南方區域大氣環境下輸電線路鋼結構部件腐蝕機理及防范措施研究

王婉煜 王雅潔 王貴明 邵 騫 李 俠

（1. 中蝕國際腐蝕控制工程技術研究院（北京）有限公司，北京 100101；2. 中國腐蝕控制技術協會，北京 100101）

0 引言

南方區域輸電線路鐵塔所處大氣環境復雜多樣，條件十分惡劣[1,2]，長年累月承受著各種環境和氣候條件的影響，如風、雨、雷電、潮氣、冰雪、沙塵以及鹽霧、各種污染物、煙塵、污穢等，這些環境因素和氣候條件不斷腐蝕著鐵塔及其金屬零件[3-5]，嚴重縮短了輸電線路鐵塔的使用壽命，給供電的安全性和可靠性造成了極大地困難，威脅到電網的運行安全[6,7]。然而，目前針對鐵塔的腐蝕普遍采用單一的熱鍍鋅涂層作為控制措施，防腐蝕效果并不理想[8]，根本原因在于不同大氣環境下，鐵塔的腐蝕機理不同，其腐蝕控制措施也不應相同。本文參考ISO 12944對大氣腐蝕環境的分類[9]，將南方區域輸電線路鐵塔所處的大氣腐蝕環境分為中性大氣環境、酸性大氣環境及工業污染大氣環境和海洋大氣環境，在對典型大氣環境中鐵塔腐蝕狀況調查的基礎上，系統分析了不同大氣環境下鐵塔的腐蝕機理，據此推薦了相應的腐蝕控制措施，實際應用表明，所推薦的腐蝕控制措施較單一的鍍鋅涂層防護具有較好的效果。

1 南方區域鐵塔腐蝕狀況調查

1.1 概況

南方區域輸電線路分布在西南、華南地區，橫跨云南省、貴州省、廣西壯族自治區、廣東省和海南省，所處環境氣候多樣。云南省地勢復雜，立體氣候顯著，具有寒、溫、熱（包括亞熱帶）三帶氣候，降水干濕季差異明顯，整體大氣污染輕，大氣腐蝕程度較工業發達地區弱，但日照時間長，尤其南部為熱帶雨林環境，大氣環境濕度高；貴州省多山區，大氣環境相對封閉，污染物容易聚集，另外，貴州因大量使用高硫煤，是典型的酸雨大氣環境，大氣中SO2含量高，雨水呈酸性，對金屬設備的腐蝕嚴重[10]；廣西壯族自治區受海洋環境和工業污染雙重影響，且各地工業布局不均勻，造成各地區腐蝕程度不均勻，如北海、防城港等沿海為典型的海洋大氣環境，柳州為典型的工業大氣環境；廣東省南部瀕臨南海，是典型的亞熱帶濕熱型海洋大氣環境；海南省地處熱帶季風性氣候，是典型的高溫、高濕、高鹽霧環境，具有極強的腐蝕性[11]，溫度、濕度及鹽分對大氣腐蝕有著顯著的影響[12,13]。

1.2 典型大氣環境下鐵塔腐蝕調查

為了弄清南方區域輸電線路鐵塔所處大氣及其腐蝕情況，在對輸電線路整體調查的基礎上，分別在云南、貴州、廣西、廣東、海南選取典型的大氣環境下鐵塔的腐蝕狀況進行調查，這些調查點涵蓋中性大氣（鄉村大氣）環境、酸性大氣環境、工業污染大氣環境和海洋大氣環境。

1.2.1 中性大氣環境

±500kV高肇直流470#號桿塔位于貴州省黔南州獨山縣，距桿塔0.3km處有采石場一座，采石場產生的大氣污染物主要是粉塵，粉塵對大氣環境影響有限，且貴州大氣相對濕度較大，粉塵擴散有限，屬典型的鄉村大氣。桿塔腐蝕較輕，桿塔腐蝕狀況如圖1所示。

