贵州大气环境中耐侯钢在电网应用中的关键技术_李波.pdf

贵州大气环境中耐侯钢在电网应用中的关键技术李 波，孙 清，刘卓毅，樊 磊，何锦航，杨 明，（贵州电力科学研究院，贵州 贵阳；贵州大学材料与冶金学院，贵州 贵阳）摘 要 大气腐蚀对电网输变电设备的安全运行的影响显著。目前广泛在电网输变电设备领域使用的钢材的耐大气腐蚀性能和防腐技术难以满足电网建设和长寿命服役要求。首先简述了输变电设备大气腐蚀现状，指明了环境参量中大气成分、大气相对湿度、温度和钢材的化学成分、组织状态对电网设备腐蚀速率和腐蚀机制的影响；结合贵州省大气环境条件，对耐候钢在贵州电网应用中亟需解决的关键问题进行了分析；最后，提出通过现场暴露试验、加速试验和发展在线监测技术，不仅能收集海量的腐蚀数据，实现腐蚀评级并建立完整的大气腐蚀等级图，还可结合大数据处理和机器学习等方法，获得耐候钢在特定大气环境中的腐蚀机制，为耐候钢在电网设备中替代普碳钢和相关设备的安全运行提供技术保障。关键词 大气腐蚀；输变电设备；耐候钢；腐蚀机制；在线监测中图分类号 文献标识码 ：文章编号（），（，；，）：，：；收稿日期 通信作者 杨 明（），博士，副教授，主要研究方向为金属结构材料腐蚀与服役性能研究，电话：，：前 言钢铁材料由于普遍具有较高的强度和刚度，被视为重要的结构材料。绝大多数的钢铁材料都暴露在大气环境中服役，因此针对钢铁材料的大气腐蚀与防护研究已经成为重要课题。自上世纪 年代美国率先开展耐候钢的研究以来，欧洲各国、日本及韩国等工业发达国家陆续开展了在不同环境中服役的耐候钢的研制工作，至今已形成种类繁多的耐候钢，但各类耐候钢的耐蚀机理相同，主要是通过添加合金元素，在材料的 表面形成致密性保护层从而达到延缓腐蚀的目的，。目前在我国，耐候钢作为一种绿色环保材料，在交通运输、建筑、桥梁、园林、通讯等各个领域都受到了广泛重视。随着我国电网建设的快速高质量发展，对输变电设备的安全运行提出了更高的要求。当前，电网输变电设备多采用 和 钢质材料，相关设备的耐大气腐蚀性能主要取决于热浸镀锌和涂装表面处理。统计我国电网运行事故发现，输变电设备中杆塔腐蚀案例约占，变电站设备外壳和构支架腐蚀分别占总数的 和。李文翰等调查了我国华北地区电网设备的腐蚀情况，发现遭受轻微腐蚀、中度腐蚀和严重腐蚀设备的总量分别为、和。此外，由于我国幅员辽阔，气候类型多且变化显著，因此在电网建设快速发展的情况下，电网设备的大气腐蚀问题显得尤为严重，直接威胁到在大气环境中服役的电网设备的安全稳定运行。为了从根本上提高电网金属器件在大气环境中的服役可靠性并延长其使用寿命，国外电网建设中多采用耐候钢替代普碳钢，在延长工程器件防腐寿命的同时显著降低了经济成本。然而，我国电网输变电设备中极少使用耐候钢，能否效仿国外采用耐候钢替代普碳钢并实现输变电设备的安全、可靠与稳定运行，从而显著降低电网的建设、运行及维护成本，亟待开展相关的研究工作并实现推广应用。输变电设备大气腐蚀现状影响输变电设备大气腐蚀的主要因素来源于内外两部分。外在的因素是指环境因素，主要包括：（）大气成分，（）大气湿度和温度，（）矿物质颗粒、尘埃等固体颗粒物。而内在的因素是指钢材质对腐蚀速率和腐蚀机制的影响，主要有：（）钢结构特征；（）钢材的化学成分；（）钢结构表面状态。环境因素参量环境因素对输变电设备腐蚀速率影响的参量包括了大气成分、大气湿度、温度和降雨量、矿物质颗粒、尘埃等固体颗粒物等，。不同的大气成分会影响输变电钢材的腐蚀机制和腐蚀速率。如典型的海洋大气的主要成分为氯盐。在海洋气候中，氯化物颗粒具有强的吸湿性，易于沉积在钢结构表面，并形成具有高电导率的电解质膜。此外，吸附在钢结构表面的氯离子不仅破坏了钢表面的钝化膜，而且加速了电解反应速率。而在工业大气环境中，大气成分主要为硫氧化物（）、氮氧化物（）、硫化氢（）、二氧化碳（）、一氧化碳（）、氨（）等，这些气体溶解于钢件表层水溶液中，将发生如下反应：（）（）（）（）或者进一步发生氧化：（）（）在钢结构表面水膜中，当形成、和 电解质后，含酸性介质的电解液的导电性升高，钢结构表面活性区增加，最终加速了钢材的腐蚀速率。