強腐蝕地區輸電線路腐蝕及監測防護的研究現狀

周經中,何學敏,孫闊騰,黃松強,蔡瑋辰,趙忠賢,趙遠濤,李文戈

(1. 中國南方電網有限責任公司 超高壓輸電公司柳州局，柳州 545006； 2. 上海海事大學 商船學院，上海 201306)

腐蝕，這一全人類共同面對的問題，涉及資源消耗、環境污染、人類健康等諸多問題。腐蝕產生的重金屬離子會污染土壤、植物、水，同時還會威脅人類健康。據統計，2014年由于腐蝕引起的經濟損失約占各國每年GDP的3%～5%，我國腐蝕總成本約為GDP的3.34%，腐蝕代價大于所有自然災害損失的總和[1-2]。隨著我國大型基礎設施建設的快速發展，這一數據仍會不斷上升。

近年來，我國電力事業不斷發展，承載電力輸送任務的輸電網線路建設里程也快速增長，為使輸電設施具有輕自重和高支撐強度的優點，結構件多采用鍍鋅鋼、碳鋼、鋁線等金屬材料，但這些設施多暴露于戶外露天環境中，常年遭受不同自然條件的侵蝕[3]。輸電網線路各部件的腐蝕與損耗較為廣泛，且很難進行全天候管理，這嚴重威脅了輸電設施的運行安全，嚴重時甚至會造成人員傷亡[3-4]。同時，不同于內陸地區，我國南方沿海地區由于特殊的氣候原因，導致該地區的大氣環境濕度和溫度相對較高，且隨著工業的不斷發展，逐漸形成了典型濕熱工業的強腐蝕環境，使該地區的金屬構件較易發生嚴重腐蝕[3-4]。

在內陸干旱地區，由于大氣中的水含量較低，輸電設施的腐蝕較為緩慢，加之防護手段的作用，其有效服役時長一般可達20 a。但在一些強腐蝕地區，尤其是沿海重污染地區，腐蝕條件惡劣得多，大氣中水蒸氣含量較高，且含有較高濃度的酸性離子和鹽，較易穿透防護層對基材造成快速侵蝕，這極大地縮短了構件的服役期限[5]。因此，對輸電設備的腐蝕和損耗狀況及時進行監測診斷，及時準確評估設施的安全性對其安全穩定運行具有重要意義。本工作通過實地勘察描述了高污染地區輸電設施的腐蝕狀況，并針對其主要監測技術的發展進行了總結分析。以期為今后強腐蝕地區輸電系統的安全服役提供借鑒。

1 強腐蝕地區的腐蝕氣氛影響

1.1 強腐蝕地區的大氣環境

隨著國民經濟的增長，工業生產的日益頻繁和居民生活排污的增加，導致大氣中SO2、NO2、H2S等氣體的含量增加，加速了大氣腐蝕。在沿海地區，溫度、濕度及鹽分對大氣腐蝕也有顯著影響[6-7]。另外，大氣中的塵土粉體顆粒等固體污染物也是加速大氣腐蝕的一個重要因素[8-10]。近些年，資源型經濟地區由于資源過度消耗，致使當地環境遭到前所未有的破壞，重污染天氣指數呈直線上升趨勢，具有持續時間長、影響范圍廣等特點。因此，各地區針對其大氣污染的監控和防治工作也受到了廣泛關注，并逐漸開展了監測研究。

夏志勇等[11]于2016年研究了濟南市大氣重污染期間的空氣質量及其污染物組分特征，結果表明，濟南市受工業污染影響，市轄區空氣污染物濃度是清潔對照組的三倍，污染程度較高，水溶性離子濃度由高到低依次為SO42->NO3->NH4+>Cl->K+>Na+>Ca2+>F-，且大氣中SO2和NO2的二次氧化程度較高。

徐義邦等[12]于2016年1月對南昌市主要的大氣污染過程及其污染物(PM2.5)進行了綜合分析，結果發現重污染時段PM2.5主要組成為SO4-、NO3-以及NH4+，三者濃度占比高達42.1%(質量分數)，大氣污染物中有機碳(OC)的質量分數為4.73%，wNO3-/wSO42-均值為0.85，明顯高于正常的0.56，重污染期間各污染物具體質量濃度和空氣質量指數(AQI)如圖1所示。