圖1 貴州省±500kV高肇直流470#號桿塔腐蝕情況

±500kV天廣直流1990#號桿塔，位于廣東省肇慶市大旺區，周圍為田地（菜地、芭蕉地），桿塔臨近江邊，屬鄉村大氣環境，但桿塔毗鄰江邊，濕度大、溫度高，腐蝕性強，現場調查發現桿塔表面處于長期潮濕狀態，桿塔及其附件的腐蝕情況如圖2所示。

圖2 廣東省±500kV天廣直流1990#號桿塔腐蝕情況

現場調查結果顯示，±500kV高肇直流470#桿塔腐蝕較輕，除個別部位在安裝時因局部破損而未及時修復處有少量銹蝕，其余大面積熱鍍鋅層完好；±500kV天廣直流1990#號桿塔腐蝕特征與470#相似，但腐蝕更嚴重，腐蝕點更多，這與后者的環境濕度大有關，兩個調查點均為典型的氧腐蝕特征：潰瘍和小孔型的局部腐蝕，腐蝕的產物為黃褐、黑色、磚紅色不等，對現場提取的腐蝕產物進行定性分析，其成分為FeO和Fe2O3。

1.2.2 酸性大氣環境及工業污染大氣環境

1.2.2.1 酸性大氣環境

500kV西百甲線158#號桿塔，位于云南省曲靖市，距桿塔0.1km處有垃圾焚燒廠，垃圾焚燒廠的大氣污染物主要為粉塵、酸性氣體、重金屬污染物和二噁英，其中腐蝕性強的酸性氣體主要包括： SO2、NOx等，這些氣體會增加輸電線路鐵塔的大氣腐蝕風險。

500kV山河乙線137#號桿塔位于廣西區南丹縣六寨鎮，在桿塔西側0.8km處建有一磚廠，磚廠的主要大氣污染物為粉塵和煙氣，煙氣的主要腐蝕成分為SO2、NOx等，桿塔的腐蝕狀況如圖3所示。

圖3 廣西500kV山河乙線137#號鐵塔、金具腐蝕情況

這一類腐蝕屬于典型的酸性大氣的腐蝕，常見于貴州城鎮大氣、垃圾發電廠、磚廠等高含硫煙氣排放的區域，腐蝕特征為鐵塔基體和鍍鋅防護層的酸溶解，鐵塔腐蝕嚴重。

1.2.2.2 工業污染大氣環境

500kV山河甲線365#號桿塔，位于廣西壯族自治區河池市，距桿塔2km處有化工廠1個，化工廠主要生產合成氨、尿素、化肥，大氣污染物主要是粉塵以及SO2、NOX、NH3等氣體，在潮濕環境下形成導電性能極強的酸性電解質，引起輸電線路鐵塔的腐蝕，腐蝕情況如圖4所示。

圖4 化工廠附近輸變電鐵塔金具的腐蝕情況

500kV山河甲線264#號桿塔，位于廣西壯族自治區南丹縣，距桿塔0.8km處有銀鋅冶煉廠1個，大氣污染物除了一部分固體顆粒狀粉塵外，主要有SO2、CO、H2S、NOx等酸性氧化物，同時會排放高溫蒸汽，這些氧化物在高溫蒸汽潮濕大氣中形成腐蝕性極強的酸，嚴重腐蝕鐵塔的基體和鍍鋅防護層，腐蝕情況如圖5所示。

圖5 冶煉廠附近輸變電金具的腐蝕情況

調查結果表明，酸性大氣環境及工業污染大氣環境中鐵塔、線纜、金具等的鍍鋅層呈全面腐蝕狀，腐蝕分布在整個結構表面，腐蝕嚴重，鍍鋅層整片溶解，呈酸腐蝕特征；鐵塔基體鐵腐蝕產物的水溶液顯酸性，腐蝕呈氧腐蝕特征與酸腐蝕特征，該大氣環境中的腐蝕是典型的鍍鋅層的酸腐蝕、基體鐵的氧腐蝕和酸腐蝕。

