架空输电线路金具腐蚀分析及防护对策

2013-08-09陈军君胡加瑞谢亿胡波涛

电力建设 2013年8期

陈军君，胡加瑞，谢亿，胡波涛

(湖南省电力公司科学研究院，长沙市 410007)

0 引言

输电线路中，金具起着连接和固定裸导线、导体及绝缘子，传递机械载荷、电气负荷的重要作用。金具的腐蚀失效，将造成连接线路断开或掉落，引起停电跳闸的重大事故。由于金具检修需高空停电作业，极不方便，需有效防腐，预防事故发生。

目前，钢质金具普遍采用热浸镀锌层防腐，这种防腐方式在一般地区可满足防腐要求，而在工业污染地区常优先腐蚀［1］，达不到预期使用寿命。人们对金具腐蚀因素的认识尚未统一［2］，为深入研究腐蚀机理，本文针对广西某500kV输电线路金具腐蚀案例，对腐蚀金具开展力学试验、物相分析、显微分析和电化学测试，结合以湖南省为代表的内陆工业区金具多年腐蚀情况，评定腐蚀失效形式，分析腐蚀原因，总结典型工业区金具腐蚀规律并提出针对性的防腐对策，为金具的运行维护提供依据。

1 腐蚀失效情况

1.1 失效样品

取样线路位于广西某工业区，投运8年，设计污秽等级为中污区二级，腐蚀金具1.5 km范围内有氮肥厂1座，3.5 km范围内有大型冶炼厂锌矿、铅矿各1座，小型冶炼厂数座。取回了6种成套金具样品，包括U型螺栓(UJ－2280型)、U型挂环(U－12型)、联板(L－1240型)、直角挂板(ZS－7型)、平行挂板(P－7型)、悬垂线夹(XGU－2F型)。

1.2 宏观检查

检查样品发现直角挂板、平行挂板和联板腐蚀最严重，表面完全覆盖红锈;U型螺栓、悬垂线夹次之，局部边角覆盖红锈;U型挂环腐蚀最轻，但外部镀锌层已发黑。红色锈层较疏松，表面粗糙不平，有微小蚀坑或颗粒。

将以上金具腐蚀最严重的部位去除表面浮锈后，测量尺寸并与新金具对比，发现悬垂线夹挂架处局部腐蚀厚度最大，达到20.87%;其次为直角挂板和平行挂板，超过17%。可见悬垂线夹由于形状最复杂，边角缝隙较多，虽然整体腐蚀不严重，但局部腐蚀严重。金具的基本尺寸小于或等于50 mm时，其极限尺寸偏差为+1.0 mm［3］，上述多数腐蚀金具尺寸已不符合要求，截面积减小，承载能力降低。

1.3 力学性能

为便于夹具夹持，选取腐蚀最严重的直角挂板、平行挂板和腐蚀较轻的U型挂环，置于电子万能试验机上进行力学试验。U－12挂环理论负荷为120 kN，试验负荷加载至120 kN，保载60 s后将试验压力增至144 kN仍未断裂，力学性能合格。P－7平行挂板理论负荷为70 kN，加载至70 kN，保载60 s后将试验压力增至84 kN未断裂，力学性能合格。ZS－7直角挂板理论负荷为70 kN，但在加载至62.8 kN时产品破坏，断口平齐为脆性断裂，可见整体腐蚀较严重的直角挂板力学性能已不合格。

实践中，金具的腐蚀失效有3种形式:(1)尺寸减薄引起的承载能力下降;(2)材料抗拉强度降低引起承载能力下降;(3)材质变脆，导致弯曲破坏负荷降低以及断裂突然发生。三者均会给金具运行带来安全隐患，当表面出现红锈且局部尺寸减薄逾10%时，即有较大概率不满足设计载荷，此时应加强巡视并进行腐蚀评估。

2 腐蚀产物分析

2.1 X衍射分析

为分析腐蚀产物物相，从金具锈蚀部位刮取粉末试样，用D/max 2500 VB型X射线衍射仪测试，结果见图1。

图1中上方曲线为腐蚀产物X衍射结果，中间曲线为FeOOH标准物质X衍射特征图谱，下方曲线为Fe3(SO4)2(OH)2·3H2O标准物质X衍射特征图谱。可见表面的腐蚀产物主要为FeOOH以及含铁的硫酸盐化合物。FeOOH为前期腐蚀产物，包括 γ-FeOOH(橙色)及 α-FeOOH(黄色)，进一步反应将在锈层内部形成更稳定的Fe3O4(黑色)。多种物相的铁腐蚀产物组合，使工业区的金具锈蚀宏观上多呈现红褐色。含铁硫酸盐的存在表明硫参与了腐蚀反应。

图1 金具腐蚀产物X衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction(XRD)graph of fitting corrosion products