(a) 污染物濃度

(b) AQI圖1 污染物濃度及AQI監測數據Fig. 1 Contaminant concentration (a) and AQI (b) monitoring data

洪茜茜[13]采用被動式多軸差分吸收光譜技術(MAX-DOAS)對長三角地區大氣污染物，開展了持續數年的監測研究，分析了其時空分布和演變規律。結果表明長三角地區由于工業發達，污染排放也相對較重，大氣環境中的酸堿性氧化物如NO2、SO2等濃度偏高，分析認為，高濃度的NO2、SO2多出現在長江流域主要工業園的下風位置，這是因為該地區排放的污染物在下風地區積聚。

1.2 大氣污染物對輸電設施的腐蝕影響

上述大氣污染物的存在加劇了重污染地區腐蝕環境的惡劣程度，對該地區的鋼結構、金屬設施等構件造成了嚴重的安全威脅，較大地加速了其腐蝕進程。

高巖等[14]基于廣東、廣西、貴州等地區輸電線路的建設情況，選取了城市、工業污染、海洋及鄉村4種大氣環境，開展了為期1 a的實地輸電線路大氣腐蝕行為研究，結果顯示，工業污染地區腐蝕影響最重，海洋次之，鄉村最輕，說明污染大氣環境的腐蝕程度較單一海洋大氣環境的更加惡劣。圖2所示為廣東茂名和云浮兩地的工業污染大氣環境的腐蝕監測點數據圖。兩組數據的采集點分別位于火力發電廠污染區和水泥廠污染區周圍，污染區中心位置酸性氣體質量濃度分別高達13.1 μg/m3和16.3 μg/m3，屬于C3及以上腐蝕級別(腐蝕等級按照腐蝕嚴重性由高到低一般分為C1～C5級)。

陳文娟等[15]采用循環干/濕模擬腐蝕增重試驗、電化學試驗等研究了SO2對鋼結構腐蝕行為的影響。結果表明，薄液膜較易吸附SO2形成H2SO3，進一步氧化成H2SO4，腐蝕溶解金屬基材及其腐蝕產物，形成孔洞，使腐蝕介質更易穿透銹層接觸基材，加速腐蝕進程。在SO2達到較高濃度后腐蝕產物轉化為較為致密的γ-FeOOH，腐蝕減緩，但隨時間的推移仍會產生分層、孔洞。

(a) 茂名 (b) 云浮圖2 茂名和云浮兩地的腐蝕情況統計結果Fig. 2 Statistic results of corrosion in Maoming (a) and Yunfu (b)

劉爽等[16]為研究重工業污染和城市環境中鐵塔的腐蝕情況，對實際運行的熱鍍鋅輸電鐵塔取樣，借鑒GB/T 8923.1-2011的評價方法,對e級污區大氣環境中基材的腐蝕情況進行評價。結果顯示，塔材的表面形貌不一，說明鐵塔在強腐蝕環境中的腐蝕程度也不同，總體可分為輕腐蝕、部分腐蝕和完全腐蝕，且都存在不同程度的鍍鋅層消失，完全腐蝕區基材已全部裸露，需要進行維護。

葛兆軍等[17]采用力學試驗和形貌表征等手段研究了試制高強高韌耐候鋼在良鄉、曹妃甸、平潭及永泰四地的腐蝕行為，結果表明，耐候鋼試樣在北方地區的腐蝕情況較為輕微，這是因為該地區大氣污染物主要為SO2等酸性物質，在腐蝕過程中會形成新的保護層；而南方沿海地區的大氣中Cl-濃度較高，這使耐候鋼失去自修復能力，短時間內即發生快速腐蝕。

上述研究結果表明，工業污染環境的形成主要是煉化企業等高污染企業在工業生產過程中持續性排放積聚廢氣和粉塵等污染物。相較于普通大氣環境，重污染大氣腐蝕環境更為惡劣，該區域輸電設施的腐蝕速率和腐蝕程度都進一步加深。其中,受濕熱氣候和污染物共同影響，南方工業污染地區，尤其是濱海地區輸電設施的腐蝕廣泛且嚴重。