1.2.3 海洋大氣環境

500kV福徐甲乙線34～37#號桿塔，位于海南省海口市澄邁縣，距離海邊2km。塔桿位于沿海地區，為熱帶海洋氣候，大氣環境相對濕度大，同時受到鹽霧影響，腐蝕等級高，腐蝕情況如圖6所示。

圖6 海南500kV福徐甲乙線金具的腐蝕情況

調查結果表明，海洋大氣環境中的鍍鋅層腐蝕嚴重，呈多點狀的全面腐蝕，腐蝕嚴重部位甚至出現鍍鋅層整體脫落；基體金屬鐵的腐蝕有多點狀的氧腐蝕特征-鐵的氧化物，在腐蝕產物中檢測到氯離子，存在氯離子加速腐蝕。

2 典型大氣環境中輸變電鐵塔腐蝕機理

由于大氣環境的影響和材料自身組成的原因，鐵塔承受著電化學腐蝕、化學腐蝕及物理腐蝕的嚴酷考驗[14]，其中最主要的是電化學腐蝕。大氣腐蝕受氣候的多種因素影響，不同的大氣環境下，其腐蝕機理不同。

2.1 中性環境大氣腐蝕

中性環境大氣，如鄉村大氣、城市大氣，腐蝕較輕，一般為氧的腐蝕[15]，其腐蝕過程為：

Fe（OH）2不穩定，在水和氧的作用下，最終形成Fe（OH）3和Fe3O4：

2.2 酸性大氣及工業污染環境腐蝕

酸性及工業污染大氣環境包括：酸雨大氣環境、化工廠附近大氣環境、冶煉廠附近大氣環境等，大氣中含酸性氣體SO2、H2S等，易形成酸性溶液，發生酸腐蝕和氧腐蝕[16,17]。

（1）SO2電化學腐蝕過程為：

SO2溶解在水中形成亞硫酸，亞硫酸氧化為硫酸，硫酸水解出H+：

此時，腐蝕反應機理為：

在水和氧的作用下，FeSO4生成水合氧化鐵，即鐵銹，同時產生硫酸：

（2）H2S的腐蝕

H2S溶解在水中形成硫化氫溶液，硫化氫溶液水解：

H2S → S2-＋2H+

此時，腐蝕反應機理為：

陰極反應：2H+＋2e→H2

陽極反應：Fe→Fe2+＋2e

總反應：Fe＋H2S → FeS＋H2

在水和氧的作用下，FeS生成水合氧化鐵，即鐵銹，同時產生硫化氫：

2.3 海洋大氣環境腐蝕

海洋大氣環境中的鐵塔所處環境為中性含鹽環境，除發生2.1中性環境下的氧腐蝕外，由于環境中鹽的存在，還存在著Cl-加速鐵塔的腐蝕[18]：

以NaCl為例，海洋環境中的NaCl在潮濕環境下離解：

離解后的Na+和Cl-與中性環境下氧的腐蝕產物Fe2+和OH-發生反應，生成FeCl2和NaOH：

FeCl2和NaOH在氧的作用下生成Fe2O3﹒H2O，即鐵銹，同時產生NaCl：

3 不同大氣環境下的腐蝕控制措施推薦

在實際應用中，輸電線路鐵塔的腐蝕控制措施的選擇不完全依據大氣環境條件，一般不分腐蝕環境，統一采用鍍鋅層腐蝕控制，除非在鐵塔腐蝕后，才為了現場施工方便才采用有機涂層防腐，難以達到有效的腐蝕控制目的。根據前述對輸電線路鐵塔的腐蝕環境、腐蝕機理分析以及下述的不同大氣環境下鍍鋅層的腐蝕機理分析，針對南方區域不同大氣腐蝕環境下輸電線路鐵塔推薦了優化的腐蝕控制措施。

