輸變電鋼結構鍍鋅層修復技術研究進展

樊志彬，李辛庚，王曉明，閆風潔，姜 波

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

輸變電鋼結構的安全可靠對于保障電力運輸至關重要，目前主要采用熱鍍鋅技術進行防腐［1］。鍍鋅層對于輸變電鋼結構基體具有陰極保護和隔離的雙重作用［2］，一方面鋅在大氣中的腐蝕速率大約是鋼鐵的1/15，能夠有效隔離外部腐蝕介質與鋼材基體；另一方面由于鋅活性較高，可以犧牲陽極的方式防止鋼基體材料腐蝕，從而保證桿塔的結構強度［3］。

盡管鍍鋅層有較好的耐磨性能和結合強度，但輸變電鋼結構運輸、安裝過程中的不當操作，以及服役過程中的意外事件都可能導致鍍鋅層的損壞。另外，輸變電鋼結構服役于自然環境中，鍍鋅層的腐蝕不可避免，腐蝕會導致鍍鋅層的整體減薄消耗和破壞。2017年，國家電網有限公司開展了轄區范圍內的輸變電設備腐蝕調研，共發現腐蝕案例6 251起，其中變電設備4 478起，輸電線路1 773起。變電設備中，鍍鋅鋼結構的構支架腐蝕數量達到了1 309例，約占變電設備腐蝕總數的29.3%。輸電線路設備中，鍍鋅鋼結構的桿塔腐蝕數量達865例，約占輸電線路腐蝕總數的48.7%。調研結果顯示，鍍鋅鋼結構是輸變電設備發生腐蝕最普遍的設備構件，腐蝕案例數量占比最高［4］。鍍層損壞后會極大加速輸變電鋼結構的腐蝕進程，危及輸變電工程安全。將損壞的設備回廠重新熱浸鍍處理，費時、費力、不經濟，且服役中的設備無法處理。因此，經濟、高效且可用于在役設備的鍍鋅層修復技術，對于輸變電鋼結構腐蝕防護意義重大。

1 修復方法與比較

輸變電鋼結構鍍鋅層的修復用于達到兩個目的：一是實現鋼基體與大氣腐蝕因子的有效隔離；二是實現對鋼基體的陰極保護?，F行GB/T 13912—2020《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術要求及試驗方法》中規定，鍍鋅層可以采用熱噴涂鋅、涂敷富鋅涂料或熔敷鋅合金三種方法進行修復，修復涂層應能在鋼結構的使用過程中給予鋼材以犧牲陽極保護，但GB/T 13912—2020 中沒有提出鍍鋅層修復的具體技術要求。美國材料試驗協會制定的ASTM A780/A780M《熱鍍鋅損壞或無涂覆區修復標準實施規程》中，規定修復材料應滿足以下條件：修復材料可以提供的涂層厚度應不低于50.8 μm；修復的涂層應為鋼基體提供屏蔽和犧牲陽極保護；涂層應當可以在車間或者現場應用［5］。ASTM A780/A780M 中同樣提供了富鋅涂料、鋅基焊料和熱噴涂鋅三種修復方式，并提出了具體的技術要求。

1）富鋅涂料。

富鋅涂料包括有機富鋅涂料和無機富鋅涂料，含鋅量在65%～69%或者干膜含鋅量達92%以上修復效果最佳。一般來說，相比于無機富鋅涂料，有機富鋅涂料應用于邊角或者粗糙表面時效果更好。修復前應清理表面，保證表面清潔、干燥，無油脂、其他油漆和腐蝕性附著物。按照涂料的說明，采用多道噴涂或者刷涂的方式，達到約定的干膜厚度。

2）鋅基焊料。

常用的鋅基焊料有鋅鎘系、鋅錫鉛系、鋅錫銅系合金。鋅鎘系和鋅錫鉛系合金的焊料液化溫度分別為270～275 ℃和230～260 ℃。鋅錫銅合金液化溫度在349～354 ℃之間。

修復前用鋼絲刷、輕磨或輕度噴砂清理待修復的表面。為確保修復涂層的平滑，表面處理應延伸到周圍未損壞的鍍鋅涂層。預熱清理后的表面至315 ℃以上，但不要超過400 ℃，以免破壞周邊完好的鍍鋅層。最后使用修復焊料在表面完成修復即可。