2 輸電設施的腐蝕情況

我國疆域遼闊、地區資源分布和發展不平衡，而能源供應是制約均衡發展的重要因素之一，為實現 “西電東輸、全國聯網”的總體發展規劃，輸電等重大基礎工程的建設顯得尤為重要。截至2017年末，全國220 kV及以上輸電線路總里程已經達到68.78萬km，并且到2020年這一數據或將超過159萬km。但在輸電設施大規模建設的同時，出現了更大規模的輸電設施腐蝕，這無疑給輸電設備帶來了嚴重的威脅。

輸電線路架設于地面上，由導線、桿(鐵)塔、金具和絕緣子等組成，跨越各種地形地貌、環境和氣象區域，暴露在戶外的輸電線路受到工業大氣和各種環境介質的影響，桿(鐵)塔、金具和絕緣子的鋼腳鐵帽的鍍鋅層會受到腐蝕破壞，失去保護作用。

2.1 輸電導線及其他導線

輸電導線是發電廠、輸電站以及用戶之間的橋梁，擔負著輸送電能的重要功能，是輸電設施中的重要一環。現階段，世界上廣泛使用鋼芯鋁絞線制造導線[17]，年產量超過一百萬噸[18]。除導線外，輸電設施還包括地線、拉線等其他線路，這些輔助線路主要起到避雷和固定設施的作用，該類線路主要采用鍍鋅鋼絞線為原材料[19-20]。在工業大氣和海洋大氣等強腐蝕環境中，輸電線路的腐蝕是造成線路早期失效的主要因素之一。根據電網公司數據統計，在強腐蝕環境中的，輸電線路的有效服役期限較在普通大氣環境中的降低5～10 a，遠低于20～25 a的預期使用壽命，對輸電線路整體服役情況造成很大影響，也加大了線路防護的工作量[20-24]。

上世紀九十年代建設運行的高山-北輸電線路服役僅6 a,部分輸電設施即出現腐蝕現象，其中輸電導線部分的腐蝕最為嚴重，材料表面出現黑色產物，且內部腐蝕較重，這大大縮短了其服役年限甚至使其接近失效。

對輸電線路架空導線腐蝕行為及其防護措施的研究早已經成為輸電技術研究的關鍵內容之一，雖然很早就開展了相關研究，但由于復雜性和不確定性，有效的解決方法仍未尋到。

祝志祥等[21]通過詳細分析架空鋁導線的腐蝕原理、腐蝕過程及腐蝕形式，對架空鋁導線的腐蝕行為做了較為全面的總結:根據服役環境的差異，架空鋁導線的腐蝕形式，腐蝕程度和原因也有所區別，常見的腐蝕類型有電化學腐蝕、化學腐蝕以及間隙腐蝕等。對湖南、四川等地區的實地勘察發現，濕熱、工業污染等強腐蝕地區的腐蝕現象較為廣泛，內部腐蝕程度較深，此環境中的腐蝕產物主要為白色結晶體，其成分主要為Zn及Al的氫氧化物、硫酸鹽及氯化物等復式鹽，見圖3。

馬崇等[22]采用電化學試驗研究分析了服役不同時間鋼芯鋁合金絞線的耐腐蝕情況。結果表明，長期服役于大氣環境的輸電導線表面都會形成一層氧化膜，具有延緩腐蝕的作用。部分鋁芯絞線服役13 a后的腐蝕速率明顯減弱，此時氧化膜的耐腐蝕效果最為明顯，而鋼芯絞線則在服役50 a后，表面氧化膜的作用才較明顯。

張旭等[23]對某架設施工中的輸電線路進行勘察，發現所用鋼芯鋁絞線在未進行架空操作時即發生如圖4所示的腐蝕現象，采用XRD、EDS及SEM等方法對腐蝕導線進行了理化檢驗，并分析了腐蝕行為。結果表明，在受污染大氣環境中，受酸雨等因素的影響，腐蝕產物中形成了較多的硫酸鹽，且鋼芯基體中FeCl3第二相粒子對鋁絞線的腐蝕起到了促進作用。認為通過控制鋁絞線中的鐵元素含量可以有效提高導線的耐蝕性，潮濕的環境，尤其是酸雨也是造成導線嚴重腐蝕的關鍵因素。

