刘伟;蒋以奎;葛红花
【摘 要】针对我国电网设备的金属腐蚀问题,分析了电网设备的大气腐蚀与大气污染物之间的关系及大气中主要的腐蚀性污染物(SO2,氯化物,H2S等)对电网设备的腐蚀机理,讨论了国内电网输变电架空导线和地线、变电站、铁塔和金具的腐蚀现状、腐蚀形态,总结了目前电网腐蚀控制的技术和方法,并提出了进一步防止电网设备大气腐蚀的措施建议.
【期刊名称】《上海电力学院学报》
kkaaa【年(卷),期】2016(032)004
【总页数】手机盒6页(P349-354)
【关键词】电网设备;大气腐蚀;大气污染物;腐蚀控制
【作 者】刘伟;蒋以奎;葛红花
【作者单位】贵州电力试验研究院,贵州贵阳550002;上海电力学院,上海200090;上海电力学院,上海200090
【正文语种】中 文
【中图分类】TG172.3;TM621.5
电网是电力系统中由各种电压的变电所和输变电线路组成的一种电力网,其主要任务是输送和分配电能,并按需要改变电压.现代社会的发展对电力的依赖性越来越强,对电力供应的可靠性要求越来越高,因此保障电网的安全运行越来越重要.然而,电网设备在运行过程中不可避免地存在腐蚀问题,特别是大气污染日益严重使相关设备的腐蚀现象日益突出.本文对目前国内输变电设备存在的腐蚀问题和防腐措施进行分析,以期出其中的规律性. 电网设备的大气腐蚀与大气环境中的腐蚀性污染物密切相关.调查和检测结果显示[1-2],在遭受严重腐蚀的电网设备所处环境中,均不同程度地检测到SO2, H2S,NH3,NOx等污染气体的存在,这些气体对钢铁、铜、银、铝及其合金等电网材料均有一定的腐蚀性.另外,大气中的固体污染物如降尘等,也对电网设备的腐蚀和安全产生较大影响.
大气污染物中,人们对有关SO2的大气腐蚀研究较多.王振尧等人[3]研究了黄铜和白铜在含SO2的大气中腐蚀状况,发现这两种金属的腐蚀损失与SO2体积分数呈线性关系,其中白铜的抗SO2腐蚀能力优于黄铜.在含SO2的大气中黄铜表面腐蚀产物主要成分为CuSO4·5H2O,Cu4(SO4)(OH)6·2H2O,Cu2O,白铜表面腐蚀产物主要成分为Cu4(SO4)(OH)6·2H2O和Cu2O.文献[4]研究发现,Q235钢在不同浓度的SO2气体环境中的腐蚀速率变化趋势也不同.SO2浓度较高时,钢的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长而降低;SO2浓度较低时,钢的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长而缓慢增加.SO2浓度的变化对腐蚀产物中含硫化合物的形成基本不产生影响,但SO2浓度的提高加速了腐蚀产物中氧化物或含氮化合物的形成.Q235钢在含SO2的大气中的腐蚀产物主要有FeSO4·7H2O,Fe2(SO4)3·9H2O,γ-FeOOH,δ-FeOOH.张明等人[5]通过对某500 kV的输电线路架空地线腐蚀断裂部位的表面分析,认为大气中的SO2是导致腐蚀的关键因素.
氯化物也是导致金属大气腐蚀的常见物质之一.李青等人[6]通过对某变电站未使用就已腐蚀的钢芯铝绞线的表面分析,认为该铝绞线的腐蚀是由于大气环境中存在的氯离子及其他盐类物质破坏了铝绞线表面的钝化膜.
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SO2与NaCl同时存在时对铜的腐蚀可以起到促进作用[7],NaCl在铜表面的沉积使铜吸湿性增强,铜表面容易产生水膜,造成铜的电化学腐蚀.当大气中含有SO2时,SO2溶于水膜使水膜的pH值降低,进一步加速铜的腐蚀.NaCl对铜的腐蚀性要大于SO2,SO2与NaCl协同作用促进铜的腐蚀,腐蚀产物主要有CuSO4,Cu4SO4(OH)6,CuO2,Cu2Cl(OH)3.
大气环境中的H2S对电网铜材的腐蚀也屡见不鲜[8],铜暴露在潮湿的大气中,因吸附凝聚作用,铜的表面可以形成一层肉眼看不见的水膜.在含H2S的大气中,由于H2S的溶入,水膜的pH值呈酸性,又由于S2-的作用,使铜的阴极去极化作用增强,腐蚀更易发生,铜表面形成Cu2O和CuS等腐蚀产物.当大气中同时存在SO2和H2S 时,可起协同作用而加速铜的腐蚀.