3）噴涂鋅。

噴涂鋅包括火焰噴涂、電弧噴涂等。純鋅和鋅鋁合金都可以利用此方法噴涂。噴涂前表面應噴砂處理，保證清潔、干燥、無油脂和其他腐蝕物。噴涂涂層應均勻，無結塊、粗糙區域和松散的粘附顆粒。

針對鍍鋅層修復，三種修復方式都可以取得良好的效果，在適用性、厚度控制、外觀、防腐性能、耐磨性能、結合強度及環保性能各有優缺點［6］。加拿大某研究機構從適用性、結合強度、外觀、耐磨損性能和耐蝕性能5個方面評價了三種修復方式，結果見表1［7-8］。

表1 三種修復技術的性能對比

對比三種修復方式，由表1 可知，噴涂鋅在厚度控制、結合力、耐磨性、屏蔽效果、陰極保護效果方面存在優勢，在修復外觀和易用性上處于其他兩種修復方法之間。富鋅涂料在易用性、結合力、屏蔽效果方面存在優勢，但是在外觀、陰極保護效果、耐磨性上處于劣勢。鋅基焊料只有在外觀和結合力方面存在優勢，在易用性、屏蔽效果、厚度控制等方面均處于劣勢。綜合比較，噴涂鋅技術的性能在鍍鋅層修復上最具優勢。

2 研究現狀與發展趨勢

2.1 富鋅涂料

富鋅涂料是指采用大量高純度的鋅粉作為基礎填料的防腐涂料，對于鋼結構其防腐機理為鋅粉溶解起到陰極保護作用和屏蔽作用［9］。富鋅涂料是鋼結構防腐涂層體系中最常采用的涂料［10］，也是輸變電鋼結構鍍鋅層修復中的最常用的技術。在國內外鋼結構防腐涂層體系的相關標準中，如ISO 12944—2017《色漆和清漆防護漆體系對鋼結構的腐蝕防護》、GB/T 50046—2018《工業建筑防腐蝕設計標準》、Q/GDW 674—2011《輸電線路鐵塔防護涂料》等均將富鋅涂料作為最主要的涂料涂層。

根據成膜樹脂不同，目前市場上常見的富鋅涂料可分為有機富鋅涂料和無機富鋅涂料兩大類［11］。有機富鋅涂料是以環氧、聚氨酯等樹脂為成膜物，以高含量鋅粉為填料的防腐涂料。其中環氧富鋅涂料使用范圍最廣、用量最大。環氧富鋅涂料是以環氧樹脂為基料，添加大量鋅粉為防銹填料，輔以混合溶劑、助劑等配制而成，通常以聚酰胺樹脂或胺加成物為固化劑。由于環氧樹脂優異的配伍性以及對鋼鐵等基材表面良好的黏結力，環氧富鋅涂料對基材的附著力好，易于與其他面漆配套。

無機富鋅涂料以硅酸鹽等無機聚合物為成膜物，通過在金屬表面形成鋅鐵絡合物，形成堅實的防護涂膜。主要包括水性無機富鋅涂料和醇溶型無機富鋅涂料。相比于有機富鋅涂料，一般來說無機富鋅涂料的耐蝕性能更加優異，但是對基材的表面處理要求也更為苛刻，且漆膜易開裂，配套性能較差。在陰極保護方面，由于有機富鋅涂料中有機質的導電性能較差，在干膜中同等的鋅含量時，無機富鋅涂料對于鋼材基體的陰極保護效果更優［10］。

隨著環保要求的不斷提高，富鋅涂料朝著環保型發展是必然趨勢。雖然溶劑型富鋅涂料性能優異，但由于其含有較高的揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOC），環保性差。因此，開發高性能低VOC 的水性富鋅涂料成為研究熱點［12］。為提高水性防腐涂料的耐蝕性能，避免鋅粉含量過高帶來的沉降、成膜等問題，眾多學者開展了借助活性顏填料改性的方法降低鋅含量的研究［13］。常用的方法是將石墨烯［14-16］、碳納米管［17-18］等導電材料添加到水性富鋅涂料替代一部分鋅，不僅獲得了優異的陰極保護效果，同時提升了防腐性能。

