海島強腐蝕環境下某變電站混凝土結構耐久性評估

吳 亮 俞鐵勇 張 軍 張 凱 毛江鴻

1. 中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司 浙江 杭州 310012；2. 國網舟山供電公司 浙江 舟山 316004；3. 浙大寧波理工學院 浙江 寧波 315100

變電站是現代工業基地的心臟，關系到基地能否正常運轉[1]。其中，土建工程優良的耐久性是保障變電站工作效能的基礎[2]。

由于我國東部沿海地區處于干濕交替的富氧鹽霧環境，氯離子侵蝕導致的混凝土結構銹脹開裂等一系列耐久性問題嚴重[3]。需注意的是，變電站運行過程中產生的雜散電流還將進一步加快氯離子的擴散[4]。

不少學者都針對沿海環境氯鹽侵蝕下的混凝土結構進行了耐久性評估的研究。仲偉秋等[5]結合Fick定律的泊松分布來描述氯離子侵蝕現象，并以港口為例進行氯離子侵蝕環境下混凝土結構的可靠度分析。

郝曉麗[6]建立了考慮氯離子擴散系數的時間依賴性及其他因素影響的改進氯離子擴散模型，提出了在近海區和浪濺區等相似環境下混凝土結構最小保護層厚度的建議值。吳瑾等[7]將混凝土表面氯離子含量和保護層厚度作為隨機變量，將擴散系數作為隨機過程，在傳統的Fick第二定律的基礎上提出了氯離子含量分布的隨機模型。針對沿海變電站工程的特殊性，耐久性評估需要考慮雜散電流對氯離子擴散的加速作用。

目前，考慮氯鹽-雜散電流雙重作用的耐久性評估研究報道較少。本文首先調研了某變電站的耐久性問題，檢測了混凝土保護層厚度以及氯離子質量分數等耐久性指標；然后，根據檢測結果，擬合得到該變電站服役條件下的實際氯離子擴散系數，運用Fick第二定律評估其耐久性；最后，提出了針對沿海已建變電站耐久性措施的建議。

1 混凝土結構耐久性檢測

對浙江省舟山市某220 kV變電站土建結構的腐蝕狀態進行工程調研，發現雖然該變電站服役不足2 a，在主變混凝土隔墻、混凝土屋面、室內混凝土墻柱和線路電纜室等部位均已發現可見銹坑、銹脹裂縫、保護層剝落等耐久性問題。基于此，檢測了混凝土保護層厚度、氯離子含量及分布等耐久性指標。

1.1 混凝土保護層厚度檢測

依據JGJ/T 152—2019《混凝土中鋼筋檢測技術標準》采用混凝土鋼筋檢測儀檢測土建結構的保護層厚度。主變基礎人字柱，消防室獨立柱和電纜室基礎檢測結果如圖1所示。

圖1 混凝土保護層厚度測試結果示意

由圖1可知，主變基礎人字柱、消防室獨立柱和電纜室基礎的實際檢測的最薄弱處保護層厚度分別為13、28、11 mm，而設計保護層厚度分別為25、45、45 mm。可以發現，各土建構件的實際保護層厚度均存在明顯低于設計保護層厚度的情況。

1.2 氯離子含量及分布檢測

氯離子含量檢測依據JGJ/T 322—2013《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》進行，評價指標為氯離子在膠凝材料中的質量分數。各構件的檢測結果如圖2所示。

由圖2可知，雖然該變電站的服役年限較短，室外結構如主變基礎人字柱由于受鹽霧、雨水等侵蝕，導致混凝土保護層表面氯離子含量較高。

2 土建結構耐久性壽命預測及分析

2.1 變電站耐久性壽命預測關鍵參數確定

對于處于沿海環境干濕交替區域的混凝土結構，Duracrete[8]提出的經驗方法認為，在0～Δx（Δx為對流區深度）范圍內的對流擴散區域中主要發生由孔隙液流動造成的氯離子對流，而在其余區域內以氯離子含量擴散作為主要滲透方式，在純擴散區域（即：x≥Δx），氯離子在混凝土中的擴散行為可以用Fick第二定律[9]描述〔式（1）〕：

