蒙西电网金属设备大气腐蚀与防护

张雪超，陈 浩，云 峰，吕 磊，孙云飞，樊平成

（内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

随着我国电力事业的蓬勃发展，500 kV、800 kV 等更高电压等级的变电站和输电线路相继建设，输电距离和电力覆盖范围也越来越大，对电力设备的可靠性和安全性提出了更高要求。蒙西电网供电面积72 万平方公里，服务人口1429 多万。但内蒙古是世界最大的“露天煤矿”之乡，煤炭资源丰富，分布广、储量大、埋藏浅、易开发、煤种全，是中国重要的能源保障基地。截至2016 年底，内蒙古全区累计查明煤炭资源量10 246 亿吨，居全国首位；全国原煤累计产量33.64 亿吨，内蒙古原煤产量8.38 亿吨，占全国的24.9%，为中国煤炭产量第一大省。2019年1～6 月全国发电量为33 672.8 亿千瓦时，其中内蒙发电量为2 536.5 亿千瓦时，是第二大发电省份[1]。截至2018 年底，蒙西电网运行500 kV 变电站27 座、220 kV 变电站151 座，同时到2020 年，基本形成“四横五纵”的500 kV 主干网[2]。

电网所涉及的金属设备有超过90%设备长期服役在各种自然环境中，环境腐蚀不仅是输变电设备的主要失效型式之一，也会降低电网运行的安全可靠性，甚至造成重大安全隐患[3]。导致电网设备发生腐蚀的环境因素中，大气腐蚀占很大比例[4]。为保障电网安全稳定运行，对电网设备腐蚀失效的防护和治理也提了更高的要求。

1 大气腐蚀

大气腐蚀是指金属在大气自然环境条件下，与大气污染物反应而发生腐蚀的过程。电网的大部分金属设备均处于大气环境中，如输电线路、杆塔、金具、变电站箱体等，因此大气腐蚀对电网设备的影响非常普遍。大气对电网金属设备的影响因素主要包括气象条件和大气污染物。

1.1 气象条件

（1）相对湿度。金属部件存在腐蚀临界相对湿度，当相对湿度超过腐蚀临界相对湿度后，大气腐蚀随着电解液膜厚度的增大而明显加速；当湿度足够大，如降雨后，液膜覆盖金属表面，氧与金属隔离，腐蚀速率又会降低。金属表面的腐蚀临界相对湿度不是固定值，根据金属材质、表面状态、腐蚀情况有所不同，对于电网金属设备，表面金属一般为铁、锌、铝等，其腐蚀临界相对湿度为50%～70%[5]。

（2）表面润湿时间。指导致腐蚀的电解液膜覆盖金属表面的时间，腐蚀程度与润湿时间成正相关。工程中有效湿润时间一般指温度＞0 ℃而相对湿度≤80%的时间。润湿时间和材料以及环境的湿度有关。

（3）降雨。降雨对金属腐蚀的影响看法不一，一方面降雨会影响大气的相对湿度和润湿时间，从而影响腐蚀速率，一般来说，降雨多，则腐蚀速率会增大；但另一方面，降雨会冲刷掉金属表面的附着物，降低腐蚀腐蚀速率。降雨也对设备起到清洗的作用[6]。

1.2 腐蚀物质

大气中含有不同种类的腐蚀物质，如CO2、臭氧、氨气、NO、NO2、H2S、SO2、HCl 等，尤其是工业区及附近，工厂的排放物中污染物的含量更高。其中氯化物、SO2、NOx以及颗粒物等污染源的污染最为严重，尤其是对镀锌层的腐蚀，如图1 所示。

图1 铁塔镀锌层大气腐蚀

Zn 作为一种良好的防腐涂层广泛用于电网金属设备的保护中，主要通过主动提供电子，牺牲自身，保护内部钢铁设备，同时自身腐蚀产物致密，可以减缓腐蚀速率。其腐蚀机理如下式[7]：

反应生成的Zn（OH）2很容易与空气中的CO2反应生成ZnCO3。同时，由于Zn 比Fe 活泼，即使在干燥的大气中也能与氧气发生反应生成ZnO。因此，钢铁件表面的镀锌层受到腐蚀后，生成的表面氧化物主要由Zn（OH）2、ZnCO3和ZnO 三种物质。Zn（OH）2和ZnO 成白色，也称“白锈”，与CO2反应后出现黑斑。当内部铁开始与大气直接接触，腐蚀会非常快。如Q235 钢在含SO2的大气中的腐蚀产物有FeSO4·7H2O，Fe2（SO4）3·9H2O、γ-FeOOH、σ-FeOOH 等。大气中SO2是导致腐蚀的关键因素[8]。Cl-的存在会对S 的腐蚀起到协同作用[9]。

2 腐蚀防护

对电网设备采取切实可行的防护措施，在设计制造阶段采取有效方法，对已服役设备的腐蚀采取有效治理，提高设备可靠性至关重要。同时对于不同设备、不同地区环境要采用差异化管理，采取不同的腐蚀防护和治理方案，可达到更好的效果。

2.1 采用热镀锌技术

热镀锌是使熔融金属与铁基体反应而产生合金层，热镀锌相较于冷镀锌技术具有镀层均匀、附着力强、使用寿命长等优点，其防腐性能更好。

2.2 采用耐腐蚀材料

对于钢绞线，可改善其表面质量，如镀铝、镀锌或镀含稀土元素的铝锌合金；或者将碳纤维导线用在输电线路上[10]。在输变电设备中，也可多采用铝合金构件，铝合金耐大气腐蚀，无需采用热镀锌或防腐蚀涂层进行表面防护，易于进行现场的二次加工与安装，使用周期长。在称重结构中，多实用耐候钢，可提高抗腐蚀能力。新的耐腐蚀材料的使用会导致初期投资成本高，但后期治理费用低，长期效果好，同时也要加强新材料的研发，以满足工程需求。

2.3 采用新型涂层防护技术

防腐涂层技术对治理在役设备腐蚀非常有效，由于其成本低、施工方便、防腐效果好被广泛应用。将防腐涂料如氟树脂防腐涂料、硅氟共聚物防腐涂料、聚氨醋树脂、高聚物合金重防腐涂料、纳米改性防腐涂料等刷涂或喷涂在金属部件表面，以起到防腐效果。

对不同设备、不同地区环境要采用差异化管理，采取不同的腐蚀防护和治理方案，可达到更好的效果[11]。

3 结论

含硫、氮、氯等元素的化合物和盐类物质对金属设备及其表面镀层的腐蚀是大气腐蚀的主要原因，加强环境物质的监测，综合采用热镀锌技术、新材料技术、新涂层技术等，因地制宜采取腐蚀防护和治理，可有效提高电网设备的可靠性。

项目来源：内蒙古电力（集团）有限责任公司2019 年科技计划项目（2019-102）。