输电线路铁塔塔腿腐蚀分析及防治措施研究_吴树涛.pdf

2023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图1福建电力大气腐蚀等级分布图收稿日期：2022-12-19资助项目：国网福建省电力有限公司宁德供电公司科技项目“装配式输电线路杆塔基础保护帽研制”（52139022000C）作者简介：吴树涛（1987），男，硕士，高级工程师，主要从事电网建设管理及研究工作。输电线路铁塔塔腿腐蚀分析及防治措施研究吴树涛1林桂1方煌盛2辛跃1陈孝湘2（1国网福建省电力有限公司宁德供电公司福建宁德3520002中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司福建福州350003）摘要通过对福建省在役500 kV架空输电铁塔腐蚀情况调研，发现塔腿与保护帽连接部位腐蚀最为常见，且腐蚀程度也更为严重。在此基础上，对塔腿的腐蚀机理进行分析，并梳理保护帽常见质量问题及相应的防治措施，为架空输电线路的安全运行提供技术支持。关键词铁塔保护帽腐蚀防治中图分类号：TM753文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)03041040引言随着福建省电网事业的飞速发展，架空输电铁塔建设数量也日渐增多。铁塔作为架空输电线路的重要结构，主要起到支撑导、地线及其他部件的作用，其服役性能对电网的供电安全至关重要。目前，架空输电铁塔防腐保护遵循预防为主、防护结合的原则1，普遍采用热浸镀锌来阻止和减轻塔材的腐蚀。在一般大气环境下，镀锌铁塔服役年限可达20 a2。但架空输电铁塔多数处在野外，其运行环境十分复杂，铁塔腐蚀现象不可避免。腐蚀会引起塔材截面减小、承载力降低，进而影响铁塔服役性能及运行寿命。近年来，不少学者对铁塔腐蚀情况开展调查研究2-4，但相关案例所处地域环境、气候条件、相对湿度、污染物种类和浓度均与福建省存在一定的差异。因此，本文通过对福建省架空输电铁塔开展腐蚀情况调研，记录铁塔腐蚀情况，重点对铁塔塔腿与保护帽连接部位腐蚀机理进行分析，并梳理保护帽常见质量问题及相应的防治措施，为架空输电线路的安全运行提供技术支持。1输电铁塔腐蚀情况调研为了更加全面深入地开展架空输电铁塔腐蚀现状调研，收集了60余条福建省已投运的500 kV输电线路的运行情况，其中出现腐蚀案例的输电线路共计19条，如表1所示。铁塔腐蚀涉及主材、斜材、金具、塔腿与保护帽连接部位等。显而易见，出现腐蚀案例的输电线路多位于福建省沿海区域，如福州、厦门、泉州等地，这是由于省内大量架空输电线路建设在沿海地区，基数庞大，因而腐蚀案例数量多。此外，沿海城市工业发达，大气中硫氧化物、氮氧化物等腐蚀性气体含量相对较高，且临海大气中含有大量Cl-，其大气环境腐蚀等级为C4、C5，如图1所示（国网福建省电力有限公司绘制）。调研发现塔腿与保护帽连接部位腐蚀最为常见，且腐蚀程度也更为严重，这与保护帽的浇筑工艺、顶面排水性能存在关联，图2为500 kV后沧路#115的B腿斜材角钢与保护帽连接部位发生腐蚀，最大锈断截面达1/2。铁塔在各类荷载作用下产生的上拔力及下压力均通过塔腿并经基础传至地基。当塔腿出现腐蚀时，将影响铁塔的服役性能及运行安全。如果未能及时监控其腐蚀情况并采取有效措施，任其持续发展必将引发倒塔事故，造成不可挽回的经济损失和安全危害。2塔腿腐蚀机理2.1大气腐蚀大气腐蚀较为严重的输电线路大多处于工业区影响范围，内有化工厂、火电厂等污染企业，其大气中的SO2、CO2、NO的含量明显较多，其中SO2年均浓度超过6 g/m3，造成铁塔表面液膜酸根离子偏高，对镀锌层的腐蚀起主导作用。在大气环境下，部分SO2会被氧化成SO3，SO3与大气中的水蒸汽进一步能 源 与 电 力412023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图2500 kV后沧路#115 B腿斜材严重腐蚀图3铁塔基材电化学腐蚀示意图结合形成H2SO4，H2SO4将与塔材镀锌层Zn发生化学反应生成可溶性的ZnSO4，锌盐易被雨水冲刷，露出基材。H2SO4继续腐蚀基材生成FeSO4，而FeSO4又能进一步氧化水解成H2SO4，周而复始，加剧了塔材的腐蚀。大气中SO2对铁塔腐蚀的化学原理如式（1）（5）5：2SO2+O22SO3（1）SO3+H2OH2SO4（2）Zn+H2SO4ZnSO4+2H+2e-（3）2Fe+2H2SO4+O22FeSO4+2H2O（4）4FeSO4+O2+6H2O4FeOOH+4H2SO4（5）2.2电化学腐蚀福建属于亚热带海洋性季风气候地区，铁塔运行环境中湿度较大。