圖 1熱噴涂工藝原理示意
Figure 1.Schematic diagram of thermal spraying process principle
隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,輸電線路容量和輸電距離的不斷增加,對輸電塔鋼結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命的要求也越來越高[1-2]。作為輸電線路的骨架,輸電塔通常架設(shè)在各種自然環(huán)境中,會遭受到不同程度的腐蝕破壞[3]。一旦輸電塔被腐蝕,其承載能力將大大降低,這會嚴重影響輸電線路的安全穩(wěn)定運行。因此,采取一定的防護技術(shù)來延長輸電塔的使用壽命對于輸電安全具有重要意義。
現(xiàn)階段輸電塔主要材料還是以低合金高強度鋼和熱軋低碳鋼結(jié)構(gòu)為主,各個鋼結(jié)構(gòu)部件通過焊接、螺栓等方式組合而成[4]。當介質(zhì)（水、空氣、二氧化硫等）作用于輸電塔鋼結(jié)構(gòu)表面時就會發(fā)生腐蝕[5]。大部分輸電塔腐蝕形式為局部腐蝕,少部分存在整塔腐蝕的情況[6]。局部腐蝕一般發(fā)生在一些特殊部位,如輸電塔塔腳處、焊接處等。一般塔腳所處位置的空氣比較潮濕,且SO2濃度較高,因此腐蝕速率會大大高于純空氣中,塔腳鋼結(jié)構(gòu)一般在1~2 a內(nèi)就會減薄50%左右[7-8]。但是,在惡劣環(huán)境（如沿海高濕高鹽環(huán)境、工業(yè)重污染區(qū)等）中輸電塔會發(fā)生整塔腐蝕。
根據(jù)腐蝕介質(zhì)、鋼材腐蝕類型以及地質(zhì)和氣候條件的不同,一般采用鋼材改性處理、熱鍍鋅涂層、電鍍涂層、涂裝防腐蝕涂料等方法對輸電塔進行防護。筆者對目前輸電塔的腐蝕類型和輸電塔腐蝕監(jiān)測技術(shù)進行了概述,介紹了不同防腐蝕技術(shù)原理、使用過程和發(fā)展現(xiàn)狀,并對輸電塔的防腐蝕技術(shù)進行了總結(jié)和展望。
1. 輸電塔腐蝕類型
隨著輸電容量的提升以及電力輸送距離不斷增長,“跨越高速公路、高速鐵路、重要輸電通道（三跨）”產(chǎn)生的安全問題也隨之增加[9-11]。輸電塔常見的腐蝕類型主要有表面腐蝕、節(jié)點腐蝕、底部腐蝕等。表面腐蝕可分為化學腐蝕、大氣腐蝕、顆粒侵蝕等；節(jié)點腐蝕主要發(fā)生在輸電塔的連接節(jié)點處,如焊接點、螺栓連接處等容易受到環(huán)境濕度、氧氣含量等影響的位置；輸電塔底部處于濕度較高的土壤環(huán)境,特別是在有鹽分或化學物質(zhì)的土壤中,易發(fā)生底部腐蝕。塔材銹蝕逐年積累造成倒塔隱患,這會對架空輸電線路交叉跨越造成極大威脅,工業(yè)城市、沿海地區(qū)的這一問題尤為突出,因此對輸電塔銹蝕程度的監(jiān)測與控制尤為重要[12-13]。
2. 輸電塔腐蝕檢測技術(shù)
現(xiàn)階段輸電塔腐蝕檢測方式主要有目視檢查、人工勘察、腐蝕探傷、遙感監(jiān)測等。目視檢查主要是通過巡視或使用望遠鏡等工具對輸電塔表面的氧化、銹蝕、剝落等腐蝕跡象；人工勘察一般使用便攜式測量儀器,如電位差計或電化學腐蝕監(jiān)測儀直接測量鐵塔表面的電位或電流密度,以評估腐蝕程度；腐蝕探傷則使用超聲波、磁粉探傷、渦流探傷等非破壞性檢測技術(shù),對鐵塔的金屬結(jié)構(gòu)進行掃描,以檢測隱蔽的腐蝕或金屬缺陷。KANG等[14]利用激光超聲導(dǎo)波對鋼結(jié)構(gòu)缺陷進行檢測和實現(xiàn)可視化,主要通過激光照射使得鋼結(jié)構(gòu)表面溫度突然上升,后續(xù)熱能通過絕熱膨脹以彈性能的形式在物體內(nèi)部傳播,而這種熱彈性波可由壓電傳感器獲取,它在超聲波領(lǐng)域很敏感。若鋼結(jié)構(gòu)背面有缺陷,超聲波傳播的圖像在缺陷區(qū)域?qū)⒈慌で?