濱海變電站鋼結構腐蝕評價與防護措施

摘要：采用紅外光譜（IR）、電子掃描電鏡（SEM）和電子能譜（EDS）對濱海變電站鋼結構腐蝕失效進行分析，探討變電站鋼結構的腐蝕失效過程。結果表明：在濱海海洋大氣和工業大氣耦合腐蝕環境下，氯離子和酸性腐蝕介質導致鋼結構及變壓器外壁腐蝕嚴重，腐蝕主要包括漆膜脫落和鼓泡、電偶腐蝕、微生物腐蝕、涂層老化及粉化，鋼結構已經發生嚴重的電化學腐蝕和金屬氧化。采用合適的防護措施，包括選用合適基材和涂覆重防腐涂料可提高變電站鋼結構的耐蝕性能和服役年限。

關鍵詞：變電站；腐蝕機理；鍍鋅鋼；海洋大氣腐蝕；重防腐涂層

1 概述

濱海變電站鋼結構的腐蝕源于熱力學的不穩定，鋼結構在苛刻海洋大氣和工業大氣腐蝕環境中，腐蝕介質（主要包括氯離子、氧氣、水分）會誘導鋼結構發生電化學腐蝕和應力腐蝕［1，3］。鋼構件處在海洋大氣中，由于鋼材本身物理及化學性質的不均勻性，構成腐蝕電池，導致出現電化學腐蝕。當腐蝕電池的陽極和陰極在金屬表面不規則地隨機分布時，便發生均勻腐蝕［4-5］；當腐蝕電池的陽極區面積較小而陰極區的面積相對很大時，便發生局部腐蝕。局部腐蝕增加了鋼結構脆性破壞的可能性，顯著降低了結構的耐久性。腐蝕介質到達鋼構件表面時，由于微裂紋的存在為局部腐蝕的發生創造了條件。隨著腐蝕過程的發展，微裂紋的寬度和深度進一步加大，因此應力集中的情況也越來越嚴重，這又加速了裂紋的進一步發展，為腐蝕介質提供了更大的空間［6-7］。

本文首先對浙江省寧波市10個濱海變電站進行腐蝕調研，探究變電站鋼結構的腐蝕失效過程，然后介紹寧波電力設計院有限公司聯合中國科學院寧波材料技術與工程研究所在裝配式變電站采用新型石墨烯重防腐涂層的防護效果，研制涂層可延長裝配式變電站鋼結構的服役壽命［8，10］。

2 濱海變電站腐蝕調查與討論

濱海變電站鋼結構在海洋大氣腐蝕環境中的腐蝕程度可劃分為輕微、較嚴重及嚴重三種等級［11］：輕微腐蝕表明鋼結構表面平整，有少許銹跡，但鋼結構基材完好；較嚴重腐蝕表明鋼結構表面有明顯銹跡、涂層鼓泡脫落且有明顯腐蝕坑；嚴重腐蝕表明鋼結構表面已全部被腐蝕產物所包裹，涂層脫落，腐蝕坑面積較大。依據此評判標準，對變電站室外鋼結構進行腐蝕調查。

2.1 總體情況

對浙江省寧波市10個已經服役超過8年的濱海變電站進行鋼結構腐蝕調研，發現未涂覆涂層的鋼結構已經發生較嚴重腐蝕，集中出現在抱箍、端子箱、支架和變壓器等設備上，詳見圖1。其中支架和變壓器表面涂層已經出現明顯起泡和脫落現象，清除其表面腐蝕產物后，腐蝕坑明顯，腐蝕深度為1～3mm；抱箍和端子箱上的涂層已經明顯粉化和失光，有銹跡從基材滲出。主要原因是在濱海海洋大氣和工業大氣耦合腐蝕環境中，氯離子和酸性腐蝕介質導致鋼結構及變壓器外壁腐蝕嚴重，腐蝕類型包括漆膜脫落和鼓泡、電偶腐蝕、微生物腐蝕、涂層老化及粉化現象等。

2.2 腐蝕形貌和腐蝕產物分析

圖2是變電站鋼結構及其腐蝕產物進行了電子掃描的電鏡（SEM）照片。發現鋼結構表面附著大量疏松的腐蝕產物，主要為鐵氧化物。通過局部腐蝕放大照片可以觀察到表面金屬有明顯腐蝕開裂現象，說明鋼結構在苛刻海洋大氣和工業大氣耦合腐蝕環境中，腐蝕劣化跡象明顯。右表是采用電子能譜（EDS）對支架、端子箱和抱箍表面腐蝕產物進行掃描得到的各元素含量。腐蝕產物中，發現氧元素、氯元素和硫元素含量均較高，說明鋼結構發生明顯腐蝕。其中氯元素主要來自海洋大氣中的氯化鈉，硫元素主要來自工業大氣中的硫化氫和鹽酸，氧元素含量高，說明鋼結構已經發生嚴重的電化學腐蝕和金屬氧化。

