電網設備金屬部件的腐蝕與防護

樊平成，李 軍，李 龍，陳 浩

(1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.巴彥淖爾電業局，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 引 言

金屬材料廣泛應用在電力系統輸電、變電、配電過程中。如果電網設備在工業污染嚴重以及潮濕的環境中運行，金屬部件的腐蝕速率將明顯加快。一旦這些金屬部件發生嚴重腐蝕，電網設備將無法正常工作，進而導致大規模停電，存在著重大安全隱患[1]。因此，金屬部件的腐蝕防護對于確保電網的安全穩定運行有著極其重要的意義。

近年來，學者們對電網設備中金屬部件的腐蝕和防護進行了大量的研究,并在該領域取得了巨大的成就。郝文魁等[2]研究了沿海工業環境中變電站電流互感器用鋁合金接線板的腐蝕行為和機理，并得出結論，大氣中的氯離子和硫化物是導致線路板晶間腐蝕的主要因素。譚曉蒙等[3]研究了典型工業區域鍍鋅鋼鐵部件的腐蝕規律，并認為硫是金屬部件腐蝕的關鍵因素。陳國宏等[4]研究了高壓輸電耐張線夾的腐蝕行為，發現耐張線夾的腐蝕速率受腐蝕液的pH值及溫度等因素影響。陳彤等[5]總結了輸電網中鍍鋅金屬部件銹蝕的原因和相關的防護方法，并提出了通過采用合理的涂層和電化學方法可以提高其防腐性能。

針對典型的電網設備金屬部件(如電氣設備的接地扁鋼，混凝土電桿的拉線棒，懸瓶的球頭掛環等)，通過不同的物理和化學測試方法對其進行了深入的研究分析。同時，系統地研究了這些金屬部件的典型腐蝕機理和腐蝕行為，并提出了相應的防護措施，為電網設備的安全運行和維護提供了技術支持。

1 接地連接件

1.1 腐蝕機理

接地電網金屬部件的正常使用是電網、電氣設備安全運行的重要保障，變電站的接地電極通常由鍍鋅扁鋼制成。接地扁鋼由于長期埋設于土壤中，腐蝕不可避免[6]，從本質上講，土壤腐蝕可被視為電化學腐蝕。由于土壤顆粒組成的固體骨架中充滿空氣、水和不同的鹽類以及土壤多相性、不均勻性，金屬材料通過土壤介質進行離子交換形成宏觀腐蝕電池，不同部位間產生電位差。此外,金屬材料由于自身組織的不均勻性，會與接觸的土壤介質形成腐蝕微電池。

1.2 腐蝕失效案例

在對220 kV變電站進行巡檢時，發現某220 kV設備區水平接地扁鋼由于腐蝕而嚴重生銹，其宏觀形貌、SEM形貌和能譜分析如圖1所示。可以清楚地看到，接地扁鋼表面鍍鋅層已完全脫落并發生嚴重銹蝕，部分區域腐蝕產物已脫落，未見明顯機械損傷及塑性變形。腐蝕產物呈層片狀分布在接地扁鋼表面且腐蝕產物表面存在大小不一的顆粒并伴有少量腐蝕孔洞，表層腐蝕產物呈黃褐色，內層腐蝕產物呈紅褐色。接地扁鋼腐蝕產物的主要成分為Fe、O、S、Cl，應為鐵的氧化物、硫酸亞鐵和氯化鐵；其中的Si主要以氧化硅的形式存在，應為砂石吸附在接地扁鋼表面所致。

圖1 接地扁鋼宏觀形貌、SEM形貌和能譜分析圖

該220 kV變電站位于化工園區內，含有二氧化硫、硫化氫、氯化氫等腐蝕性介質的煙塵因工業生產不斷被排放至大氣中，導致變電站周圍土壤中的硫酸根離子和氯離子含量較高，硫酸根離子和氯離子對土壤腐蝕有促進作用，其含量越高，腐蝕性越強。這是因為一方面氯離子因半徑較小，對鈍化膜穿透力極強且容易被金屬表面吸附，對鈍化膜的破壞作用極大[7]；另一方面，如果生成的二價鐵離子不能及時擴散到土壤中而積累于陽極表面，陽極反應就會因此受阻。氯離子與二價鐵離子反應生成氯化亞鐵，游離態的氯離子會反復作用生成新的二價鐵離子，并能透過金屬腐蝕層和碳鋼生成可溶性產物，加快陽極的金屬腐蝕過程，這些因素對接地扁鋼的土壤腐蝕具有促進作用。

