塔脚腐蚀对输电铁塔安全性能的影响

塔脚腐蚀对输电铁塔安全性能的影响

赵维策1，施展2

 浙江盛达铁塔有限公司，浙江省杭州市310000 浙江元利江东铁塔有限公司，浙江省杭州市310000

摘要：输电铁塔与基础接触部分腐蚀是工程中频繁出现的一大难题，同时也是一个极大的安全隐患。本文分析了输电铁塔塔脚腐蚀的原因，对腐蚀机理进行了研究，分析了处理主角钢插入式与地脚螺栓式腐蚀时采用的不同的方法，分析了气密性混凝土工作原理并对气密性混凝土进行了配比，提出了一种输电铁塔与基础接触部分的防腐治理方案，包括对腐蚀程度的判定，对已腐蚀塔脚的整套除锈操作，再对塔脚的二次气密性封堵，从而达到了从根源上防止了腐蚀的发生。

关键词：塔脚腐蚀；输电铁塔；安全；影响；研究

引言

输电铁塔是高压输电线路的承重结构，其可靠运行对电力安全至关重要。高压输电线路大部分都采用了型钢经螺栓或焊接起来的钢结构铁塔，因输电线路多是跨区域，长距离建设，所以服役条件是长期露天运行，面临各类气象条件和大气腐蚀，运行环境恶劣。目前我国常采用热浸镀锌作为防止铁塔腐蚀的方法，在空气干燥、洁净的环境中，热镀锌层可以起到很好的防护作用，防护时间可达十几年甚至几十年。当输电铁塔处于沿海、城市或重工业污染环境中时，大气中存在、、等腐蚀性气体以及强吸湿性、等污染物质，在一定的润湿条件下，使起保护作用的热镀锌层发生电化学腐蚀，使热镀锌层的防护时间大大缩短，严重者危害铁塔安全运行。

1输电铁塔锈蚀原因

由于铁塔周边乡镇企业的不断增多，以及高速公路等交通干道车辆尾气的排放，使得大气中的ＳＯ２、氮氧化物等污染物含量较高。ＳＯ２及氯离子等大气污染物的分子量较大，在无风或者微风的条件下会发生一定程度的沉降，造成在不同高度污染物的浓度分布不同。研究表明 ：地表的腐蚀速率最大，在１-９ｍ高度范围内，随高度的增加腐蚀率有明显下降，９-２５ｍ高度内腐蚀率的下降幅度很小，说明随高度增加大气腐蚀的影响逐渐减弱。另外，因降雨、凝露等造成塔材表面的水向塔脚处的汇集，使塔脚处的污染物含量最高。锌在大气中具备良好的耐腐蚀能力，在一般大气环境中，表面会生成致密的、具有保护作用的ＺｎＯ膜，可阻滞腐蚀的进一步发生。如果大气中存在ＳＯ２，由于ＳＯ２的极性极强，易溶于水，生成很不稳定的亚硫酸，见式（1）。在一定的润湿条件下，ＳＯ２会溶于热镀锌表面吸附的水膜中，与ＺｎＯ膜发生反应，最终生成ＺｎＳＯ４和Ｚｎ４ＳＯ４(oH)６，见式（1），（2），（4）。根据图４（a）的ＸＲＤ衍射分析结果，上底座表面的腐蚀产物的主要成分是ＺｎＯ和Ｚｎ４ＳＯ４(oH)６，可以证明是上底座表面的热镀锌层是因大气中的ＳＯ２而被腐蚀的。由于生成的ＺｎＳＯ４等腐蚀产物疏松多孔且可溶于水，不仅不能起到保护作用，反而具备一定的吸湿性，并且腐蚀产物中的裂纹和孔隙会提供使ＳＯ２，Ｈ２Ｏ和Ｏ２进入的通道，促进腐蚀反应继续进行，这也是热浸镀锌在重工业大气环境下保护效果差的根本原因。

在热镀锌层被完全腐蚀后，腐蚀的对象转变为对基体Ａ３钢的腐蚀。对于Ａ３钢在我国多个地区大气暴露试验表明，在腐蚀开始两年危害作用很突出，但在之后作用明显下降。在腐蚀发生初期，腐蚀产物的主相是γ－ＦｅＯＯＨ和ＦｅＳＯ４，其他还有少量α－ＦｅＯＯＨ和Ｆｅ３Ｏ４。γ－ＦｅＯＯＨ具有一定的活性，是立方晶格，晶格常数大，不能成为附着力强的致密保护膜，使腐蚀产物的结构疏松多孔，这种结构同样有助于ＳＯ２，Ｈ２Ｏ和Ｏ２的不断进入而具备电化学腐蚀持续进行的条件。并且γ－ＦｅＯＯＨ和ＦｅＳＯ４能够循环反应，见式（５），（６），不断生成和分解，使难溶腐蚀产物很难稳定存在，既能够使Ｆｅ２＋，ＳＯ４２－和Ｈ＋自由移动，导致电解液的导电性进一步增强，另一方面表面活性区域增大，因此使得Ａ３钢在ＳＯ２存在的条件下电化学腐蚀过程加速。

