,,, ,

(1. 国网浙江省电力公司 电力科学研究院，杭州 310014； 2. 国网浙江省电力公司 宁波供电公司，宁波 315016)

构架避雷针是高电压等级变电站防止直击雷的重要设施[1]，对变电站的安全运行意义重大。构架避雷针由四节不同直径的中空Q235钢管经法兰组合而成，在大型变电站中布置数目可达数十支。因其安装于高处构架之上，日常维护不便，仅能在变电站停电检修时，对其外壁进行局部油漆涂装。

现场巡检发现，运行多年的构架避雷针外壁已被黄色、棕黑色腐蚀产物覆盖，部分呈现顶部发黑现象。某变电站构架避雷针面临着严重锈蚀破裂问题，且发生了避雷针高处断裂掉落事故；将部分构架避雷针拆卸检查发现，其底部位置破裂，管材严重锈蚀减薄，钢管内积聚大量铁锈，见图1。

目前，国内外对避雷针的研究主要集中于提升其电气性能及防雷效果[2-3]，但对其自身腐蚀及由此带来的危害却关注很少。徐贤等[4]报道了一起构架避雷针因法兰处腐蚀断裂而掉落的事故，其失效形式为金属在外力作用下的脆性断裂,这与本工作所报道的腐蚀形态完全不同。为探索构架避雷针腐蚀失效进程，采用扫描电镜(SEM)-能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)及电化学测试等手段，对避雷针失效样品的形貌、成分及电化学特性进行了观察分析。以期揭示构架避雷针腐蚀失效的原因及其进程，利于针对性地探索构架避雷针的防腐蚀对策，延长设备寿命、保障变电站正常运行。

图1 构架避雷针的腐蚀形貌Fig. 1 Corrosion morphology of structure of lightning rod

1 试验

1.1 试样

采用线切割获得服役多年的避雷针试样失效部位，制成失效试样；采集避雷针外壁、内壁锈蚀产物，获得其腐蚀粉末；以去离子水浸泡避雷针内壁锈样，溶出其携带的盐分，获得内壁锈样浸出液。

1.2 形貌观察及成分分析

采用荷兰FEI公司生产的QUANTA200型扫描电镜(SEM)观察失效试样的腐蚀形貌。采用能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对避雷针外壁、内壁粉末锈样进行成分表征，XRD型号为日本岛津公司XRD-6000。

1.3 锈样浸出液分析

以离子色谱法检测锈样浸出液中阴离子成分及其含量。离子色谱仪型号为Dionex ICS-1000，以KOH为淋洗液(淋洗液发生装置生成)，淋洗液流速为1 mL/min，浓度为2 mmol/L。

1.4 电化学测试

电化学试验在PGSTAT128N型Autolab电化学工作站上完成，采用三电极体系测量。工作电极为切割试样，经环氧树脂封装而成，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极。电化学阻抗谱在自腐蚀电位下进行测量，测试频率范围为0.01 Hz～100 kHz；极化曲线扫描范围为-0.2～0.4 V(相对于开路电位)，扫描速率为0.33 mV/s。试验溶液为内壁锈样浸泡液，温度为(30±1) ℃。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀形貌

由图2可见：避雷针管壁呈现双层结构，即黑褐色的腐蚀产物层以及具有金属光泽的残余壁厚。腐蚀产物层较厚，且疏松多裂纹，与管壁结合不紧密，故而图1所示的现场管壁内部脱落大量铁锈。该双层结构可以证明腐蚀是由内表面开始的，逐渐向外表面发展，直至管壁减薄开裂；避雷针外壁金属腐蚀较轻微。

图2 构架避雷针管壁横截面形貌Fig. 2 Cross-sectional morphology of lightning rod

避雷针置于大气环境中，由于具有中空结构，内外表面均会遭受大气腐蚀；但图2表明避雷针内表面腐蚀要远比外表面严重，这表明内表面处于比普通大气环境更恶劣的腐蚀环境中，因此内表面腐蚀速率较高。避雷针各节法兰间一般采用环焊连接，可避免雨水漏入，但焊点腐蚀破损后，雨水有可能渗入避雷针；根据避雷针中空结构推测，雨水的渗入且内壁不易干燥，是造成内壁基材快速腐蚀的主要原因。

2.2 锈样浸出液的离子含量

为验证雨水是否会渗入避雷针内部，取10 g避雷针内壁锈样以200 mL去离子水浸泡12 h，之后采用离子色谱仪对经0.45 μm微滤膜过滤的锈样浸出液进行成分分析，结果见表1。

表1 锈样浸出液中的离子含量Tab. 1 Anions content in rust lixivium

由表1可见：锈样浸出液中存在F-、Cl-、NO2-、NO3-、SO42-等五种阴离子，与典型雨水中阴离子成分高度一致[5]。该分析结果证实了现场环境中由于焊点腐蚀破损等原因，雨水可通过避雷针接连法兰等部位，渗透入避雷针内部，从而诱发内壁金属腐蚀[6]。

2.3 锈样的成分

由图3可见：避雷针外壁锈样的主要成分为Zn、Fe、O，并检测出少量的Al、Si、S、Cl等元素，这表明锈样的主要成分为铁氧化物和锌化合物，S及Cl元素的检出说明避雷针所处的大气环境中侵蚀性离子较多，这将促进钢材的腐蚀。对于避雷针外壁而言，镀锌层未被完全消耗，仍能对碳钢基体起保护作用，因而外壁基体金属并未遭受严重锈蚀。采集少量避雷针内部黑褐色锈样，碾磨成粉，对锈样进行EDS和XRD分析，结果见图4～5。