1.3 預防措施

1)在熱鍍鋅接地扁鋼投入使用前加強對鍍鋅層質量的檢測和控制，并在確保尺寸精度的前提下，盡可能增加鍍鋅層的厚度。對電網設備中已投入使用的熱鍍鋅接地扁鋼的鍍鋅層質量進行全面測試，對存在問題的熱鍍鋅接地扁鋼及時更換。

2)增加扁鋼的截面積或引入銅和銅包鋼代替碳鋼作為接地材料可有效提高耐蝕性并延長接地網的使用壽命。為有效降低接地電阻，防止接地扁鋼腐蝕，在接地網改造時使用高效膨潤土防腐降阻劑以降低接地電阻和提高防腐蝕性能。

2 拉線棒

2.1 腐蝕機理

電網設備中的金屬部件諸如鐵塔斜拉桿、混凝土電桿拉線棒等，由于埋入地下的部分較深，通常易發生氧濃差腐蝕。這是因為在不同深度的土壤中，其孔隙度和濕度均存在明顯差異。從地表滲入土壤顆粒縫隙間的氧氣，在表層干燥的沙土中，氧氣更容易滲透，所以氧氣濃度較高；而隨著土壤深度的增加，在潮濕而致密的黏土中，氧氣滲透困難，氧氣濃度明顯降低。因此，由于氧濃度的巨大差異，埋在土壤中的金屬部件在氧濃差電池的作用下被腐蝕。

2.2 失效案例分析

在某輸電線路中，由于氧濃差電池腐蝕，用于混凝土電桿的拉線棒斷裂，其宏觀形貌、微觀金相和能譜分析如圖2所示。

圖2 拉線棒的宏觀形貌、微觀金相和能譜分析圖

拉線棒發生斷裂且腐蝕嚴重，但沒有明顯的拉長變形，除斷裂處外，拉線棒埋設于土壤中的部分均存在不同程度的腐蝕損傷。同時，被腐蝕的拉線棒表面鍍鋅層已全部缺失，有許多腐蝕坑，棕色腐蝕產物主要含有鐵和氧，沒有其他元素，應為氧化鐵。這是由于拉線棒埋設于土壤中的部分產生氧濃差電池腐蝕，與氧濃度高的土壤接觸的部分稱為宏觀腐蝕電池的陰極區，而與氧濃度低的深層土壤接觸的部分稱為腐蝕的陽極區，因此受到嚴重的氧濃差腐蝕。這也是拉線棒埋設越深腐蝕越嚴重的原因。

2.3 防護措施

1)采用PVC管將拉線嵌套其中，PVC管內灌注混凝土，然后用玻璃纖維布封固PVC管并涂刷環氧樹脂，使拉線與空氣、土壤中的腐蝕性物質隔離，能有效起到防腐作用。

2)因拉線棒埋設地下而具有一定的隱蔽性，因此采用常規手段確定其腐蝕情況十分困難。近年來導波檢測技術及電磁超聲檢測技術在接地網及地腳螺栓的腐蝕檢測方面取了較大的突破，因此可以引入這些新的無損檢測技術來代替開挖檢查，實現對拉線棒的檢測。