2.2 电子显微分析

从整体腐蚀最严重的直角挂板上用线切割机截取1 cm×1 cm的方形试块，置于Sirion200场发射扫描电镜上对表面和截面进行电子显微分析，结果见图2。

图2 直角挂板腐蚀样品扫描电镜和能谱分析Fig.2 Scanning electron microscope(SEM)and energy dispersive spectroscopy(EDS)micrograph of corrosion samples of rectangular hanging plate

锈层表面有大量颗粒状腐蚀产物，并且存在裂纹和孔洞。截面上浅色铁基体和深灰色氧化区域有明显结合面，基体较致密，氧化区域较疏松，提供了腐蚀性物质进入通道。分别对表面、截面基体和氧化区域进行 EDS分析，测得基体主要元素含量为铁98.95%，并有少量锰1.07%，符合设计16Mn材质。氧化区域中氧含量扩大到6.40%(原子比18.91%)，表明发生腐蚀，且原表面热镀锌保护层仅有13.03%的锌残留，镀锌层已基本失效。

从截面EDS线扫描进一步看出，由基体到表层，铁含量明显降低，氧含量大幅增加，硫含量也显著增加。硫来源于工业污染大气，促进了金具的腐蚀。

3 腐蚀速度分析

由腐蚀产物分析可知，受工业污染的大气中，硫对加快金具腐蚀起到了关键作用。为模拟金具在实际大气环境中的腐蚀情况，配制模拟酸雨溶液，因广西、湖南地区酸雨分布在4.0～5.0，取平均值4.5，对应0.025%NaHSO3溶液。用硫酸微调至pH4.5。选取便于制作方形工作电极的联板试样，包括出现红锈腐蚀联板、旧镀锌层发黑联板、镀锌层完好备品联板、新镀锌试样、未镀锌试样，线切割为1 cm×1 cm方块，编号1～5，封装制成工作电极，参比电极为饱和甘汞，辅助电极为铂片，在德国产IM6eX电化学工作站上测试动电位极化曲线，电位范围－0.6～－1.9 V，扫描速率0.5 mV/min，结果见图3。图中i为电流密度;ESCE为扫描电位。

由极化曲线推算各样品自腐蚀电位Ecorr和自腐蚀电流密度Icorr如表1所示。Ecorr由小到大依次为5、1、2、3、4 号试样，且 Ecorr的绝对值越大，金属表面活性越强，越容易发生腐蚀。因此，金具腐蚀倾向由大到小依次为无镀锌层样、联板腐蚀样、旧镀锌层发黑样、联板备品样、刚镀锌样，未镀锌试样和腐蚀红锈试样由于表面腐蚀电位最低，较易发生腐蚀，同时4号样品自腐蚀电位－1.374 V，说明在含硫酸雨中金具有完好镀锌层时仍有较强腐蚀倾向。

Icorr反映了腐蚀速度，可见没有镀锌保护的5号试样腐蚀速度比镀锌保护试样高出2个数量级，腐蚀速度极快;已产生红锈的1号试样镀锌层已大部分消耗，但由于铁的腐蚀产物在内层具有一定钝化作用，腐蚀速度相对降低;而镀锌层较完好的2、3号样腐蚀速度约为红锈试样的2倍，表明镀锌层在含硫酸雨中仍有较快的腐蚀消耗速度。

表1 各样品自腐蚀电位和自腐蚀电流密度Tab.1 Free corrosion potentials and current density of samples

图3 联板腐蚀样品极化曲线Fig.3 Polarization curves of corrosion samples of plate fittings

4 腐蚀原因分析

4.1 工业大气中硫元素的影响

金具的腐蚀本质上为电化学腐蚀，表面热镀锌的电位较铁低，可先于铁腐蚀起到阴极保护作用。当雨水或潮气吸附于锌表面形成薄液膜时，即构成了电解液环境，发生微观腐蚀电池反应。

阳极发生锌的溶解反应，一般发生在锌的表面缺陷处，腐蚀结果表现为肉眼可见的小孔;阴极发生氧的去极化反应，发生在小孔周围。反应结果:

Zn2++OH－→Zn(OH)2→ZnO·H2O

如果大气没有被污染、酸性介质浓度很低，一般pH 值＞5.2 时［4］，腐蚀产生氢氧化锌 Zn(OH)2、氧化锌ZnO、碳酸锌ZnCO3等化合物，进一步形成碱式碳酸锌Zn2(OH)2CO3的致密薄膜，厚度可达8 um以上，这些产物以沉淀形式析出且均难溶于水，因此阻止水分渗入减缓了后续腐蚀发生，相当于可自我修复的保护膜。

但有硫存在时，SO2的溶解及氧化过程产生了H+，导致Zn表面薄层液膜的酸化。一方面H+作为去极化剂参与阴极反应，加快了阳极锌的溶解。另一方面，在酸性环境中，原本较致密的碱式碳酸锌保护膜Zn2(OH)2CO3也与硫反应生成ZnSO4。

