油田電網(wǎng)電桿腐蝕破損分析與防護措施

楊曉松 王善曉 周俊杰

勝利石油管理局有限公司電力分公司 東營 257100

1 研究背景

勝利油田電網(wǎng)主體位于山東東營地區(qū),屬于渤海灣畔的黃河沖積平原,地下水位高,鹽堿含量高,特別是在河口鎮(zhèn)外圍、仙河鎮(zhèn)外圍及東營東城外圍地區(qū),存在大量高鹽堿含量的土地、灘涂、鹽池、養(yǎng)殖場。受沿海氣候影響,空氣中水分、鹽分含量也高。在高鹽堿、強腐蝕環(huán)境下,大量電桿因腐蝕損壞影響結(jié)構(gòu)強度,造成安全隱患,甚至造成停電事故,嚴重影響了油氣生產(chǎn)。了解油田鹽堿化分布特征,研究電桿腐蝕破損機理,有針對性地提出預防方法,對建設安全穩(wěn)定、科學高效的油田電網(wǎng)而言,具有重要意義。

2 勝利油田土壤鹽堿化分布

為全面掌握勝利油田土壤鹽堿化分布情況[1],以油田生產(chǎn)區(qū)和供電管理區(qū)為單位,選取典型區(qū)域進行采樣和土壤理化特性測試,共涉及40個油田生產(chǎn)區(qū)的185個點,以及10家供電管理區(qū)的1條6 kV線路、43條35 kV線路、16條110 kV線路、5條220 kV線路共103個點位。基于檢測數(shù)據(jù),標記形成地面腐蝕性氯離子和硫酸根離子分布圖。

本次檢測共涉及14種地形地貌,主要包括農(nóng)田、鹽堿地、灘涂等。氯離子濃度最高值出現(xiàn)在35 kV埕雁線53號桿,所處地貌為鹽池,氯離子濃度為2 225.35 mmol/kg。濱海供電管理區(qū)氯離子平均濃度最高,為491.03 mmol/kg。勝中供電管理區(qū)氯離子平均濃度最低,為52.14 mmol/kg。勝利油田電網(wǎng)氯離子平均濃度分布見表1。

硫酸根離子濃度最高值出現(xiàn)在35 kV孤六線4號桿,所處地貌為水田,硫酸根離子濃度為458.33 mmol/kg。孤島供電管理區(qū)硫酸根離子平均濃度最高,為192.96 mmol/kg。勝東供電管理區(qū)硫酸根離子平均濃度最低,為35.41 mmol/kg。勝利油田電網(wǎng)硫酸根離子平均濃度分布見表2。

綜合分析,對于氯離子分布,灘海明顯高于內(nèi)陸,灘涂、鹽堿地高于農(nóng)田、草地等,氯離子含量較高的區(qū)域主要為近海和內(nèi)陸的水域周邊。

硫酸根離子分布也呈灘涂、鹽堿地高于農(nóng)田、草地等的規(guī)律,但區(qū)域分布差別較小,更多呈現(xiàn)為隨機分布的特點。硫酸根離子含量較高的區(qū)域同樣是氯離子高濃度區(qū),但與水域周邊的分布不存在相關(guān)性。

表1 勝利油田電網(wǎng)氯離子平均濃度分布

表2 勝利油田電網(wǎng)硫酸根離子平均濃度分布

綜合檢測數(shù)據(jù),繪制油田電網(wǎng)污區(qū)分布圖。

3 鋼筋混凝土電桿腐蝕現(xiàn)況

勝利油田架空線路始建于20世紀60年代,大量采用鋼筋混凝土電桿,目前很多電桿已進入運行末期。2010年,勝利油田電網(wǎng)正式提出輸電線路桿塔鋼鐵化目標,但在數(shù)量龐大的配電線路上,鋼鐵化仍然具有很大的局限性,無法在短期內(nèi)大量實現(xiàn)。目前,勝利油田電網(wǎng)鋼筋混凝土電桿在220 kV線路上的比例仍有約40%,在110 kV線路上比例約為50%,在35 kV線路上比例高于80%,在10 kV、6 kV線路上比例則高于99%。