石鵬等[24]對輸電線路設施中拉線的服役和銹蝕情況進行了研究，重點關注了環渤海灣地區輸電拉線的腐蝕及防護現狀。結果顯示，沿海地區輸電線路拉線由于處理程度不同，其腐蝕情況也不同。輸電設施多處于高污染地區，普遍遭受大氣環境、土壤及雨水侵蝕，其中腐蝕多集中于地面以上30～50 cm的區域，輕微腐蝕多表現為表面出現浮銹，重度腐蝕則會出現直徑大幅減少，形成井口狀銹蝕環帶，在較大拉力作用下較易發生斷裂甚至銹斷。

(a) 鋁絞線

(b) 鍍鋅鋼芯線圖3 導線的腐蝕形貌Fig. 3 Corrosion morphology of wires: (a) aluminum conductor; (b) standard galvanized wire

圖4 酸雨腐蝕區某導線的失效形貌Fig. 4 Failure morphology of a single wire in an acid rain corrosion zone

2.2 輸電桿塔

不同于其他輸電設施，輸電桿塔承載著整條輸電線路，一旦因腐蝕發生倒塌，將會對該條輸電線路造成致命的影響。2008年南方出現極端冰凍天氣，使得輸電線路被冰雪覆蓋，造成輸電塔架大面積倒塌，損失慘重。這一方面是由于塔架載重激增，另一方面就是因為塔架由于腐蝕導致承重能力下降。為此，研究塔架腐蝕情況已成為鋼結構腐蝕與防護領域最重要的部分之一。

孟曉波等[25]模擬研究了海岸-工業環境中輸電桿塔材料Q235、Q420、SQ420NH以及Q235鍍鋅鋼的大氣腐蝕行為。結果表明，由于受到持續工業污染，我國大量沿海地區的大氣環境逐漸成為一種海岸-工業污染復合的大氣環境，如湛江，珠海等。四種輸電桿塔常用材料在試驗過程中都發生了較為快速且嚴重的腐蝕，腐蝕起始時間普遍較早；鍍鋅鋼的腐蝕速率最低，但也只有72 h即完成了腐蝕。同時，整個過程伴有較高濃度的Cl-沉積，并存在SO42-參與腐蝕，腐蝕情況較為嚴重，出現大量深度腐蝕坑，腐蝕產物呈現較為稀疏易脫落的特征。

蔣武斌等[26]通過掃描電鏡、X射線衍射、失重法等手段研究了南方電網主要桿塔材料Q235、Q345鋼以及鍍鋅鋼在海洋大氣環境中的初期腐蝕行為。結果表明，Q235和Q345兩種基材的初期腐蝕行為較為相似，Q235鋼的腐蝕速率略低于Q345鋼的，兩者的腐蝕產物均為疏松多孔的γ-FeOOH和α-FeOOH，海洋大氣中的鹽分促進了腐蝕產物的形成，明顯加速腐蝕進程。鍍鋅鋼由于氧化膜的生成,腐蝕速率和腐蝕程度均較低，說明鍍鋅層具有一定的耐腐蝕效果。

作為輸電線路中的主要支撐結構，輸電鐵塔主體采用大量的鋼結構，以達到減重增強的目的，而普通鋼結構自身耐蝕性較差，所以需對輸電桿塔進行表面防護處理，國內一般多采用表面熱鍍鋅技術。熱鍍鋅涂層在大氣中的腐蝕速率約為碳鋼的1/15，通過物理隔離基材與大氣環境和犧牲陽極兩種途徑可以減緩腐蝕。在非強腐蝕環境中，鍍鋅層表面由于液膜的存在會形成Zn(OH)2，而與空氣接觸后又與CO2反應生成致密穩定的碳酸鋅保護膜，防止基材與外界接觸發生腐蝕，該條件下，熱鍍鋅涂層可以有效起到防護基材的作用。但對于服役于工業污染、海洋大氣或其他強腐蝕環境的輸電塔架，該類涂層的耐蝕效果會明顯下降[27-28]。表1所示為日本關于熱鍍鋅層在大氣環境中的腐蝕情況統計結果。

王勁等[29]研究了鍍鋅鋼在模擬廣州工業污染區濕熱大氣環境中的腐蝕行為。結果表明，整個腐蝕分為兩個過程，腐蝕初期腐蝕速率較快，銹層薄，質松多孔，附著力差，隨著腐蝕的進行，腐蝕速率逐漸降低，腐蝕產物積累較多，連續且完整，形成與基體結合相對緊密的內銹層，產物組分主要為鋅的氧化物、水合物以及鋅鹽等。酸根離子如Cl-、SO42-、CO32-等對鍍層影響較大。