除了上述污染物质外,大气中的固体污染物在电网设备金属表面的沉积对腐蚀也有促进作用[1,9].例如架空线路绝缘子表面各种污秽沉积可使线路绝缘性能下降,造成电流泄漏和损耗增加,甚至导致输电线路发生污闪,而且污秽沉积越严重,发生污闪的可能性越大,严重时造成线路跳闸等事故.
电网的布局与周边负荷的需求有关,输变电线路和设备一般集中建在高耗能企业密集区域或人口较集中的区域,这些区域的大气污染显然相对比较严重,使区域内的输变电线路和设备易
受到大气腐蚀.程灵等人[9]对湖南重工业污染区株洲地区的调查发现,该地区大气中腐蚀性的化工气体和粉尘含量高,相对湿度大,输变电设备的腐蚀较严重,其中110 kV铜水线上的铁塔在服役5～6年后,局部地区铁塔金属材料厚度因腐蚀减薄至0.1 mm,部分螺栓已基本失去紧固作用.王平等人[10]对国内某区域电网腐蚀状况进行调查,结果如下.
(1) 调查的510座变电站有99座遭受不同程度的大气腐蚀,其中受到严重腐蚀的约占调查总数的4%,较重腐蚀的约占调查总数的6%.
(2) 从受到腐蚀的材料来看,电网设备中的铜是腐蚀最严重的金属材料之一,该区域内3 %的金属铜和8%的铜镀锌设备发生了严重腐蚀,3%的金属铜和11%的铜镀锌设备发生了较严重的腐蚀,4%的金属铜和14%的铜镀锌设备发生了轻微腐蚀;铝合金设备中1%发生严重腐蚀,3%发生轻微腐蚀;镀锌钢在镀锌层完整的情况下,腐蚀较轻微,但当镀锌层因腐蚀消耗而不完整时,钢基体将遭到严重腐蚀.
2.1 输电线路架空导线和地线腐蚀损坏
架空地线又称作避雷线,是保护输电线路防止其遭到雷闪袭击的装置.国内的架空地线多采用表面经热镀锌防护处理的钢绞线.
近年来,湖南电网的架空输电线路断线事故频频发生,线路跳闸现象时有发生,严重影响了电网的安全稳定运行,使供电可靠性下降,究其原因主要是架空地线被腐蚀,而安装地线时镀锌层的破坏、镀锌层的工艺缺陷、焊接质量不良等均可造成地线腐蚀[11].
翔等人[12]对某海岛架空输电钢芯铝绞线的失效原因进行了分析,该导线26股直径2.4 mm的铝股线分为内、外两层,中心部位为7股直径2 mm的镀锌钢线,中心部位的钢芯锈蚀严重,内层铝绞线的腐蚀比外层铝绞线更严重.表面分析结果显示,铝绞线的腐蚀产物主要是Al(OH)3和Al5 (CO3)3(OH)13· xH2O,在断口上还检测到S,Cl,Na,Ca,Mg等元素.而在内陆地区四川的导线腐蚀失效分析中[13],发现外层铝绞线腐蚀较内层铝绞线严重,腐蚀产物呈灰黑,较疏松,局部已脱落;与外层铝绞线存在着间隙的内层铝绞线的腐蚀也较为严重,表面呈灰黑;中心部位的钢芯由于镀锌层与铝绞线的双重保护作用,腐蚀较轻,表面呈灰白.
2.2 变电站腐蚀损坏
变电站是电网的节点,也是连接发电厂和电力用户的关键枢纽,其作用是变换电压及分配电能,变电站的运行可靠性直接影响了电网的安全稳定.变电站内金属构件较多,涉及纯铜、镀锌钢、碳钢、铝合金、不锈钢等多种材料,金属材料的腐蚀失效在变电站中较为普遍,变电站
地面设备的腐蚀多属于大气腐蚀.
变电站金属构件可以发生多种腐蚀形态,具体如下[14].
(1) 缝隙腐蚀 变电站螺栓等连接承力件易发生缝隙腐蚀,某变电站的运行时间不足1年,某断路器的支柱基础螺栓中已有1颗发生严重锈蚀,主要原因是该螺栓下部的垫片与基座之间存在着明显的缝隙,当雨水存在时引发了缝隙腐蚀,使构件寿命缩减.