鋼筋混凝土電桿受鹽堿腐蝕的影響嚴重,根據(jù)2019年的統(tǒng)計數(shù)據(jù),勝利油田電網(wǎng)6 kV～220 kV輸配電線路鋼筋混凝土電桿約有19萬基,其中破損嚴重的電桿約有2萬基,占比為10.5%。其中,220 kV、110 kV線路破損嚴重電桿的占比分別高達61%和55%,6 kV、10 kV線路破損嚴重電桿的占比雖然只有9.5%,但是基數(shù)龐大。根據(jù)統(tǒng)計,勝利油田電網(wǎng)電桿腐蝕損壞主要集中在三個典型部位:桿根、鋼板圈兩側(cè)、桿身。電桿腐蝕損壞現(xiàn)場照片如圖1所示。由此可見,勝利油田電網(wǎng)鋼筋混凝土電桿深受腐蝕破損危害,特別是2018年6月27日,220 kV鹽孤線2基老化鋼筋混凝土電桿在惡劣天氣下發(fā)生倒桿,造成大面積事故。鋼筋混凝土電桿腐蝕破損原因與防護技術(shù)研究目前正受到廣泛重視。

圖1 電桿腐蝕損壞現(xiàn)場照片

4 鋼筋混凝土電桿腐蝕機理

混凝土電桿腐蝕破損機理比較復雜,通俗來講,主要是氣、水、酸、鹽、銹通過浸、溶、蝕、脹造成的。

4.1 混凝土保護層腐蝕機理

鋼筋混凝土電桿的腐蝕是從電桿混凝土層破壞開始的。混凝土碳化或腐蝕性離子侵蝕會破壞混凝土的結(jié)構(gòu)和堿性環(huán)境,使腐蝕性介質(zhì)更易侵入,并破壞鋼筋的鈍化狀態(tài),使鋼筋進入活化狀態(tài)而被腐蝕。

混凝土碳化十分緩慢,并且條件苛刻,只有當空氣相對濕度在50%～70%范圍內(nèi)時,才有利于混凝土碳化和鋼筋腐蝕,因此,干濕交替環(huán)境更容易造成電桿腐蝕破壞。在長期漫水和干濕交替環(huán)境下,環(huán)境水的離子侵蝕是電桿腐蝕的主要威脅。特別是在鹽堿腐蝕地區(qū),環(huán)境水中的鹽酸、硫酸等游離酸類與電桿中的氫氧化鈣反應,生成相應的鈣鹽氯化鈣。氯化鈣易溶于水,使鋼筋混凝土中鈣流失,強度降低,同時腐蝕性離子更易侵入。侵入的硫酸鹽類與電桿中的氫氧化鈣反應,生成石膏。石膏在混凝土孔隙中結(jié)晶,體積膨脹,使混凝土破壞。更嚴重的是,石膏與混凝土中的水化鋁酸鈣進一步反應,生成水化硫鋁酸鈣,體積增大為水化鋁酸鈣的2.5倍左右,使電桿承受巨大張力而開裂[2]。此時,腐蝕性介質(zhì)可以通過開裂的混凝土迅速腐蝕鋼筋,產(chǎn)生大量膨脹性的腐蝕產(chǎn)物鐵銹,使混凝土沿著銹蝕的鋼筋膨脹開裂,形成新裂縫。在持續(xù)的脹、裂、銹、脹循環(huán)中,混凝土沿主筋大片脫落,直至露筋。運行中的鋼筋混凝土電桿承受各種外力作用,傷筋動骨后更容易受到破壞。