此外，各种大气腐蚀介质相互影响，产生交互作用，会促进腐蚀过程。在工业大气环境下，可以采用图 描述钢铁大气腐蚀的过程。图 钢铁大气腐蚀过程示意图 大气的相对湿度也会影响输变电设备的腐蚀速率。当钢制结构输变电设备长期暴露在大气环境中时，大气中的水分子与钢铁表面原子以范德华力结合，或者与钢铁表面沉积的盐粒、腐蚀产物发生化学凝聚 结合，形成几 几十 的层状导电液薄膜。该层状液膜实际上是腐蚀性原电池，而原电池电流的大小直接决定了腐蚀速率。相对湿度是空气中水分含量的测量值与饱和值的比值，由于环境中的颗粒物和吸湿性盐的数量随相对湿度的增加而增加，会导致电化学过程或腐蚀过程显著加速。大气温度同样会影响水蒸气在钢表面凝聚成水膜的能力，从而影响水膜凝聚气体和盐分介质的能力，这些因素最终导致了钢材表面水膜的电导率及电化学腐蚀速率发生变化，进而影响了钢材的腐蚀速率。文献表明，大气温度每升高 ，钢材的腐蚀速率将增加 倍。由于大气成分、大气湿度、温度和降雨量等存在差异，可以确定钢铁材料在海洋环境、工业环境、城市和农村环境中的耐蚀性能差异很大。不同类型大气中耐候钢的腐蚀深度与暴露时间关系的典型示意图见图。由图 可知，海洋环境由于具有更大的湿度、更高的气温和酸性介质含量，因此对耐候钢的耐蚀性提出了更高要求。图 不同类型大气中耐候钢腐蚀深度与暴露时间关系的典型示意图 材料因素从材料因素出发，在大气环境中服役的输变电设备的耐蚀性能还受材质的化学成分、物相组成等因素的影响。在无法改变环境条件时，耐候钢的合金成分和微观组织对其服役性能的影响显得异常重要。耐候钢在大气中的耐蚀性优于碳钢，添加的合金元素起到了重要作用。通常耐候钢中添加的合金元素质量分数在 范围内，主要包括铜、铬、镍、磷等元素。合金元素在锈层中主要以 种形式稳定存在：（）以氧化物形式存在；（）替代 元素；（）以氧酸盐形式存在；（）以金属态类型存在。其中以前 种形式存在的合金元素会对锈层的结构产生重要影响，并且当合金元素以氧化物和替代 元素的形式存在时，能形成致密的氧化层，降低活化阳极区域的面积。具体而言，在大气环境下，耐候钢中的 元素对其耐蚀性的贡献主要体现在以下 点：一是活化阴极，促进耐候钢表层阳极钝化，从而减缓钢的腐蚀过程；二是在基体之上形成氧化铜中间层和富铜表层，构筑致密完整的双层耐蚀结构，从而阻挡大气腐蚀。耐候钢中的 元素是良好的阳极去极化剂，使得钢材表面的 形成均匀的 层，进一步反应后获得非晶态羟基氧化铁产物，该产物致密度好，是耐候钢的耐蚀性保护膜。但是，耐候钢中 的含量不宜过多，否则会导致钢的脆断。此外，耐候钢中的 元素也有助于在钢材表面形成致密的氧化膜，从而提升钢材的电极电位和钝化能力。元素可以提高钢材的自腐蚀电位和点蚀抗力，显著降低耐候钢的腐蚀速率和腐蚀深度。更重要的是，多种合金元素共同添加时能够产生耦合作用，进一步阻碍钢材表层的氧原子及腐蚀性阴离子向基体侵蚀，如适量的 与、，以及 与、共同作用可强化耐候钢的耐蚀性能。此外，耐候钢经过不同热处理获得的组织形态和组织均匀性也会对耐候钢的耐蚀性能产生影响。耐候钢中的组织一般有铁素体珠光体、针状铁素体和马氏体 种组织，其中马氏体组织的强度最高，耐蚀性能也最好，而铁素体珠光体组织的强度最小，耐蚀性能也最差。通常认为，具有均匀单一组织的钢材的耐蚀性能更好，即使存在化学成分相同的多种组织或物相时，由于存在相间电位差，会形成电偶腐蚀，在微区内形成原电池，从而使具有中低电位的组织或物相发生腐蚀溶解。耐候钢在贵州电网中的应用环境分析耐候钢在桥梁和建筑中被广泛使用，但在电网输变电设备中的应用很少，其原因在于电网设备多在野外大气环境中使用，耐候钢在不同大气环境中的腐蚀过程和机制并不相同，也目前仍缺乏相应的腐蚀数据，从电网安全运行角度仍无法大范围广泛使用耐候钢。