因此可以很容易在可視化圖像中檢測到缺陷。遙感監(jiān)測是利用遙感技術(shù),如衛(wèi)星遙感或無人機航拍,獲取高分辨率的輸電塔圖像,接著通過圖像處理和分析,可以觀測到表面腐蝕跡象,起到監(jiān)測鐵塔的腐蝕狀況的目的。HAN等[15]提出了一種腐蝕圖像檢測方法,包括超像素分割、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別和腐蝕區(qū)域定位三個步驟。結(jié)果表明,兩階段檢測方法可以獲得腐蝕區(qū)域的比例和相對結(jié)構(gòu)位置,所提出的方法可以通過與無人機的集成來促進鋼結(jié)構(gòu)沿線早期全面的腐蝕檢測。無人機圖像識別雖然可以監(jiān)測輸電塔鋼結(jié)構(gòu)外層的腐蝕狀況,但不能識別內(nèi)部缺陷,因此未來可以利用無人機搭載監(jiān)測裝置（一體化內(nèi)外識別裝置）來實現(xiàn)更加全面的監(jiān)測。通過建立腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,記錄鐵塔腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù),進行分析和趨勢預(yù)測,為后續(xù)的防腐蝕措施提供理論支撐。
3. 輸電塔防腐蝕技術(shù)
3.1 鋼材改性處理
鋼材改性處理方法一般指鋼的合金化,即在冶煉過程中加入Cu、Cr、Ni等金屬元素制備得到耐候鋼,以增強其對大氣環(huán)境的抵抗力[16-17]。耐候鋼Cor-Ten包括Cor-Ten A（Cu、P、Cr、Ni合金化）系列和Cor-Ten B（Cr、Mn、Cu合金化）系列[18]。耐候鋼具有組織穩(wěn)定,力學性能優(yōu)異的特點,與普碳鋼相比,其沖擊性能大幅提高,從而桿塔的耐低溫性能提高。在長期服役過程中,銹層的保護實現(xiàn)了耐候鋼的防腐蝕免維護[19-20]。張瑞琦等[21]研究了4種不同Cr、Ni、Cu元素含量的輸電塔用耐候鋼在模擬海洋大氣環(huán)境以及工業(yè)大氣環(huán)境中的耐蝕性。結(jié)果顯示,4種耐候鋼的耐蝕性均優(yōu)于Q345B鋼,當Cr質(zhì)量分數(shù)小于1.0%時,隨著Cr含量的增加,耐候鋼的耐蝕性沒有實質(zhì)性變化。羅義華等[22]研究了P質(zhì)量分數(shù)（0.20%~0.39%）對耐候鋼顯微組織、力學性能以及耐蝕性的影響。結(jié)果表明,在一定含量范圍內(nèi),P含量變化對該鋼顯微組織和力學性能影響均較小,P含量增加會增加D類球狀氧化物。通常情況下,P含量增加會降低鋼的低溫性能,特別是溫度低于-40 ℃時,其對沖擊功影響更大。當鋼中P質(zhì)量分數(shù)為0.028%時,輸電塔用耐候鋼具有最佳的耐蝕性,室內(nèi)加速腐蝕試樣的銹層厚度約為10 μm。因為耐候鋼在大氣中能形成致密和黏附良好的穩(wěn)定銹層,所以其耐蝕性比普通碳鋼更好,將耐候鋼應(yīng)用于輸電塔是未來防腐蝕技術(shù)的重要發(fā)展方向。
3.2 熱鍍鋅涂層
熱鍍鋅是將鋼及其制品浸入熔融金屬中形成金屬鍍層的一種方法[23]。涂層材料的熔點比基體低得多,高溫下涂層會與基體反應(yīng)形成冶金結(jié)合,使得涂層具有更好的耐蝕性[24]。經(jīng)過近200 a的發(fā)展,熱鍍鋅技術(shù)和其設(shè)備也日趨完善并已成為了重要的防腐蝕技術(shù)。王邦林等[25]以鍍鋅層厚度和最高硬度為指標,通過正交試驗對鋼質(zhì)件的熱浸鍍鋅工藝進行優(yōu)化。結(jié)果表明,當鍍前烘干溫度為80 ℃,烘干時間為3 min,鍍鋅溫度為440 ℃,鍍鋅時間為4 min時,鍍鋅層厚度可達138.2 μm,最高硬度為263 HV,耐腐蝕性能良好。