3.1 中性大氣環境

在無污染的鄉村大氣環境下，鍍鋅層在 O2和CO2的作用下生成ZnO和Zn5（OH）6（CO3）2[19]：

在干燥的鄉村大氣、一般城市大氣中，由于大氣無污染，呈中性，鐵塔的熱鍍鋅與大氣中的氧反應生成氧化鋅：

2Zn＋O2→2ZnO

在潮濕的鄉村大氣、一般城市大氣環境中，鐵塔的熱鍍鋅與大氣中的氧、二氧化碳形成堿式碳酸鋅，由于鋅的電極電位低于鐵的電極電位，在腐蝕大氣環境中，鋅作為陽極溶解，而鐵作為陰極得到保護：

10Zn＋5O2＋4CO2＋6H2O→2Zn5（OH）6（CO3）2（堿式碳酸鋅）

氧化鋅和堿式碳酸鋅均為不溶于水的化合物，其結構致密、附著力強，使鐵基體與外界大氣隔絕，不再繼續遭受腐蝕。

在鄉村大氣、一般城市大氣等中性環境下，熱鍍鋅是輸電線路鐵塔理想的腐蝕控制措施。

中性大氣環境下鐵塔鍍鋅防護層的現場應用情況：貴州省黔南州獨山縣的±500kV高肇直流470#號桿塔處于鄉村環境，為中性大氣環境，桿塔采用鍍鋅防護，建于2004年，至今已運行17年，除個別部位在安裝時因局部破損而未及時修復處有少量銹蝕外，其余大面積熱鍍鋅層完好，鐵塔鍍鋅層在中性大氣環境中具有較好的腐蝕控制作用。

3.2 酸性大氣及化工廠大氣環境

酸性大氣及工業大氣環境中不宜采用熱鍍鋅或噴鋅合金加涂層腐蝕控制，推薦有機重防腐涂層。

由于酸性大氣及工業大氣環境中含有的SO2、H2S、NOX等酸性氣體，在潮濕條件下這些酸性氣體會形成腐蝕性極強亞硫酸、硫酸、硫化氫、亞硝酸、硝酸等酸性溶液，這些酸性溶液離解出H+：

如鐵塔采用鍍鋅層或噴鋅合金加涂層防腐，則鋅在與上述酸性溶液接觸后很快腐蝕、溶解，失去保護作用：

Zn→Zn2+＋2e

2H+＋2e→H2

因此，輸電線路鐵塔在酸性大氣及工業污染大氣環境的腐蝕控制措施不宜采用鍍鋅層，也不宜采用噴鋅合金加有機涂層防腐，建議采用有機重防腐三層涂層體系，涂層厚度（干膜）不小于250μm，三層涂層體系[20]由底涂層、中間涂層和面涂層組成，底涂層推薦耐蝕性能優良、附著力強的環氧類涂層；中間涂層主要提高對腐蝕介質的抗滲能力，一般通過添加鱗片狀填充物延長腐蝕介質滲透的路徑，可選用云母環氧中間涂層或玻璃鱗片環氧中間涂層；面涂層作為直接接觸腐蝕介質的涂層，需要具備優良的抗紫外線、抗大氣腐蝕、抗酸腐蝕的能力，常用的面涂層有丙烯酸聚氨酯涂層、氯化橡膠涂層、氟碳涂層等。

酸性大氣及化工廠大氣環境鐵塔有機防護層的現場應用情況：廣西壯族自治區南丹縣500kV山河甲線264#號桿塔處于冶煉廠附近，為酸性大氣及化工廠大氣環境，2003年新建時采用鍍鋅層防腐，運行5年后，鍍鋅層及鐵塔基體開始明顯腐蝕，2013年采用有機涂層維修重新防腐：清除銹蝕部分的銹層，涂刷環氧底涂、環氧云鐵中間漆、聚氨酯面漆重防腐，涂層厚度大于200μm，防腐后的鐵塔運行至今，除涂層變色及出現個別銹點外，鐵塔保護良好。