降低對基材表面處理要求，實現帶銹涂裝，提升防腐效能是富鋅涂料發展的重要方向之一。研究人員通過樹脂改性、添加活性顏填料等方式，實現銹層的轉化和穩定，在保證防腐性能的前提下，降低了涂裝前基材表面的處理要求［19-20］。國家電網有限公司已開展輸變電設備環保型防腐涂料、帶銹涂料的研發以及相應標準體系的建設工作。

由于優異的施工性能和較好的綜合性能，富鋅涂料是目前輸變電鋼結構鍍鋅層現場最為常用的修復技術。

2.2 鋅基焊料

根據ASTM A780［5］，在焊接前工件表面需要鋼絲刷清理，或者輕度打磨、噴砂處理，表面處理應適當向周圍完好的鍍鋅層延伸。如果表面處理處包含焊縫，應利用切削、打磨處理掉殘留的焊劑和焊渣。然后，在清理區域預加熱至少315 ℃，但是不要超過400 ℃以免破壞周圍的鍍鋅層。在預熱過程同時，用鋼絲刷再次清理預熱處，如果需要焊劑，在預熱時添加。有鋅基焊料涂擦清理后預加熱區域，形成均勻分布的鋅合金層。修復完成后，用水或者濕布擦除掉多余的焊劑。最后，測量修護后的涂層后厚度，保證與周邊完好鍍層一致。

與其他修復方式相比，采用鋅基焊料修復后與周圍鍍鋅層的配合更好［6］。但是由于修復過程中溫度在合金液相區，除了修復水平放置的工件，液體的流動性導致修復很難形成足夠的厚度。Adams，Battiston 和Zervoudis 等人［21］研究結果顯示目前商業產品鋅基修補焊料形成的修復層往往厚度不夠、不完整且含鋅量較低，導致較差的屏蔽和陰極保護作用。使用含錫和鉛量高的焊料，修復層的硬度及耐磨性能較差。

Adams 和Zervoudis［6］在總結了前人工作的基礎上提出了理想的修補釬料應該具備以下特征：

1）可以在各種表面方向容易地修補鍍鋅層，且厚度與鍍鋅層一致；

2）修復后的涂層應與周圍新的鍍鋅層一樣光滑且外觀相似；

3）范圍較廣的應用溫度（低于300 ℃），低溫焊劑可以使用，且保證周圍鍍鋅層不被破壞；

4）焊料具有較高含量的鋅，以保證修復后提供良好的陰極保護能力；

5）在鋼基體和鍍鋅層上都有良好的結合力；

6）修復層具備良好的耐磨性能；

7）不含有鉛或者其他的有毒元素。

基于這些特征，Adams和Zervoudis開發出一種新型的鋅錫銅修復焊料Zn-49Sn-lCu，在使用溫度275 ℃下具有良好的可塑性及厚度可控性，高的硬度和耐磨性能。由于其鋅含量很高，修復層具備良好的陰極保護效果。工業試驗證明，Zn-49Sn-lCu可以在大的鍍鋅件和室外環境中使用。另外，由加拿大特克科明科公司研發的Glava*Guard［8］，在北美有著成功的應用。

與其他兩種修復方法相比，由于使用鋅基焊料修復的操作較為復雜，且綜合性能無優勢，更加適用于在工廠內開展鍍鋅層修復，對于在役設備的鍍鋅層修復適用性差。目前尚未見到在國內輸變電鋼結構鍍鋅層的修復上應用的報道。

2.3 噴涂鋅

熱噴涂是指通過火焰、電弧、等離子等熱源，將粉末狀或絲狀的材料加熱到熔融或半熔融狀態，然后借助壓縮空氣等以一定速度噴射到預處理過的基體表面，沉積而形成具有一定功能的表面涂層［22］。

熱噴涂鋅因基材可以不經高溫，對基材和附近鍍層的影響較小，涂層性能優良，工件外形尺寸上不受限制，可以進行高效率的大面積噴涂，亦可進行局部修復［23］。在與富鋅涂料和鋅基焊料的比較中，結合強度、耐磨性能、耐腐蝕性能和涂層厚度的控制方面都有著明顯的優勢［7-8］。