图3 外壁锈样能谱图Fig. 3 EDS results of outer rust

图4 内壁锈样能谱图Fig. 4 EDS results of inner rust

图5 内壁锈层XRD谱图Fig. 5 XRD pattern of inner rust

由图4可见：内部锈样的主要元素为Fe及O，占绝对比例，其他盐类离子相对含量很少，表明锈样主要成分为铁氧化物。内锈层中已检测不出Zn元素，原有镀锌层已完全消耗，内壁基材正处于金属/锈层这一复杂腐蚀体系[7]。XRD结果进一步证明了铁氧化物为Fe3O4和α-FeOOH；Fe3O4的相对比例要较α-FeOOH高得多，故而锈层整体呈现黑褐色。

2.4 内锈层电化学特性

将带锈样试片加工成电极，对比测试带锈电极和除锈电极的电化学阻抗谱及极化曲线，结果见图6～7。

图6 带锈和不带锈电极的极化曲线Fig. 6 Polarization curves of electrodes with and without rust

图7 带锈和不带锈电极的Nyquist图Fig. 7 Nyquist plots of electrodes with and without rust

由图6可见：无论表面是否覆盖锈层，电极的腐蚀过程均由阴极过程(氧扩散过程)控制。两者的阳极极化曲线斜率十分相近，表明锈层不影响腐蚀反应的阳极过程，锈层下阳极过程仍然是铁的溶解过程[8]。

与除锈电极相比，覆盖锈层电极的阴极极化曲线的Tafel斜率明显更小，阴极腐蚀过程阻力更小；说明锈层中具有加速阴极腐蚀反应的成分存在，一定程度上促进了阴极腐蚀过程[8-10]。

由图7可见：无论电极表面是否存在锈层，电极的Nyquist谱图均只有一个容抗弧组成，未出现锈层电阻，说明避雷针内壁锈层无法有效阻碍腐蚀进程。此外，去除锈层后，电极Nyquist谱图的容抗弧反而变大了，此时腐蚀难度增大[11]，即锈层覆盖时腐蚀反应阻力更小；由此进一步证明，避雷针内壁上附着的以Fe3O4为主锈层可促进基体腐蚀，即起大阴极作用[10]。

2.5 讨论

在光照、空气流动等作用下，避雷针外壁水分易蒸发干燥，外壁基材总锈蚀时间较短。镀锌层作为可靠的阴极性镀层，可有效延长基材大气使用寿命。2.3节外壁锈样分析结果也表明镀锌层仍对外壁金属起牺牲阳极作用,因而避雷针外表面未发生严重锈蚀。

由于避雷针为中空结构，其内壁也如同外壁一样遭受大气腐蚀。但雨水从法兰接口等处漏入避雷针后，将处于一个相对密闭的环境，不易蒸发散失；因而避雷针内壁将长时间处于潮湿环境，腐蚀时间较外壁而言大大延长。虽然避雷针内壁腐蚀也将遵循镀锌层腐蚀、镀锌层/基体共同腐蚀、基体铁腐蚀等三个过程[12-13]，但上述三个过程完成时间将急剧减短。特别是腐蚀生成的Fe3O4具有良好导电性，可起到大阴极作用[14-15]，从而加速铁基体的腐蚀。具体反应过程为：

(1)

(2)

在腐蚀液膜中，Fe2+以水合离子存在，并能被O2快速氧化而转化γ-FeOOH

(3)

(4)

与金属基体直接接触的或经导电性物质相连的γ-FeOOH会发生还原反应，加剧腐蚀[16]。γ-FeOOH的还原反应可用式(5)表示。

(5)

SUN认为Fe2+和电子能够穿透与金属相接触的Fe3O4层，从而使氧还原的阴极过程从金属表面转移到Fe3O4层进行[17]。SYED[18]认为由于Fe3O4为大颗粒，Fe3O4层易疏松多孔，有利于Fe2+和电子的传输，从而加剧基体腐蚀过程。故而现场表现为避雷针内壁附着大量黑褐色锈层(见图2)，腐蚀较外壁剧烈得多，腐蚀破坏是从内逐渐向外发展的。

值得一提的是，避雷针底部排水口过小(见图8)，也是导致内壁腐蚀加剧的原因之一。雨水漏入避雷针内后，将沿内壁自上而下流动，避雷针底部位置处于潮湿环境的时间较长，腐蚀程度也将更为剧烈。特别是腐蚀后期，铁锈将大量产生并脱落，极易堵塞底部排水口，造成避雷针内部积水，进一步恶化腐蚀环境。

图8 避雷针底部排水口Fig. 8 Drain hole of lightning rod

3 结论

构架避雷针腐蚀失效集中于内壁，雨水渗入导致避雷针中空内部长期处于潮湿环境，是诱发内壁基材快速腐蚀的主要原因；而形成的疏松Fe3O4锈层起大阴极作用，将进一步加速金属基体腐蚀。避雷针腐蚀失效是由内而外逐步发生的，该腐蚀形式具有很强的隐蔽性，易导致突发性安全事故，需引起足够重视。为保障变电站安全运行，建议从以下方面完善避雷针防腐蚀工作：逐步更换老旧避雷针；改进新避雷针结构，加大排水口；增强防腐蚀处理工艺，法兰处采取包覆处理；采用耐候钢材等更耐蚀材料。