因温差变化和吸附作用，大气中的水分易在塔材表面上形成薄液膜。薄液膜里含有少量H+和OH-，还溶解了O2，在镀锌层被腐蚀而露出的基材表面形成了一层电解质溶液，它跟基材的Fe和少量的C恰好形成无数微小的原电池，其电化学腐蚀示意图如图3所示。在弱酸性或中性液膜环境下，原电池里Fe是负极，C是正极，Fe失去电子而被氧化形成Fe2+，Fe2+与OH-形 成Fe（OH）2，Fe（OH）2易 被氧 化 成Fe（OH）3，Fe（OH）3分解后形成疏松的铁锈Fe2O3nH2O，其电化学原理如式（6）（9）6：正极：2Fe-4e-=2Fe2+（6）负极：O2+2H2O+4e-=4OH-（7）总反应：2Fe+O2+H2O=2Fe（OH）2（8）4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）3（9）电解质薄液膜易受毛细作用进入塔腿与保护帽接触面的缝隙（0.0250.1 mm）中构成缝隙腐蚀。缝隙腐蚀也是一种电化学腐蚀。在腐蚀过程中，由于缝隙内部去极化剂限制了O2的传递，使得缝隙内与缝隙外构成了闭塞腐蚀电池，即内部发生Fe的溶解，而缝隙外部进行着去极化剂氧的还原2。随着腐蚀的进行，缝隙内液体的酸性逐渐增强，起到自催化的作用，比常规的电化学腐蚀程度更为严重、更迅速7。由于保护帽内部塔材的腐蚀形态及腐蚀程度在巡检过程很难被发现，导致缝隙腐蚀持续发展，如图4所示为500 kV厦沧路#37的C腿保护帽内部主材、斜材发生严重腐蚀。2.3其他腐蚀输电铁塔在服役过程中，还可能发生的腐蚀有土壤腐蚀、书书书表 摇福建省 线路腐蚀情况序号线路投运年份行政区域腐蚀情况厦沧路厦门、漳州全线铁塔部分斜材出现腐蚀；部分铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀厦沧路厦门、漳州全线铁塔部分斜材出现腐蚀；部分铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀后沧路厦门、漳州全线铁塔大量钢材腐蚀；部分铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀后沧路厦门、漳州全线铁塔大量钢材腐蚀；部分铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀水莆线福州、莆田 腿铁塔与基础保护帽连接部位斜材腐蚀；右地线大号侧金具及金具螺栓锈蚀岗厦路厦门、泉州 整塔大量钢材腐蚀；主材及斜材腐蚀岗厦路厦门、泉州 整塔大量钢材腐蚀；主材及斜材腐蚀福井路福州 部分主材、斜材、铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀福井路福州 部分主材及斜材腐蚀后漳路漳州全线铁塔部分主材及斜材腐蚀；部分铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀后漳路漳州全线铁塔部分主材及斜材腐蚀；部分铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀中宁路宁德、福州全线多数铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀中宁路宁德、福州全线多数铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀江燕路福州全线多数铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀江燕路福州全线多数铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀漳泉路漳州、厦门、泉州 部分斜材腐蚀；部分铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀大泉路泉州共 基整塔大量钢材腐蚀大泉路泉州、整塔大量钢材腐蚀漳泉路漳州、厦门、泉州 部分铁塔与基础保护帽连接部位角钢腐蚀能 源 与 电 力422023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图5漳泉路#20A腿斜材土壤腐蚀图4500 kV厦沧路#37 C腿斜材锈蚀图6内部疏松图7几何尺寸不规整图8顶面杂物堆积应力腐蚀等。基础设计露头不足的塔腿时间长后会被周边土体覆盖，受土壤中有机物成分、矿物质含量、Cl-含量、水和氧含量影响，其化学性质变化较大，意味着不同土壤中的腐蚀很难一致，如图5为漳泉路#20的A腿斜材发生土壤腐蚀。镀锌塔材在复杂的土壤环境里的年平均腐蚀速率会高于10 m，对此应进行充分的调研和试验8。