但由于越來越多復(fù)雜工況的出現(xiàn),單一的熱鍍鋅涂層已不能適應(yīng)高強度的腐蝕環(huán)境,為了提高鍍層在海洋、工業(yè)大氣環(huán)境等特殊情況下的耐蝕性,人們對鍍層合金化進行了大量研究。20世紀80年代中期,日本鋼鐵研究中心研制出SuperZinc合金鍍層,即在鋅液中加入適量Al和Mg后形成Zn-Al-Mg復(fù)合鍍層,測得其耐蝕性遠遠高于純鍍鋅層。研究發(fā)現(xiàn),將稀土元素摻入Zn-Al-Mg鍍層中可進一步提升鍍層的耐蝕性。HAN等[26]在Zn-Al-Mg涂層中添加不同含量的稀土La和Ce,并分析了Zn-Al-Mg-Re復(fù)合鍍層的相結(jié)構(gòu),采用銅帶乙酸加速鹽霧試驗評價了Zn-Al-Mg-Re復(fù)合鍍層的耐蝕性。結(jié)果表明：摻雜La和Ce有利于生成新相如LaAl3或Al11Ce3和細化其晶粒,從而顯著提高鍍層的耐蝕性；經(jīng)168 h銅帶乙酸加速鹽霧試驗后Zn-Al-Mg-Re鍍層仍未被腐蝕。
3.3 熱噴涂涂層
由于熱噴涂技術(shù)能夠制備具有優(yōu)異結(jié)合強度、高密度和低氧化物含量的涂層,因此該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[27]。在熱噴涂過程中,金屬、陶瓷和一些呈線、棒或粉末狀的聚合材料被送入一個腔室、噴燈或噴槍中,在接近或高于其熔點的溫度下加熱,然后在基體表面加速沉積涂層,示意圖如圖1所示。GRINON-ECHANIZ等[28]在鋼基體表面通過熱噴涂技術(shù)制備了厚300 μm的Zn-15Al涂層,5%的表面缺陷被人工加工以暴露鋼基體。結(jié)果顯示,海水加速腐蝕試驗6個月后涂層還未被腐蝕,表現(xiàn)出良好的耐蝕性。CHEN等[29]采用超聲速電弧噴涂技術(shù)在噴丸處理后的Q345B鋼表面制備了Al涂層和Al-Zn涂層,并分析了兩種涂層的表面形貌、涂層結(jié)構(gòu)和相組成。結(jié)果表明：兩種涂層的厚度均為100 μm,在試驗參數(shù)條件下,Al涂層和Al-Zn涂層的抗滑移系數(shù)分別為0.717和0.823,滿足鋼結(jié)構(gòu)的服役要求,且表現(xiàn)出良好的防腐蝕性能；在水介質(zhì)條件下,Al-Zn涂層的抗磨特性較為理想。
3.4 電鍍涂層
電鍍是將工件（陰極）和鍍層金屬（陽極）放入電解液中,鍍層金屬在直流電的作用下會沉積在工件表面[30],是制備金屬鍍層最經(jīng)濟、最常用的技術(shù)之一。ANWAR等[31]采用含檸檬酸鹽浴的鍍液在鋼基體表面電沉積Zn和Zn-Ni鍍層,并系統(tǒng)研究了鍍液組成和電流密度等電鍍參數(shù)對鍍層相組成、耐蝕性的影響。結(jié)果顯示：在Zn-Ni鍍層的相結(jié)構(gòu)中,γ相（γ-NiZn3）（815）的強度最高,γ-Ni2Zn11（330）（631）平面取向且表現(xiàn)出較好的耐蝕性；與Zn鍍層相比,Zn-Ni鍍層具有更低的腐蝕電流密度和更正的腐蝕電位。BHAT等[32]以水楊酸和明膠為添加劑,制備了一種穩(wěn)定的氯化物鍍液,并在低碳鋼表面制備了Zn-Ni-Fe合金鍍層。結(jié)果顯示,該鍍層在40 mA/cm2電流密度下的腐蝕速率最小,當Ni質(zhì)量分數(shù)為19.61%, Fe質(zhì)量分數(shù)為5.70%時,鍍層的腐蝕速率較低,為26.4 μm/a。電鍍涂層可以改善材料的表面特性,但涂層與基體之間的結(jié)合不是冶金結(jié)合,如果前處理不當,鍍層可能產(chǎn)生脫落或起泡,且電鍍過程中使用的化學品和重金屬可能會造成環(huán)境污染,需要嚴格管理廢水和廢物。
3.5 涂裝防腐蝕涂料