4.2 混凝土中鋼筋腐蝕機理

鋼筋混凝土電桿中鋼筋腐蝕劣化主要是由于電化學腐蝕作用。電化學腐蝕屬于非均勻腐蝕。氯離子半徑小、活性大,能吸附在鋼筋鈍化膜表面,很容易穿透鋼筋鈍化膜,造成鋼筋銹蝕。由于水氧和氯離子的存在,使鋼筋表面去鈍化區(qū)域成為陽極,大面積鈍化膜區(qū)域成為陰極,發(fā)生電化學反應,在鋼筋表面產(chǎn)生蝕坑。由于大陰極對應小陽極,蝕坑發(fā)展十分迅速,產(chǎn)生陽極產(chǎn)物亞鐵離子。水氧相互作用下,陽極反應產(chǎn)物與陰極反應產(chǎn)物可以進一步發(fā)生反應,生成氫氧化亞鐵。氯離子作用下的陽極反應產(chǎn)物亞鐵離子與氯離子結(jié)合,生成氯化亞鐵。氯化亞鐵是可溶的,在向混凝土內(nèi)擴散時遇到氫氧根,就能生成氫氧化亞鐵沉淀。在有氧潮濕環(huán)境下,氧化過程還會繼續(xù),生成氫氧化鐵,再進一步氧化生成nFe2O3·mH2O,一部分氧化不完全,還會生成四氧化三鐵,在鋼筋表面形成銹層,鐵銹的體積最大可膨脹至原來體積的6倍。鋼筋膨脹使周圍的混凝土產(chǎn)生較強的拉應力,當混凝土中的拉應力超過混凝土的抗拉強度時,混凝土將順筋開裂,嚴重時使混凝土保護層剝落。混凝土開裂后,進一步喪失對鋼筋的保護,使腐蝕介質(zhì)更容易到達鋼筋表面,加劇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。

相關(guān)資料證明,硫酸根離子在富含氯離子的環(huán)境中作用會大大減弱。通過檢測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),硫酸根離子含量較高的區(qū)域都伴隨高濃度氯離子,作用受到弱化,對鋼筋腐蝕不起主要作用。

4.3 東營地區(qū)鋼筋混凝土電桿腐蝕分析

東營地區(qū)環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)主要是硫酸根離子和氯離子,在水、氧、二氧化碳的共同作用下,腐蝕損壞悄然發(fā)生。硫酸根離子的破壞作用主要表現(xiàn)為對混凝土的破壞,使電桿混凝土發(fā)生鹽脹,造成桿身裂縫。以氯離子為主的腐蝕性介質(zhì)將裂縫作為新的侵入通道,加速鋼筋銹蝕,發(fā)生銹脹,使電桿混凝土沿主筋方向開裂、脫落。另外,由于游離碳酸和自由氯離子對電桿中氫氧化鈣的溶蝕作用,導致電桿空隙擴大,強度降低,腐蝕性硫酸根離子和氯離子更易侵入,鹽脹和銹脹也就更容易發(fā)生,由此加快鋼筋混凝土電桿的結(jié)構(gòu)破壞,使混凝土保護層開裂與脫落。

5 防護措施

在勝利油田電網(wǎng)的建設、運行、維護中,預防鹽堿腐蝕是重要內(nèi)容。在長期電網(wǎng)運營中,勝利油田積累了豐富的經(jīng)驗教訓,簡單而言是提高混凝土密實度、增大鋼筋保護層厚度、保證電桿結(jié)構(gòu)強度、減緩腐蝕性介質(zhì)侵入,同時規(guī)范電桿加工技術(shù)要求,試驗和推廣各種電桿腐蝕防護措施。

根據(jù)區(qū)域腐蝕等級,提出不同的技術(shù)要求,具體細化為:① 提高混凝土強度等級、水膠比,以提高電桿的密實度,減弱滲透作用,減輕環(huán)境水的侵蝕破壞;② 增大電桿壁厚,加厚混凝土保護層,使之大于混凝土碳化深度,使鋼筋得到保護,可防銹防裂;③ 添加適當?shù)膿郊觿?增強電桿自身抗蝕能力。