此外，铁塔在服役中还会受到自重、风载、导线张力及舞动的影响，某些部位发生应力集中，对塔材的腐蚀有促进作用2。3保护帽典型质量问题及防治措施3.1保护帽典型质量问题铁塔组立完毕后在基础地脚螺栓出露部分浇筑混凝土保护帽，主要目的是预防地脚螺栓松动、锈蚀和人为破坏9。当保护帽施工工艺不到位，没有严格执行国网架空输电线路基础保护帽浇筑施工标准工艺（2022版）10，会促使塔腿与保护帽连接部位发生严重腐蚀。保护帽的常见质量问题及危害有4个。（1）保护帽施工过程中偷工减料或振捣不密实，都将造成保护帽内部疏松且存在大量大小不一的开口孔隙，在自然环境下极易风化、开裂破损，如图6所示。在毛细作用下，水分会长期滞留在保护帽内部空洞内，从而加速塔腿腐蚀。（2）保护帽浇筑没有采用专用钢模板，造成表面粗糙、几何尺寸不规整、外形不美观。同时，顶面没有按标准工艺抹成5%的微坡顶，排水不畅，对塔腿防腐极为不利，如图7所示。（3）保护帽顶面长时间存在杂物堆积，其降解的腐殖物、有机物、微生物均会对连接部位的塔腿发生腐蚀，如图8所示。（4）保护帽施工过程没有注重对塔腿的保护，造成表面水泥砂浆粘结，塔腿与胶结的水泥砂浆之间会形成微小缝隙，导致塔腿发生缝隙腐蚀，如图9所示。3.2防治措施（1）施工单位应加强施工过程管控，严格按照国家电网有限公司输变电工程标准工艺（架空线路分册）中对保护帽的规定进行施工10，确保保护帽的成品质量。保护帽应采用强度等级不低于C15的细石混凝土浇筑；保护帽边长宜超过塔脚板每侧50 mm，高度宜大于地脚螺栓外露长50 mm，如图10所示；保护帽宜采用专用模板现场浇筑，并使用塑料薄膜将保护帽上方塔腿隔离，预防水泥砂浆粘结，应一次浇筑成型，杜绝二次抹面，拆模时应保证其表面及棱角不损坏；顶面应抹成5%的微坡顶，以满足散水要求，见图10。能 源 与 电 力432023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK（上接第27页）工业经济，2011（11）：37-47.2王育宝，何宇鹏.城市废弃物处理温室气体排放的影响机制研究J.西安交通大学学报：社会科学版，2018，38（1）：60-70.3IPCC.1996 IPCC guidelines for national greenhouse gas 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kV输电线路的腐蚀情况调研，发现塔腿与保护帽连接部位腐蚀最为常见，腐蚀程度也更为严重。（2）塔腿腐蚀由大气腐蚀、电化学腐蚀、土壤腐蚀、应力腐蚀等多种腐蚀形式交互协同作用，其中塔腿与保护帽接触面的缝隙腐蚀会比常规的电化学腐蚀更为严重、迅速。此外，保护帽内部塔材的腐蚀形态及腐蚀程度在巡检过程很难被发现，会导致缝隙腐蚀持续发展。（3）保护帽施工工艺不到位，会造成内部疏松、表面粗糙、几何尺寸不规整、外形不美观、连接部位塔材表面水泥砂浆粘结等质量问题，均会促使塔腿与保护帽连接部位发生严重腐蚀。（4）施工单位、运维单位应重视保护帽的成品质量管控，严格执行国家电网有限公司输变电工程标准工艺（架空线路分册）中对保护帽的规定进行施工、验收。对于塔腿与保护帽连接部位应采取提高防腐等级、二次防腐处理、更换锈蚀塔材等措施有效保障铁塔的服役性能及运行安全。参考文献1国家能源局.输电线路铁塔防腐蚀保护涂装：DL/T 14532015S.北京：中国电力出版社，2015.2陈彤，谈天，洪毅成，等.输电网镀锌金属部件的腐蚀与防护J.中国电力，2013，46（11）：1-7.3滕越，聂元弘，缪春辉，等.全国输电铁塔腐蚀情况调研J.安徽电气工程职业技术学院学报，2020，25（01）：47-52.4谈天，陈彤，张俊喜，等.镀锌钢在模拟不同服役环境中的腐蚀行为J.腐蚀与防护，2014，35（04）：307-310，320.5陈云，徐利民，药宁娜，等.输变电钢构件的大气腐蚀与防护J.华北电力技术，2014（12）：10-14.6石建明.输电杆塔主材与保护帽接触部分腐蚀机理及防护措施研究D.宜昌：三峡大学，2018.7吴斌，邹铭，杨振波，等.杭州湾跨海大桥钢护栏地脚螺栓防腐涂装质量控制J.上海涂料，2016，54（04）：45-48.8国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.锌覆盖层 钢铁结构防腐蚀的指南和建议第1部分设计与防腐蚀的基本原则：GB/T 19355.12016S.北京：中国标准出版社，2016.9国家能源局.架空输电线路基础设计技术规程：DL/T 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