3 連接金具

3.1 腐蝕機理

連接金具作為電網金屬部件的一大類通常用在輸電線和鐵塔之間起到連接和固定的作用,主要包括聯板、絕緣子串的掛環(板)、U型螺絲、防振錘、支撐架和各種線夾等。連接金具長時間暴露在大氣環境中，其表面通常會形成一層極薄且不易發現的水膜。當這層水膜達到20～30個分子厚度時，就會變成電化學腐蝕所需要的電解液膜。這種電解液膜常常是由于水分(雨、雪)的直接沉淀，或大氣的濕度、溫度變化以及其他種種原因引起的凝聚作用而形成。如果金屬表面只是處于純凈的水膜中，一般不足以造成強烈的電化學腐蝕。但在大氣環境下形成的水膜往往會受到周邊環境的影響，如工業園區、沿海地區等，從而含有水溶性的鹽類及溶解的腐蝕性氣體等。所以綜合考慮，影響大氣腐蝕速率的主要因素有相對濕度、溫度、大氣污染物濃度等。

3.2 失效案例分析

某110 kV變電站位于一個典型的工業園區內，周圍有許多重工業企業，如煤礦、鋼鐵廠和化工廠。部分懸瓶的球頭掛環腐蝕嚴重(如圖3所示)，對球頭掛環的宏觀形貌、微觀金相、SEM形貌以及能譜進行分析發現：球頭掛環表面鍍鋅層已完全脫落并發生嚴重銹蝕，銹層表面呈麻坑狀，腐蝕產物為紅褐色；表面存在大量腐蝕凹坑，腐蝕產物的主要成分為Fe、O、S，應為鐵的氧化物及硫酸亞鐵；腐蝕產物中的Si和Ca主要以氧化硅及氧化鈣的形式存在，應為砂石吸附在球頭掛環表面所致。

通過分析發現，隨著來自工業生產的煙塵的不斷排放，造成空氣中二氧化硫等有害氣體含量處于較高水平。在二氧化硫的溶解和氧化過程中會釋放出氫離子，從而導致鍍鋅層表面的水膜酸化。這是因為：一方面，作為去極化劑，氫離子可以參與陰極反應并加速鋅在陽極的溶解；另一方面，在酸性環境中，致密的堿式碳酸鋅保護膜可能與硫反應形成硫酸鋅。反應方程式如下：

Zn2(OH)2CO3+2SO2+O2→2ZnSO4+H2O+CO2↑

由于硫酸鋅良好的水溶性，極易被雨水沖走，從而導致熱浸鍍鋅層迅速耗盡。一旦鍍鋅層過早消耗殆盡，空氣中的二氧化硫就會吸附在金屬表面上，與鐵作用生成易溶的硫酸鐵，硫酸鐵遇水溶解后發生水解生成硫酸，生成的硫酸再與鐵作用生成硫酸鐵，球頭掛環按照這種循環的模式不斷發生腐蝕損傷，直至徹底失效。因此，在二氧化硫含量高的大氣環境中，熱浸鍍鋅層不能起到有效的防腐蝕作用[9]。

圖3 球頭掛環的宏觀形貌、微觀金相、SEM形貌和能譜分析圖

3.3 防護措施

1)應對同批次在用連接金具進行排查，發現銹蝕損傷嚴重的應及時更換；再者，應嚴格規范變電站內連接金具的采購、入庫和使用的把關檢驗，避免材質、鍍鋅層不合格的金具流入并使用到電氣設備上，以免再次發生類似銹蝕失效。

2)在典型的工業污染區，因鍍鋅層消耗較快，可以考慮使用抗硫化腐蝕能力更強的鋁鋅合金作為防腐涂層。此外，在電力建設設計階段，通過對不同服役區域腐蝕風險的大數據統計，采用仿真建模的方法，進行腐蝕情況的預測，提前調整連接金具鍍鋅層的厚度，確保金屬部件在使用期間鍍鋅層起到有效的保護作用。

4 結 語

通過分析電網設備中金屬部件的腐蝕失效情況，研究了常見電網金屬部件(接地扁鋼、混凝土電桿拉線棒和球頭掛環)的典型腐蝕機理和腐蝕行為，并詳細分析了其宏觀和微觀特性。對接地連接件、鐵塔、電桿的拉桿、拉線棒以及連接金具的典型腐蝕特征和腐蝕機理進行了總結，為保證電網的安全運行，避免電網、電力設備金屬部件發生類似的腐蝕情況，提出了有針對性的防護措施。