根據(jù)研究分析成果,形成勝利油田耐腐蝕電桿生產(chǎn)制造要求,見表3。

加固補強是目前解決電桿腐蝕破損的最主要手段。近幾年,通過試驗、推廣水泥電桿補強加固技術(shù),在提高鋼筋混凝土電桿強度、修復電桿腐蝕防護等方面積累了豐富經(jīng)驗。目前采用的主要加固補強方法有外套鋼管加固、外包混凝土加固、聚合物水泥砂漿修補加固、環(huán)氧樹脂玻璃纖維包繞灌膠加固、包槽鋼加固、橫梁+防風拉線加固、碳纖維布與配套膠粘劑加固。包槽鋼加固和碳纖維布與配套膠粘劑加固應用范圍廣,效果相對較好。

包槽鋼加固是外套鋼管加固的一種改進措施,將早期的外套鋼管加固改良為槽鋼+抱箍的組合形式,如圖2所示。調(diào)整槽鋼長度及與抱箍的匹配,應用可以更加廣泛。這一加固方式根據(jù)受損桿身長度匹配加固件長度,對桿身漏筋進行修補,利用槽鋼與抱箍焊接成組塊,螺栓緊固抱箍,使加固件與桿身緊固連接,完整跨過受損桿身,抱箍與桿身的孔隙采用環(huán)氧樹脂注膠填實。這一方法成本低,強度高,安裝便利,在較大面積補強加固中大量使用。

表3 勝利油田耐腐蝕電桿生產(chǎn)制造要求

圖2 包槽鋼加固

碳纖維加固采用碳纖維專用膠將碳纖維布粘貼于鋼筋混凝土電桿表面,起到結(jié)構(gòu)補強和抗震加固的作用,如圖3所示。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量新型纖維材料,相比玻璃纖維,抗拉強度及彈性模量高數(shù)倍。進行碳纖維包裹時,邊緣交疊,按照破損程度配置雙層、三層碳纖維布,使用水泥基膠合劑與底膠將碳纖維布與電桿平整粘接至足夠厚度。

圖3 碳纖維加固

采用碳纖維加固,不需要大型工具,可以根據(jù)需要任意裁剪,不改變結(jié)構(gòu)形狀,不影響結(jié)構(gòu)外觀。碳纖維材料質(zhì)量輕,強度高,比重僅為鋼材的1/4,拉伸強度卻為鋼材的7～10倍,對溫度具有良好的適應性,對酸、堿、鹽也有良好抗性,并且抗紫外線和防水等性能也較好。因此,碳纖維加固在線路電桿、變電站構(gòu)架加固中廣泛采用。

2019年以來,勝利油田電網(wǎng)采用以槽鋼結(jié)構(gòu)和碳纖維復合材料為代表的加固技術(shù)對腐蝕破損鋼筋混凝土電桿進行大量加固,槽鋼結(jié)構(gòu)強度得到實踐檢驗,碳纖維加固技術(shù)的結(jié)構(gòu)恢復和腐蝕防護效果也得到驗證,成為油田電網(wǎng)應對電桿腐蝕損壞的有效手段。

2020年,根據(jù)勝利油田耐腐蝕電桿生產(chǎn)制造要求試制了13根電桿,在濱海供電管理區(qū)進行應用,電桿所處環(huán)境為鹽堿地,周邊均為鹽池或海產(chǎn)養(yǎng)殖場,到目前為止狀況良好。

6 結(jié)束語

混凝土電桿腐蝕破損機理非常復雜,往往是多種因素、多種介質(zhì)共同作用的結(jié)果。深入研究混凝土電桿腐蝕破損機理,從物理、化學、電化學等多角度研究電桿腐蝕損壞的發(fā)展過程,有利于從源頭上采取防腐蝕措施。勝利油田電網(wǎng)鋼筋混凝土電桿腐蝕防護技術(shù)是在創(chuàng)新實踐和引進推廣的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,強調(diào)成本和效果平衡,目前正在積極對標國際國內(nèi)電力行業(yè)先進水平,在碳纖維復合電桿應用、新型耐腐蝕電桿試驗推廣、成品保護施工工藝推廣、線路防腐蝕設計和腐蝕破損維修維護等方面進行大膽實踐,在本質(zhì)防腐、科學防治方面與時俱進。