随着暴露时间的延长，γ－ＦｅＯＯＨ会有向Ｆｅ３Ｏ４（稳定的磁铁矿结构）和向稳定的α－ＦｅＯＯＨ转变的趋势，而α－ＦｅＯＯＨ会逐渐脱去水分子形成更加稳定的难物Ｆｅ２Ｏ３。上底座表面的腐蚀产物接触的Ｏ２浓度高，经过长时间的暴露，会发生转变以及脱水反应，因此腐蚀产物的成分以α－ＦｅＯＯＨ和Ｆｅ２Ｏ３为主。而在腐蚀产物内层，Ｏ２浓度要比表面低，并且生成的时间要短，因此腐蚀产物成分以Ｆｅ３Ｏ４和γ－ＦｅＯＯＨ为主。综上所述，造成塔脚腐蚀的原因是受到周边乡镇企业排放的工业废气和高速公路汽车排放的尾气影响，大气中含有ＳＯ２等污染物，塔脚的位置处与铁塔的最底部，因ＳＯ２沉降和降雨、凝露等气象因素，导致塔脚处的ＳＯ２浓度最高。而锌和Ａ３钢在ＳＯ２存在的环境中腐蚀速率远高于在纯空气中（不含ＳＯ２），并且生成的腐蚀产物的结构都是疏松多孔，存在较多孔洞和裂纹，这些孔洞和裂纹既能够成为ＳＯ２，Ｈ２Ｏ和Ｏ２进入的通道，还具有一定的吸湿性，而塔脚因农业生产的灌溉和雨水的汇集，经常处在潮湿环境中，能够满足腐蚀持续进行的电化学条件。这几种因素的共同作用，使腐蚀不断的以较快的速度进行，所以造成塔脚处的腐蚀速率很高，在１-２ａ的时间内腐蚀减薄超过５０％。

2防腐机理研究

目前市面上常有的防腐方式主要为镀膜防腐，这种方式的优点是在易腐蚀的金属表面镀上一层化学性质稳定的物质(锌、铬等)，来隔绝金属与外界空气的接触，对其进行保护，但是其缺点非常的明显，随着时间的推移，镀膜层还是会与空气发生反应(小概率)，毕竟镀膜金属的稳定时不是绝对的，或者受到其他影响(光照、人为因素)而脱落，这就为腐蚀的发生提供了有利条件。而在某些时候，当由于一些原因，金属内部发生腐蚀，我们于外界是无法直接观察到的，这也是一个潜在的安全隐患。

所以目前应该考虑的是从另外一个方面去治理腐蚀，而不考虑更新镀膜材料。腐蚀的原因是金属与空气中的氧气、水发生反应，而导致的一种消极后果，所以我们应该从根源上去寻找解决办法，只要完全隔绝了空气，那么腐蚀就不会发生。传统的镀膜方式，在稳定性方面存在一些问题，所以当下的问题是研究一种在隔绝空气方面与稳定性方面兼备的方法。

通常铁塔的塔脚封堵会采用的硬度较高的混凝土，因为铁塔本身占空体积较大，重量也大，所以塔脚作为支撑点必须要有足够的支撑力。那么容易腐蚀的部位也是铁塔与混凝土接触的部位，因为混凝土与铁塔接触的部位不会完美契合，存在一些小的沟壑，一旦雨后，雨水会堆积在沟壑里，然后腐蚀铁塔。最严重的是混凝土不是完全密闭的，还存在空隙，如果雨水通过空隙流入到内部，与塔脚根部发生反应，严重影响了铁塔的安全性和稳定性。能够通过改变混凝土的配比，来提高它的密闭性，让它更加的“紧凑”，这就解决了传统混凝土内部比较疏松的问题，从而也解决了塔脚易腐蚀的问题。这也是后文为何选择气密性混凝土作为封堵材料的原因。

3铁塔除锈处理

输电铁塔腐蚀是一个循序渐进的过程，而且表面会形成不止一层化学成分，还包括最开始涂刷的防腐蚀漆，所以要对其进行除锈且清除得彻底，必须考虑到对各层的清理。针对主角钢插入式和地脚螺栓式，除锈前需根据腐蚀程度判定，然后对主角钢插入式进行开槽处理，在塔脚周边开出一个半径适中，深度2～5cm的圆柱形槽;对地脚螺栓式，直接将其塔帽进行拆卸即可。这里将通过4个步骤对塔脚的锈蚀进行处理。