研究發現，鍍鋅層在腐蝕初期發生氧化反應，產物為“白銹”，而在濕熱大氣環境中，隨著服役時間的增加，白銹會進一步與大氣中的酸性氣體反應，鍍層失去金屬光澤，形成深色產物，即“黑斑”，鍍層保護作用減弱甚至消失，之后鋼基體發生腐蝕，逐漸有紅色產物，即“紅銹”生成。

閆風杰等[30]研究了不同環境中鍍鋅鋼結構件的典型腐蝕特征，結果表明,隨著鍍鋅鋼結構件服役時間的增加，腐蝕也隨之加重，重工業區的結構件服役10 a后鍍鋅層顏色變深，失去金屬光澤，12 a后部分區域開始出現紅色銹蝕點，且鍍層厚度減少80%以上，服役15 a后結構件表面出現大面積深度腐蝕,見圖5。

原徐杰等[31]研究了干濕交替條件下鍍鋅層輸電桿塔在NaCl,NaCl+NaHSO3混合體系中的腐蝕行為。結果表明，鍍鋅層在兩種環境中均會發生腐蝕，且隨著腐蝕的進行，腐蝕速率逐漸增大，在NaCl與NaHSO3混合體系中的腐蝕更為嚴重。

上述研究表明，未進行任何處理的低碳鋼結構件如Q235、Q345等在濕熱工業-海洋大氣等強腐蝕環境中較易發生腐蝕，此類輸電桿塔的服役年限較短。而常用鍍鋅鋼結構桿塔的服役年限相對較久，但在不同環境中，腐蝕程度也相差較大。在強腐蝕條件下，鍍鋅結構在長期服役過程中也會被酸堿性氣體腐蝕。現階段，強腐蝕環境中，輸電桿塔的腐蝕現象較為廣泛，且危害較大。

表1 熱鍍鋅層的大氣暴露腐蝕試驗結果Tab. 1 Exposure corrosion test results of hot-dip galvanized layer in atmospheric exvironment

(a) 0 a (b) 2 a (c) 5 a

(d) 10 a (e) 12 a (f) 15 a圖5 重工業區塔桿服役不同年限后的腐蝕形貌Fig. 5 Corrosion morphology of towers in heavy industry area after different years of service

2.3 金具

電網金具通常包括各類線夾、U型螺栓、吊架、絕緣子的掛板(環)及導線壓接管等金屬附件，主要起到連接、支撐以及保護等作用，在輸電線路中被廣泛使用，金具的運行狀況直接影響著輸電線路的傳輸效率和運行安全[32]。在相同條件下,金具本身的特點使其腐蝕速率高于桿塔和導線的，這是由于大多數金具在工作狀態下承載著較大的應力，屬于應力集中構件，同時還有較大電流通過，且存在較多邊角縫隙，腐蝕和磨損共同產生正交協同作用，所以在服役期間常發生磨損、腐蝕等失效行為。

金哲等[33]于2011年在對江孱一二回進行巡檢時發現，因服役時間較長加之通過較大電流，工作溫度較高，6號和11號桿塔地線金具均在連接部位發生嚴重磨損、鋼火退化及鍍鋅層銹蝕脫落等失效行為。

洪毅成等[34]于2016年對某220 kV輸電線路進行檢修,發現一處鐵塔的直角掛板彎頭部位出現斷裂失效現象，對該失效構件進行檢測，顯示幾個斷口處均出現硫、氯、鉀等常見腐蝕性元素，其中兩處有較高含量的鋅元素，斷裂處有明顯的穿晶裂紋及擴展痕跡，分析認為在沿海山區中，在腐蝕介質和拉應力的共同作用下彎頭處發生腐蝕疲勞斷裂。

張萬友等[35]研究了輸電線路合成絕緣子端部金具的腐蝕行為，同時分析了離子侵蝕對金具腐蝕的影響。結果表明，影響鍍鋅層腐蝕的因素由強到弱依次為Cl-、CO32-、HSO4-。