輸電塔用鋼在出廠前一般都會進行熱浸鍍鋅處理以提高其防腐蝕性能,但熱鍍鋅涂層厚度容易出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。特別是在南方和沿海城市,環(huán)境中的酸性氣體和較高的鹽度和水分含量均會加速鍍鋅層的消耗。目前,提高輸電塔耐蝕性的方法主要有增加熱鍍鋅層厚度和涂覆防腐蝕涂層。與增加熱浸鍍鋅厚度的方法相比,涂覆防腐蝕涂層的工藝更簡單,再涂覆技術(shù)難度更小,成本也相對較低[33]。ZHANG等[34]通過添加石墨烯和α-氧化鋁,基于分步涂覆法設(shè)計了交替多層結(jié)構(gòu)的多功能環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層。結(jié)果表明：當填料質(zhì)量分數(shù)從0增加到0.15%時,該涂層的韌性和導(dǎo)熱系數(shù)明顯增加,而介電性能幾乎為0；整個腐蝕過程受電化學反應(yīng)控制,具有交替結(jié)構(gòu)的填料有效阻隔了腐蝕介質(zhì),提高了復(fù)合涂層的耐蝕性。水性防腐蝕涂料耐水性差,容易導(dǎo)致涂層劣化和金屬腐蝕。為了提高水性涂料的耐水性,ZHANG等[35]采用逐層施工法制備了聚四氟乙烯/二甲基硅氧烷/環(huán)氧樹脂（PTFE/PDMS/EP）疏水防腐蝕涂料。結(jié)果顯示：PTFE/PDMS/EP涂層的水接觸角可達到141°,其防護效率高達98.62%；浸泡7 d后,腐蝕過程仍停留在初始階段,這主要是由于PTFE/PDMS/EP涂層良好的密封性和阻隔性以及較高的防腐蝕效率。寧亮等[36]利用改性自制環(huán)氧固化劑,采用環(huán)氧樹脂作為底漆,丙烯酸作為面漆,制備了一種高耐候長壽命防腐蝕涂料。結(jié)果顯示,在殘留少量浮銹、輕微潮濕或不明顯油漬的基體表面仍可涂裝使用,經(jīng)酸/堿/鹽溶液浸泡、人工加速老化、濕熱、鹽霧試驗后,涂層外觀無明顯變化,附著力良好。
3.6 復(fù)合材料型輸電塔
隨著復(fù)合材料的快速發(fā)展,由于纖維（如玻璃纖維、碳纖維、超高分子量聚乙烯纖維等）增強復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強度高、耐老化性能好、絕緣性能好等特點,被認為是未來傳統(tǒng)輸電塔的替代材料。ABU等[37]對玻璃纖維增強的輸電橫梁復(fù)合材料（GFRP）進行了耐久性評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與其他傳統(tǒng)材料相比,GFRP具有更高的強度,耐蝕性,化學穩(wěn)定性,以及在惡劣環(huán)境中的可持續(xù)使用能力,并可能延長使用壽命。GAO等[38]研究了輸電塔用聚氨酯復(fù)合材料的老化性能,對其進行了5 000 h多因素加速老化試驗。結(jié)果顯示,老化試驗后復(fù)合材料表面完好無損,無脆性、開裂、變形等現(xiàn)象。BHOWMIK等[39]根據(jù)碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料塔架的現(xiàn)有設(shè)計方法進行建模分析,證實了復(fù)合材料塔架的可行性。莊開智[40]對復(fù)合材料桿塔與傳統(tǒng)桿塔的經(jīng)濟適用性進行了對比分析,并以110 kV桿塔（帶地線）為例進行造價分析。結(jié)果顯示,復(fù)合材料桿塔在長遠的運行維護、耐蝕性、經(jīng)濟性等方面占有優(yōu)勢。
4. 結(jié)束語
輸電塔由于長期暴露在自然環(huán)境中,很容易發(fā)生化學、電化學等腐蝕。需使用較全面高效的監(jiān)測手段,如采用無人機搭載內(nèi)外層一體化測試裝置對輸電塔進行腐蝕監(jiān)測。輸電塔的防腐蝕方式主要有鋼材改性處理、熱鍍鋅涂層、熱噴涂涂層、電鍍涂層、涂裝防腐蝕涂料、復(fù)合材料型輸電塔等。隨著電網(wǎng)設(shè)備精益管理的不斷深入,電網(wǎng)企業(yè)也不斷關(guān)注輸電塔的全生命周期管理。
文章來源——材料與測試網(wǎng)