熱評噴涂鋅鋁涂層成為近幾十年研究熱點。國內外研究表明，相比于純鋅，噴涂鋅鋁體系等耐蝕性能更加優異。由于鋁擁有良好的自鈍化性能，耐蝕性能優于鋅，但鈍化后的鋁涂層對鋼鐵基體缺乏犧牲陽極保護作用［24］，而鋅鋁涂層同時具備了鋅涂層和鋁涂層兩者的優點［24-25］。

20世紀50年代，日本的Kain等人［26］采用了火焰噴涂技術，制備了Al的質量分數在10%～90%之間變化的系列Zn-Al 涂層，34 年的海洋大氣暴露試驗結果顯示，Al 含量較高的Zn-Al 合金涂層耐蝕性能更加優異。日本JACC 熱噴涂委員會S.Kuroda 等人［27］對熱噴涂Zn，Al 以及Zn-13Al 涂層進行了長達18 年的暴露試驗，結果顯示熱噴涂Zn-13Al 涂層的耐蝕性明顯優于熱噴涂Zn、Al涂層。

研究表明，通過向Zn-Al 合金添加微量的Mg、RE 等元素可以顯著提升涂層的耐蝕性能，Al加入可以在表面生成一層Al2O3的保護膜，可有效防止Zn被快速腐蝕；Mg 可長期抑制氧化鋅（ZnO）和堿式碳酸鋅［Zn4CO3（OH）6·H2O］等腐蝕產物的形成；稀土可以凈化雜質、細化晶粒，減少了合金中的陰極相，阻止了陰極過程的進行，從而提高了合金的耐腐蝕性，例如Zn-Al-RE 合金、Zn-Al-Si合金、Zn-Al-Mg合金以及Zn-Al-Mg-RE 合金等熱噴涂合金涂層［28-31］。哈爾濱工程大學［32］、北京科技大學［33］等機構開展了Zn-Al-Mg-RE 合金涂層的研究，試驗結果表明Zn-Al-Mg-RE合金涂層具備優異的耐蝕性能。

根據上文研究，采用電弧噴涂制備了Zn-22Al-Mg-RE 合金涂層［34］，耐蝕性能遠優于熱噴涂Zn、Zn-Al合金涂層。中性鹽霧腐蝕試驗結果顯示，Zn-22Al-Mg-RE合金涂層的耐蝕性能與熱浸鍍鋅和熱噴涂鋅對比，分別提高35倍和5倍。為了方便輸變電鋼結構鍍鋅層現場的修復應用，項目組開發了小型化的噴涂設備，實現了在山區等工程機械難以到達工程現場的施工。2015 年，Zn-22Al-Mg-RE 合金涂層在山東棗莊110 kV 棠陰線的重腐蝕環境實現了工程應用，防腐效果至今良好。

噴涂鋅的綜合性能優異，但由于其需要嚴格的底面前處理工藝，噴涂過程中需要氣源、電源等，對于在役設備鍍鋅層的修復存在效率低下、操作較為復雜的問題。目前主要應用于工廠制造階段構件的整體防腐涂層制備，而在現場鍍鋅層修復中應用較少。噴涂鋅在提升防腐性能的同時，若能夠解決現場施工及效率的問題，將會在輸變電鋼結構防腐以及鍍鋅層修復領域擁有更廣闊的應用空間。

3 結語

鍍鋅層修復可以有效增加輸變電鋼結構鍍鋅層破壞后的使用壽命，對于輸變電工程的長效防腐意義重大。在目前富鋅涂料、噴涂鋅和鋅基焊料三種主要的修復方式中，富鋅涂料在易用性上、結合力、屏蔽效果方面具備顯著的優勢，鋅基焊料在外觀和結合力方面存在優勢，而噴涂鋅在厚度控制、結合力、耐磨性、屏蔽效果、陰極保護效果方面皆存在優勢。

鋅基焊料由于操作較為復雜以及較差的綜合性能，發展較為緩慢，未見國內大規模應用的報道。噴涂鋅雖然綜合性能優異，但由于現場施工效率低下等問題，在鍍鋅層修復領域應用相對較少。由于其易用性以及比較好的綜合性能，富鋅涂料成為了輸變電鋼結構鍍鋅層最常用的修復技術。為適應環保政策以及降低施工難度，低VOC 的環保型防腐涂料和帶銹防腐涂料成為富鋅涂料的主要研究發展方向，目前尚有巨大的提升空間，國家電網有限公司正在進行相關技術的研究和配套標準體系的建設工作。