但在美国、日本及部分欧洲国家，已经开展了钢材在不同大气环境中的耐蚀机理研究，在部分电网输变电线路中，已采用耐候钢替代钢制器材。如在美国 电网系统中，的输电杆塔材均为耐候钢材质，部分线路的耐候钢塔杆已服役长达 以上，目前运行状况良好。而在我国，年才开始使用在电网输变电设备中耐候钢，在厦门地区梧侣内官 输电线回路上使用的耐候钢设备，目前运行状况良好。贵州省作为西电东送的主要省份，该省输电网络的建设需求日益增大，截至 年底，贵州电网有 变电站共计 座、变电容量达 万；变电站 座，变电容量计 万。可见，贵州省输变电站建设存量大，输变电设备新建需求高，而输变电设备在大气环境中服役时的腐蚀失效过程极为复杂，输变电设备的服役寿命和服役安全主要取决于输变电设备所处的腐蚀环境和输变电设备的性能。腐蚀环境受气候条件、地理位置、大气环境等因素影响，具有显著的地域特征。贵州省位于中国西南部，属于典型的副热带东亚大陆季风气候，气候主要特点为多雨、潮湿、日照时间短，时空分布不均，极易造成严重的金属腐蚀环境。气象部门提供的数据显示，贵州省的年日照时数低于 ，全省各地区的年平均降水量高于 ，极值为 。近 贵州省相对湿润度指数多年平均值为 ，最大值为，并且一年四季湿度差别较小。数据表明，贵州省气候湿度之大，年日照时数之少，在我国同纬度东部平原地区极为罕见。同时，贵州省目前形成了以磷煤化工为中坚产业，西电东送的产业结构与能源结构。磷煤矿业的开发与利用，必然带来伴生硫、磷、氟、氮元素的释放，这些污染物结合高湿度的气候环境，对各种金属材料大气腐蚀构成了极为不利的环境条件。此外，贵州省多数城市地理环境复杂，多为四面环山的封闭环境，不利于污染物的扩散，易于形成显著的酸性大气特征。贵州地理环境还包含有低纬、山区、高原等地形地势，这些特殊的地理环境易于引发“凝冻”和“湿冷”等灾害气候，冬季气温低以至于常年出现冻雨天气。因此，在输变电设备中采用耐候钢替代传统的防腐材料，需要对耐候钢在贵州特殊大气环境下的服役性能进行充分评估。耐候钢腐蚀数据的收集方法选定电网输变电设备的耐候钢材质时，必须根据贵州大气腐蚀环境中耐候钢的腐蚀机制，收集腐蚀数据，进行腐蚀评级，并发展耐蚀钢输变电设备在线监测技术。腐蚀机制研究有研究表明，耐候钢的耐蚀性与其锈层结构有关，而锈层结构取决于耐候钢的合金元素种类、含量和其所处的大气环境。现有研究表明，锈层的成分、物理化学性质和结构是影响锈层致密度和稳定性的主要因素。耐候钢的锈层由各种形式的 组成，主要包括 、尖晶石型氧化物和非晶态腐蚀产物，但因环境气氛的不同，锈层的成分并不相同。如在微酸性条件下，易形成 腐蚀产物；而在氯离子介质中，腐蚀锈层则为 ；在酸性腐蚀介质中，则是主要的锈层产物。由于锈层中不同物质的晶体结构存在差异，其导电性和化学稳定性存在显著差异，如 是一种热力学稳定的物质，在自然环境中不发生电化学反应，腐蚀产物较稳定；而 产物的稳定性差，在湿热条件下易转换为 和等物质，加速了阴极反应过程。图 显示了耐候钢在不同腐蚀介质中的锈层产物的 形貌，可见要深入揭示不同耐候钢在不同大气环境中的腐蚀机制，需要关注耐候钢的锈层成分和结构。图 耐候钢在不同腐蚀介质中的锈层产物的 形貌 关于耐候钢大气腐蚀机制和腐蚀速率的研究多依赖现场暴露试样，在主要架设线路和输变电设备位置进行 的暴露试验，该方法耗时太长，成本过高，也可采用湿热试验法、浸泡实验法或模拟自然环境的多因子复合加速法等进行加速试验。此外，也可采用极化曲线、电化学阻抗谱测试的方法，揭示不同环境中各类型耐候钢的电化学腐蚀理论，同时，也可利用在线监测技术研究耐候钢的大气腐蚀机制和腐蚀速率。大气腐蚀模型和腐蚀等级图我国幅员辽阔，大气环境复杂多样，大气环境的差异使得电网用钢制设备和钢结构的腐蚀规律和腐蚀机制存在显著差异。为此，需了解不同类型耐候钢在不同环境中的腐蚀特性。大气腐蚀等级图是利用暴露试验所获得的腐蚀速率数据，利用空间插值法、统计参数模型等方法，绘制获得的一种可视化的大气腐蚀危险程度图。大气腐蚀等级图能够定量描述金属材料