3.1油渍清理

考虑到油渍通常是附着在金属表面上的第一层污垢，为了确保后期工作，需要在早期阶段彻底清洁和去除。只有当金属表面没有油时，才能涂上防锈漆，并且可以更有效地进行去锈处理。油污与其他污垢不同，处理后去锈效果更好，是后续加工的第一道工序。在实践中，通常使用表面活性剂来清洁金属上污染的油渍，这也是一种安全有效的方法。不仅可以完全去除油渍，而且表面活性剂中的化学成分也不会与铁反应。过去经常使用有机溶剂或碱液，尽管有些溶剂或碱液具有良好的清洁效果，但它们中的一些容易与铁发生化学反应并污染环境。因此，使用表面活性剂清洁它是最安全，最有效的方法。

3.2铁锈清理

生活中输电铁塔基本都是由钢材制成的，锈蚀后的钢铁锈的成分主要是FeO，Fe2O3和Fe3O4，可以考虑用酸性溶液来进行化学反应来对此清除，酸溶液可以以一定的比例由盐酸，硫酸和硝酸制备，但通常在上述试剂中，盐酸溶解性最强，价格适宜，因此盐酸试剂可主要用于除锈。

3.3旧漆膜的处理

旧漆膜是传输线塔上的旧的一层保护膜。在涂装新漆膜之前的化学处理过程中，旧漆膜必须经过有效处理才能直接涂上新的漆膜，否则铁塔上的漆膜厚度将逐一累积。一旦暴露在阳光下或其他原因，它就容易开裂和脱落。市场上有特定的无机和有机漆膜去除剂。

3.4涂刷防锈涂料

防锈涂料主要解决2个重要问题:空气和污染物的腐蚀。在金属表面上使用涂层以防止腐蚀是一种有效且持久的方法。由于本方案会对塔脚进行完全的气密性封堵，所以对于涂刷防锈材料，考虑经济性为主，因此采用刷环氧富锌底漆两遍，每次40μm，再刷聚氨酯灰色面漆一遍(40μm)，刷漆时将塔脚盖住即可。

结语

输电铁塔是高压输电线路的承重结构，其可靠运行对电力安全至关重要。高压输电线路大部分都采用了型钢经螺栓或焊接起来的钢结构铁塔，因输电线路多是跨区域，长距离建设，所以服役条件是长期露天运行，面临各类气象条件和大气腐蚀，运行环境恶劣。目前，我国常采用热浸镀锌作为防止铁塔腐蚀的方法，在空气干燥、洁净的环境中，热镀锌层可以起到很好的防护作用，防护时间可达十几年甚至几十年。

参考文献

[1]输电线路铁塔防腐蚀保护涂装：DL/T1453-2015[S].北京：中国电力出版社，2015.

[2]刘栓，周开河，方云辉，等.石墨烯重防腐涂层在国网输电铁塔防护的应用研究[J].中国材料进展，2017，36（6）:442-447.

[3]刘爽，胡新芳，高森，等.500kV输电线路铁塔塔脚腐蚀原因及处理方案[J].腐蚀与防护，2013，34（11）:1026-1029.

[4]庄建煌，陈彤，黄伟林.架空线路铁塔局部腐蚀机理研究及对策[J].中国电业，2015（1）:29-32.

[5]李新梅，李秀莲，张忠文，等.输电塔塔腿镀锌层电化学腐蚀性能研究[J].表面技术，2018，47（2）:189-194.

[6]钱洲亥，王静，周海飞，等.大气区异型钢结构上复层矿脂包覆防腐技术施工要点[J].电镀与涂饰，2016，35（18）:976-979.

[7]李哲，金祖权，邵爽爽，等.海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀机理及监测技术概述[J].材料导报，2018，32（23）:4170-4181.

[8]胡家元，周海飞，夏晋，等.测试角钢在大气-混凝土界面腐蚀速率的装置及方法：108267491A[P].2018-07-10.

[9]混凝土结构耐久性技术规范：DB33-T1128-2016[S].杭州：浙江省住房与城乡建设厅，2016.

[10]输变电工程地基基础检测规范：Q/GDW11653-2017[S].北京：国家电网公司，2017.

[11]胡家元，夏巧群，姜炯挺，等.某变电站构架避雷针腐蚀失效的原因[J].腐蚀与防护，2018，39（7）:566-570.