3.3 海洋大氣環境

海洋大氣環境下輸電線路鐵塔的腐蝕控制推薦采用熱噴涂耐海洋大氣腐蝕的鋅合金材料并采用附著力強的涂層封孔、選用抗紫外線和耐蝕性能優良的面涂層。

在高濕熱、高含鹽量的海洋大氣環境下，采用普通熱鍍鋅的輸電線路鐵塔不能滿足腐蝕控制的要求，熱鍍鋅在高濕熱、高Cl－的海洋性大氣中，會被腐蝕產生堿式氯化鋅，在弱酸性條件下，堿式氯化鋅會發生溶解，導致鍍鋅層腐蝕，且Cl－含量越高，腐蝕越嚴重[21]：

5Zn2+＋2Cl－＋8H2O → Zn5（OH）8Cl2（堿式氯化鋅）＋8H+

為適應海洋大氣的腐蝕環境，一系列的鋅合金材料和施工技術被開發出來[22]，如Zn-Al合金、Zn-Mg合金、Zn-Al-Mg稀土合金等，通過添加Mg、Al、稀土等微量元素提高了涂層的耐酸性能、耐鹽水性能，通過熱噴涂設備將這些合金材料加熱，使之成為熔融狀態的微粒，這些微粒在動力的作用下以一定的速度沖擊并熔融在基體表面上形成合金涂層，涂層與基體間為冶金結合，附著力強，形成的合金涂層為多孔狀，厚度約80～100μm，在多孔的合金涂層上封閉一層環氧或聚氨酯封閉漆，在封閉漆上涂刷一層耐蝕性優良的丙烯酸聚氨酯涂層、氯化橡膠涂層或氟碳涂層，涂層的干膜總厚度不應小于150μm。

海洋大氣環境鐵塔噴涂鋅合金加有機涂層封閉防護現場試驗情況：海南省海口市澄邁縣500kV福徐甲乙線34號桿塔，建造時采用熱鍍鋅防護，運行不足5年，發現鍍鋅層、基體鐵塔的腐蝕較為嚴重，2017年3月在鐵塔處掛片試驗：掛片規格50×25×2碳鋼，噴涂耐海洋大氣腐蝕的鋅合金涂層150～180μm，用環氧底漆封閉，聚氨酯作面漆，漆膜厚度大于200μm，未噴涂的部分采用耐老化的密封膠封閉，經過近5年的暴曬，漆膜保護層完好。

4 結語

長期以來，由于對輸電線路鐵塔的大氣腐蝕環境認識不夠或者是重視不夠，對不同大氣環境下鐵塔的腐蝕機理認識不清，導致在不同大氣環境下的輸電線路鐵塔的腐蝕控制大多采用單一的熱鍍鋅，實際應用中發現單一的鍍鋅層防腐并不能滿足不同大氣環境中的腐蝕控制要求。通過對南方區域典型輸電鐵塔的腐蝕環境及腐蝕狀況進行調查，參照國際標準對腐蝕環境的分類方法，將南方區域輸電線路鐵塔大氣環境分為中性大氣環境、酸性大氣及工業污染大氣環境、海洋大氣環境等，對不同腐蝕環境下的鋼鐵、鋅的腐蝕機理進行了深入、系統的探討與分析，在此基礎上，推薦了不同大氣環境下的腐蝕控制措施：中性大氣環境下宜采用熱鍍鋅層腐蝕控制；酸性大氣及工業污染大氣環境宜采用重防腐有機涂層；海洋大氣環境推薦采用噴涂耐海洋大氣腐蝕的鋅合金，用環氧或聚氨酯漆封閉、聚氨酯或氟碳等作為面層。采用這些腐蝕控制措施在實際應用中取得了比單一鍍鋅層腐蝕控制措施好得多的效果，延長了鐵塔的使用壽命，確保了鐵塔的安全運行。