，而鍍鋅層并不適合對水溶液中鋼材的防護。 因而，劣化保護帽內塔腳腐蝕進程將比曝露在大氣環境中的塔身部分更為嚴重[24]。這也解釋了現場發現的保護帽內塔腳腐蝕較外部更為嚴重的現象。提高保護帽強度及質量、對保護帽內塔腳部位涂刷防腐涂料等加強防腐，將是防治塔腳腐蝕、確保鐵塔塔腳服役安全性的關鍵措施。

4 結論

本文開發了一種混凝土品質檢測方法及塔腳腐蝕速率測試方法，并開發了數據處理軟件；通過對混凝土結構件樣品及現場塔腳保護帽的測試驗證，得到結論及建議如下：

（1）對于按不同強度澆筑的混凝土構件，超聲回彈法可較準確地評定其強度等級；混凝土構件中加入鹽類后，對其強度影響不大，但摻入土樣等雜質后，其強度迅速降低。該方法可準確判斷混凝土保護帽的品質，可用于新建及在役保護帽的質量監督；當保護帽存在摻土等嚴重內部缺陷時，也可單獨采用超聲法對其進行快速判斷。

（2）改進線性極化法檢測發現，強度在C20以上的混凝土保護帽內部塔腳腐蝕不明顯；而添加侵蝕性鹽類、摻入土樣的保護帽，其內部塔腳腐蝕速率明顯增加。該方法可準確測試保護帽內塔腳腐蝕速率，用于塔腳隱蔽腐蝕的快速判斷，可服務于在役塔腳防腐監督；實現以無損檢測方式減少保護帽破壞性抽檢工作，達到節約人力物力的目的。

（3）劣化保護帽容易出現縫隙而滯留水分，將降低混凝土介質堿性，同時引入了雨水中和Cl-等侵蝕性介質，是導致其內部塔腳隱蔽腐蝕的主要原因。由于劣化保護帽的保水作用，塔腳鍍鋅鋼材將長期處于有侵蝕離子的含水環境中，其內部塔腳腐蝕進程將比曝露在大氣環境中的塔身部分更為嚴重。提高保護帽強度及質量、對保護帽內塔腳部位加強防腐將是防治塔腳隱蔽腐蝕的關鍵措施。