式中：erf(·)——高斯誤差函數；

x ——距混凝土表面的深度；

C0——混凝土初始氯離子質量分數；

Cs——混凝土10 a穩定期表面氯離子質量分數；

Dapp——表觀氯離子擴散系數。

假定混凝土中的初始氯離子質量分數為0；根據已有研究[10]，Δx可取為10 mm；對于處于地上大氣區的主變基礎人字柱，其10 a穩定期的表面氯離子質量分數可取0.9%，對于處于室內潮濕環境的電纜室基礎和消防室獨立柱，其10 a穩定期的表面氯離子質量分數可取0.8%[10]；根據DB33/T 1128—2016《浙江省工程建設地方標準》，混凝土內鋼筋銹蝕的氯離子質量分數閾值取為0.15%。

式（1）中，表觀氯離子擴散系數Dapp反映了氯離子在混凝土中的擴散速度，與混凝土材料性質以及服役環境有關。表1為基于氯離子擴散的主變基礎人字柱、消防室獨立柱、電纜室基礎的壽命分析結果。

結構部位 Dapp/（mm2·a-1）設計保護層厚度/mm 60 a所需厚度/mm實際最薄弱保護層厚度/mm構件實際壽命/a是否滿足要求主變基礎人字柱 186.05 25 24.4 13 3.8 不滿足消防室獨立柱 319.30 45 43.0 28 6.6 不滿足電纜室 基礎 271.93 45 37.5 11 2.7 不滿足

2.2 主變基礎人字柱的壽命分析

主變基礎人字柱的壽命預測過程如圖3所示。主變基礎人字柱保證使用壽命60 a所必需的最小保護層厚度為24.4 mm，而在最薄弱保護層厚度13.0 mm下的實際耐久性壽命僅為3.8 a。

2.3 消防室獨立柱的壽命預測分析

消防室獨立柱的壽命預測過程及結果如圖4所示。消防室獨立柱保證使用壽命60 a所必需的最小保護層厚度為43 mm，按照實際最薄弱保護層厚度28 mm來計算，實際的耐久性壽命為6.6 a。

2.4 電纜室基礎的壽命預測分析

電纜室基礎的壽命預測過程如圖5所示。電纜室基礎保證使用壽命60 a所必需的最小保護層厚度為37.5 mm，而按最薄弱保護層厚度11.0 mm來計算，實際耐久性壽命僅為2.7 a。

2.5 分析結果

通過對實測的氯離子含量分布曲線進行擬合，可得到變電站實際服役條件下的Dapp，參見表1。從表1可以看出，各處的Dapp差別較大，一方面是由于各部位所用混凝土材料不同，另一方面可能是由于各處雜散電流的影響不同。

根據壽命預測結果可以發現，設計方案中各土建構件的保護層厚度能滿足60 a設計使用壽命的要求。然而，實際工程中由于存在保護層偏差，實際檢測的最薄弱處的保護層厚度均明顯低于設計的保護層厚度，造成了局部薄弱區的出現。為保證土建部分60 a的設計使用壽命，需要及時采取相應的耐久性措施，如增補混凝土保護層厚度、涂敷防腐涂料或電化學修復等。

3 結語

1）對沿海環境下某220 kV變電站土建結構的耐久性劣化情況進行工程調研及檢測發現，雖然服役時間不足2 a，變電站土建部分已出現了鋼筋銹蝕、混凝土開裂剝落等耐久性問題；外界環境作用導致混凝土保護層表層氯離子含量較高，是鋼筋銹蝕的主要原因。

2）主變基礎人字柱、消防室獨立柱及電纜室基礎等土建構件實測耐久性指標及分析結果顯示，各構件最小的保護層厚度分別為13、28、11 mm，對應的實際耐久性壽命分別為3.8、6.6、2.7 a，遠不滿足耐久性要求。

3）混凝土保護層厚度對壽命的影響極大，較小的誤差就會導致耐久性壽命的顯著降低，施工過程中應嚴格控制混凝土保護層的厚度。