陳軍君等[36]研究了廣西、湖南等地受污染區域金具的腐蝕情況，結果表明，工業污染大氣環境內的金具雖然有鍍鋅層的保護，但依然發生了較嚴重的腐蝕，腐蝕產物為多種紅褐色鐵腐蝕產物的組合，鍍鋅層中鋅的質量分數僅為13.03%，硫和氧元素含量大幅增加。分析認為，工業污染大氣中高含量的硫對金具的腐蝕起到了關鍵作用，鍍鋅層在此環境中的腐蝕速率為在一般大氣中的6～7倍，拉應力和微動摩擦也促進了腐蝕。

3 腐蝕監測防護技術應用

腐蝕是自然發生的，其進程會隨時間的延伸朝不同方向不斷發展。同時，在金屬防護技術不斷發展的今天，腐蝕的發生與發展已處于一個相對緩慢的狀態。如果人們可以對輸電設施的服役狀態進行較為全面、及時準確的檢測，那么腐蝕的發生及其發展就可以得到有效監控，這有利于更快更好地對輸電線路中的金屬構件進行維護和保養，不僅有效減輕腐蝕對線路造成的危害，更延長了構件的服役年限和安全運行效率，避免發生意外事故。所以，各地區電網部門對輸電設施監測技術的發展成為腐蝕防護的關鍵一環，對電網的安全高效管理具有重大意義。

在現代輸電線路維護工作中，人工巡查監視的監測模式仍最為普遍，但該模式在信息獲取、實施條件以及工作效率等方面存在較多問題，而且會威脅管理人員的自身安全[37]。自2008年南方冰災事故后，國家引進并強制執行了輸電線路的檢測，以確保輸電線路的穩定安全運行。現階段，真正實際應用的監測方法主要有渦流探傷法、熱象顯示用熱溫線圖、圖像處理技術以及聲發射技術等。

劉東生等[38]應用聲發射技術檢測高壓輸電塔錨桿的腐蝕，近幾年該技術在無損檢測領域興起，并被廣泛關注。目前多用于傳統大型結構件的損傷腐蝕等。聲發射技術可以將錨桿結構簡化研究，在瞬態激振作用下，腐蝕位置返饋發射信號至錨桿自由端，使傳感器發生位移，并將位移轉化為電信號傳輸記錄。對接收的聲發射信號進行時頻分析和小波測試分析后發現，信號頻率、能量與腐蝕行為有著較強的相關性，聲發射技術能夠在腐蝕檢測中有效應用。

梁華貴等[39]介紹了在線監測警示設備在輸電線路上的應用情況，目前多采用光電法激光探測技術來對線路的運行狀態和腐蝕等形式的破壞進行監測。該技術在供電狀態下，可以對輸電線路及其周邊的情況進行不間斷監控傳輸，將圖像實時傳輸至終端，當激光檢測到異常情況后即會向管理人員發送處理通知。

史天如等[40]研制了基于電偶探針技術的腐蝕檢測方法，并將其應用于目標線路。該方法是將傳感器采樣信號轉換為腐蝕數據信息實時監測并在線遠程傳輸，同時，通過試驗研究了大氣環境和實驗室條件下的腐蝕電流值和污染物對臨界濕度的影響，考察了該方法的可行性。結果表明，探頭具有電偶腐蝕的高靈敏性，適用于有機涂層下的早期復試監測。

梁皓瀾等[41]建立數學模型并成功應用在線路腐蝕監測領域。在不考慮火花效應影響的情況下，在低頻和高頻下建立接地導電體分布參數的數學模型，借助MATLAB模擬通過研究電流頻率和阻抗分析不同腐蝕情況下導線的接地電感變化規律，進而判斷出接地體各部分的腐蝕情況，更有效地檢測了輸電線路的工作狀態。

4 結束語

輸電設施中的金屬結構件在沿海、工業污染等強腐蝕地區服役的過程中,由于離子滲透等多方面影響會快速發生較為嚴重的腐蝕，而且不同環境不同部位的腐蝕程度仍有所區別，因此，針對輸電設施的腐蝕行為應該進行更加全面且深入的研究。同時，隨著電網線路的不斷延伸，為保障輸電線路的安全穩定運行，應加快輸電線路監測系統的在線化和智能化進程以及強化防護手段，更好地應對腐蝕對輸電設施帶來的威脅。