(2) 接触腐蚀 两种腐蚀电位不同的金属相互接触时,腐蚀电位低的金属将加速腐蚀.某变电站设备的支柱螺栓其螺杆部分采用了镀锌钢,螺母则采用了不锈钢.由于锌的标准电位(-0.76 V)低于不锈钢的标准电位(-0.1～+0.1 V),使镀锌钢的腐蚀加快,运行不到1年,该设备的8个支柱螺栓都发生了不同程度的腐蚀.
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(3) 镀锌层缺陷腐蚀 目前热镀锌碳钢在变电站的应用比较普遍,使用中发现,槽钢、接地扁钢、螺栓、抱箍等碳钢构件的防腐蚀镀锌层经常出现质量问题.主要原因是存在镀层瑕疵、镀锌层的厚度不够,或者在运输、安装过程中镀锌层发生局部破坏,使铁基体发生腐蚀.
(4) 涂层缺陷腐蚀 变电站中也有部分碳钢构件采用涂层防护代替热镀锌防护,通常是一些
尺寸比较大而难于进行热镀锌的金属构件,如变压器和其他设备的箱体、构架和外壳.当涂层存在孔隙、破损等缺陷时,将促进碳钢基体的腐蚀.
2.3 铁塔腐蚀
led光源模组输变电线路的铁塔也常发生腐蚀现象.某地区的输电线路铁塔大多进行了防腐蚀处理,但多数铁塔在使用不足5年后就发生了严重腐蚀.刘纯等人[15]分析了该地区输电铁塔的腐蚀特征,认为大气中的SO2污染物是造成铁塔腐蚀的主要因素,这种腐蚀通常从镀锌层的破损处和塔材的边角部位开始,另外防腐涂料选用不当、涂刷质量差可加速腐蚀.刘爽等人[16]发现某500 kV输电线路铁塔的塔脚部位出现了严重腐蚀,通过对腐蚀产物的形貌和组成分析,发现铁塔在地表位置的腐蚀速率最大;在9 m以下的高度范围内,腐蚀速率随高度的增加出现明显下降;在9 m以上的高度范围内,腐蚀速率随高度变化小.并分析认为塔脚部位腐蚀严重的原因是由于该部位因降雨、凝露等使水在该处汇集,同时汇集的水中污染物浓度较高.
滨海地区因大气中盐雾的存在,铁塔腐蚀问题更为严重[17].盐雾的主要组成是悬浮于大气中的氯化钠微液滴,其中富含氯离子、硫酸根离子等侵蚀性离子.对于滨海地区的输电铁塔,应采用更为有效的防腐蚀技术.
2.4 金具腐蚀
架空输电线路中的金具一般具有较快的腐蚀速度,且金具通常位于高空,不方便维护.腐蚀使金具的截面积减小,抗拉强度降低,也可能导致金具的脆性增加,造成事故.陈军君等人[18-19] 分析了湖南、广西部分地区架空输电线路中的金具腐蚀问题,对腐蚀试样进行了力学分析、表面分析和电化学测试,认为大气中的硫化物可以促进镀锌层的腐蚀消耗,是引起这些金具腐蚀的主要因素.张卫星等人[20]分别比较了热镀铝锌合金和纯锌电力金具的耐蚀性,研究了这两种金具与铝导体之间的电偶腐蚀行为,认为热镀铝锌合金的金具具有更好的耐蚀性能.
瓷绝缘子金具的电化学腐蚀主要发生在负极性侧V型串铁帽下檐[21-22],腐蚀使瓷件的部分表面被铁锈所覆盖,腐蚀原因主要是由于外加电压下的电解腐蚀.在直流输电线路的正极性侧瓷绝缘子的钢脚部位也发现普遍的腐蚀现象,这种腐蚀主要集中在水泥与保护锌套的交界处.
3.1 热镀锌技术的应用
卫生间储物盒热镀锌技术是输变电线路钢结构普遍采用的防止大气腐蚀的方法,该方法主要是利用阴极保护的原理,以电位较低的锌作为牺牲阳极,防止或减缓钢结构的腐蚀.热镀锌防腐蚀性能主要
取决于所处大气环境的侵蚀性.调查显示[23],国内输变电线路钢结构热镀锌的首次防腐蚀维护时间集中在20 年以内,之后的防腐蚀维护间隔为3～11年,平均为5.5年.在工业污染区及沿海地区,首次防腐蚀维护时间一般低于10年.在高湿度、高污染地区,采用单一的热镀锌技术可能难以满足钢结构的防腐蚀要求.
3.2 耐腐蚀导线的开发
输变电线路导线的腐蚀损坏主要有电化学腐蚀、化学腐蚀和缝隙腐蚀等3种形式,腐蚀降低了线路运行寿命.为了降低输变电线路导线的腐蚀,可以采用以下方法[24].
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