圖3是變電站鋼結構支架、端子箱和抱箍表面腐蝕產物的紅外光譜（IR）掃描譜圖。其中3660cm-1對應于羥基-OH的伸縮振動，來源于基材表面吸附的水膜，3424cm-1和1024cm-1對應于鐵氧化物Fe-O的伸縮振動，1636cm-1和470cm-1對應于C=O的伸縮振動，可能是金屬表面形成碳酸鹽。

2.3 變電站鋼結構的腐蝕防護措施

在苛刻海洋大氣腐蝕環境下，濱海變電站鋼構件主要采用三種涂層保護措施，分別為涂漆、熱鍍鋅和鍍鋅+涂漆。由于不銹鋼成本較高，熱鍍鋅酸性過程中會帶來環境污染，目前變電站逐漸采用裝配式鋼結構+重防腐涂層防護的模式。

裝配式變電站鋼結構工業化程度高，施工速度快，工期短，項目資金周轉快，對推動我國變電站建筑鋼結構工業化具有重要意義，是我國未來變電站施工建設的重要發展趨勢。由于建筑結構設計使用年限較長，一般民用建筑設計使用年限為50年，大型公共建筑如體育場館、跨海橋梁等設計使用年限可達100年，因此其中的鋼結構構件需要考慮其防腐性能及壽命問題。為了盡可能延長鋼結構在使用年限內的防腐大修時間，需要選用長效防護的重防腐涂料體系對裝配式鋼結構進行涂裝。裝配式變電站鋼結構的耐久性和服役壽命與其表面涂裝的防護涂料直接關聯。

寧波電力設計院有限公司聯合中國科學院寧波材料技術與工程研究所開發石墨烯重防腐涂層體系，重點突破石墨烯高效分散技術和長壽命涂層開發技術，考慮到裝配式鋼結構施工位于工廠內部和安裝現場補涂的特點，設計的石墨烯涂層體系（主要由低表面處理底漆+高固體石墨烯中間漆+聚氨酯耐候面漆）對裝配式鋼結構具有明顯優勢：（1）對基材表面處理要求低。在石墨烯防腐底漆中，增加鐵銹轉化劑，提高漆膜的防銹和鐵銹轉化效果；（2）涂料的施工效率和施工性能好，一次成膜厚。擬采用高固體石墨烯中間漆，具有體積固體份高，阻隔水汽性能好等優勢，一次成膜厚度可達200微米；（3）對裝配式變電站鋼結構的綜合防護壽命高。石墨烯重防腐涂料采用底漆、中間漆和面漆復配，可在海洋大氣腐蝕環境中，對鋼結構的防護壽命≥25年。圖4是石墨烯重防腐涂層在裝配式鋼結構變電站的現場施工照片，涂裝完畢后測試復合涂層在鋼結構上的附著力為12MPa，遠超過項目設計（附著力≥5MPa）要求。石墨烯重防腐涂層對裝配式變電站鋼結構進行有效防護，對濱海變電站在苛刻海洋大氣腐蝕環境下的安全穩定運行具有重大意義。

結語

我國輸變電技術已處于國際領先水平，裝配式變電站設備及施工技術也得了迅猛發展。對傳統已經服役的變電站進行腐蝕調研，發現變電站鋼結構的腐蝕問題不容忽視，集中表現在抱箍、端子箱、支架和變壓器等設備上。變電站鋼結構腐蝕與苛刻海洋大氣腐蝕和工業大氣腐蝕密切相關。建議采用新型裝配式變電站鋼結構搭配新型石墨烯重防腐涂層技術進行腐蝕防護。涂裝長效石墨烯重防腐涂層體系，可以延長裝配式變電站鋼結構在苛刻海洋大氣腐蝕環境中的服役壽命，通過環氧石墨烯防腐底漆，高固體環氧石墨烯阻隔中間漆和聚氨酯耐候面漆的配套，可對裝配式變電站鋼結構的防護壽命≥25年。

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資助項目：浙江省國家電網“苛刻海洋腐蝕環境下裝配式變電站鋼結構長效石墨烯重防腐涂層關鍵技術研發”項目資助

作者簡介：俞嘉輝（1995—），男，漢族，浙江寧波人，本科，助理工程師，主要從事電力土建工程的設計與研究。

通訊作者：劉栓（1986—），男，高級工程師，主要從事功能防腐涂料的研發。