由于ZnSO4是可溶性盐，容易被雨水冲走，从而使锌不断暴露并腐蚀，极大地加剧了镀锌层的消耗速度。当镀锌层消耗完时，铁失去阴极保护很快就产生严重红锈。

从腐蚀线路附近看，污染源有硫氧化物，靠近氮肥厂也有氮氧化物，但腐蚀产物分析主要检测出硫，可见硫为工业大气中促进金具腐蚀的最关键因素。从2000—2009年湖南14个地区酸雨数据看，株洲市SO2年均值最高［5］，为 0.101 mg/m3，其他地区均低于0.082 mg/m3，NO2含量长沙、湘潭、衡阳均高于株洲，Cl－等其他阴阳离子相当［6］，实际金具腐蚀情况也以株洲最严重，验证了该点。

金具普遍采用的热浸镀锌层，在多数大气环境下有较高的稳定性(包括海边大气)，但当含硫气氛存在时，腐蚀速度可达一般大气的6～7倍，这时应寻求更耐硫腐蚀的其他合金镀层防腐。相对的，镀铝层耐硫腐蚀但密度轻不耐磨，可考虑用锌铝合金镀层综合二者优点。目前国外较成熟的热镀锌铝合金(Galfan)和铝锌合金(Galvalume)，抗硫化腐蚀较强，约为热镀锌的2～4倍［4］，可用于工业区金具防腐。

4.2 金具自身特点对腐蚀的影响

金具本身独有的一些特点，使其正常情况下腐蚀速度也快于铁塔和导线。首先，金具的结构形式较为复杂，其单位质量的比表面积较大，存在较多边角和孔隙结构，容易发生缝隙腐蚀和接触腐蚀两种局部腐蚀形态，从边角缝隙处引发腐蚀。其次，金具一般承受较大拉应力，拉线金具承受的拉力约为104～105N量级［7］。在拉应力作用下，金属将比静止状态更容易腐蚀，因为应力增大了镀锌层表面的破坏程度，使表面产生的裂纹扩展且增多，表面破坏程度变大，腐蚀介质更容易进入镀锌层;同时应力集中产生了驻留滑移带，位错密度高，原子具有较高的活性，易成为阳极优先腐蚀。电化学测试表明，应力增大，输电线路腐蚀电流密度增大，最高时为无应力作用下的7倍［8］。再次，金具运行中的摩擦碰撞促进了腐蚀。金具连接输电线路时并未完全固定，存在微量活动空间。当冰、风等附加载荷引起输电线路风偏、振动时，将带动金具之间相互接触部位的轻微摩擦和碰撞，在腐蚀环境下引起微动腐蚀。表面镀锌层由于雨水对基体的腐蚀效应导致磨损速度加快，同时磨损产生的缺陷也使得腐蚀速度加快，腐蚀和磨损形成正交互协同作用［9］，极大地增加了接触构件间的机械和化学损伤，加剧了腐蚀速度。

运行经验表明输电线路中金具一般较早腐蚀，但在乡村大气环境中，热镀锌保护的金具仍可维持20年以上使用寿命，在工业区不能满足要求，则可采取加强防护措施，特别为阻止微动腐蚀，可在镀锌表面涂覆一道柔性耐磨涂层，显著提高防腐寿命和抗微动腐蚀特性。金具运行中较难维护，因此需在安装之前涂覆。

4.3 镀锌层质量对腐蚀的影响

金具镀锌层的质量也是腐蚀的重要影响因素。为考察镀锌质量，用Elcometer 456型磁性覆层测厚仪对拟用来更换的备用金具镀锌层厚度进行检测，结果见表2。

金具钢件厚度超过6 mm时，标准推荐的镀锌层平均厚度不低于85 μm［10］。由表2可知，直角挂板和联板镀锌层厚度偏低，与实践中这2种金具经常全面腐蚀覆盖红锈的情况相符。

表2 备用金具镀锌层厚度测量结果Tab.2 Thickness measurement results of zinc coatings on reserve fittings μm

因此，金具安装前应加强对镀锌质量的检测和控制，在确保尺寸精度的前提下，应尽量增加镀锌厚度。按重工业污染区镀锌层腐蚀速度6.4 μm/a计算［4］，30年以上使用寿命，镀锌层厚度应增加到192 μm以上。镀锌层太厚会降低附着力，经验表明锌层300 μm以下时附着力仍较好，因此镀锌厚度宜控制在192～300 μm，镀锌越厚则工艺难度和造价越高。工程实践表明，镀锌厚度提高至192 μm时，以镀锌厂家现有的生产工艺条件可较易达到，成本增加幅度尚可接受，已在湖南部分输电线路部件上进行了应用。

目前，金具标准平均镀锌厚度为85 μm，按上述腐蚀速度6.4 μm/a计算，在重工业区可维持13年，与湖南株洲工业区等重腐蚀地点的实际运行数据基本吻合。因此加强防护采用192～300 μm的镀锌厚度具有较高可信度。