220 kV输电杆塔拉线棒腐蚀断裂原因分析

2022-09-26史贤达

内蒙古电力技术 2022年4期

陈浩，王旭，乔欣，史贤达，刘俊

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020；3.内蒙古电力（集团）有限责任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

输电铁塔拉线棒一般埋设于地下2～2.5 m，隐蔽性较强，因此在不开挖的情况下，检测其腐蚀情况比较困难[1]。若拉线棒发生严重腐蚀锈蚀，会使其有效截面积减小，承载能力大幅度下降，可能引起断线、倒塔及大面积停电等事故，造成人身伤亡及经济损失，严重影响电网的安全稳定运行。本文以某220 kV输电铁塔拉线棒腐蚀断裂事件为例，对其失效原因进行试验分析，找出输电铁塔拉线棒断裂原因，避免类似腐蚀断裂再次发生。

1 事件简况

在对某220 kV输电线路埋地构件进行开挖检查过程中，发现输电铁塔拉线棒已腐蚀断裂，存在安全隐患。该线路位于沙漠地区，周边地区以畜牧业为主，无重工业企业。腐蚀断裂的拉线棒直径为32 mm，材质为Q235B，表面采用热浸镀锌防腐工艺处理。

2.试验分析

2.1 宏观检查

对断裂的输电铁塔拉线棒进行宏观检查，发现拉线棒埋设于土层下的部分镀锌防护层已消耗殆尽，存在不同程度的腐蚀，且埋设深度越深，腐蚀越严重。拉线棒断裂于地下约40 cm处，断口附近锈层酥化严重，腐蚀面积占整个拉线棒截面积的三分之二以上，腐蚀坑呈“8”字形，其表层腐蚀产物为黑色，内部腐蚀产物为黄褐色。此外，拉线棒埋地部分未见明显的塑性变形及机械损伤。由于拉线棒地上部分服役环境较好，其表面呈银白色，镀锌层未见明显腐蚀，保存相对完好（如图1所示）。

图1 腐蚀断裂的输电杆塔拉线棒宏观形貌Fig.1 Macro morphology of corroded guyed rod

2.2 金相分析

对断裂的输电铁塔拉线棒取样进行显微组织分析。可以看出，拉线棒的基体组织为等轴状分布的珠光体+铁素体，组织未见明显异常。断口附近拉线棒表面镀锌层已消耗殆尽且锈蚀较为严重，存在深浅不一的腐蚀凹坑及大量的腐蚀孔洞（如图2所示）。

图2 腐蚀断裂的拉线棒金相组织Fig.2 Metallographic structure of corroded guyed rod

2.3 化学成分分析

对断裂的输电铁塔拉线棒取样进行化学成分测试，检测结果见表1。数据表明，拉线棒各元素质量分数均符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》标准[2]。

表1 腐蚀断裂的输电杆塔拉线棒各化学成分质量分数检测结果Tab.1 Detection results of mass fraction of chemical component of corroded guyed rod used in transmission tower%

2.4 镀锌层厚度测试

对腐蚀断裂的输电杆塔拉线棒地上未锈蚀部分的镀锌层厚度进行测量。结果表明，拉线棒镀锌层厚度在115～120 μm，满足镀锌层最小值不小于70 μm、平均值不小于85 μm的埋地金属构件要求。

2.5 腐蚀产物形貌与能谱分析

图3为断裂的输电铁塔拉线棒腐蚀产物微观形貌，可以看出，大部分腐蚀产物呈片层状，并伴有少量的致密团簇状颗粒。

对断裂的输电铁塔拉线棒腐蚀产物取样进行微区能谱分析，检测结果如图4、表2所示。结果表明，拉线棒腐蚀产物主要包含Fe、O、Cl三种元素，判断其应为Fe的氧化物和氯化物；而含量较少的Si元素主要为土壤中的砂石混入腐蚀产物。

图3腐蚀产物微观形貌Fig.3 Micromorphology of corrosion products

图4 腐蚀产物微区能谱分析图Fig.4 Energy spectrum analysis result for corrosion products

表2 腐蚀产物中各元素质量分数Tab.2 Mass fraction of each element in corrosion products%

2.6 土壤理化性能分析

表3为腐蚀断裂的输电铁塔拉线棒埋设区域土壤样品的理化性能及离子含量检测结果，根据数据可以判断，铁塔周边土壤属于高盐碱性土壤。

表3 土壤样品检测结果Tab.3 Test result of physical property and ion content for soil sample

2.7 硬度检测

对腐蚀断裂的输电杆塔拉线棒取样进行硬度测试，拉线棒维式硬度值为115～121，GB/T 700—2006标准中对Q235材料无硬度要求。一般来说，该硬度范围基本符合使用要求。

3 原因分析

经分析，腐蚀断裂的输电杆塔拉线棒化学成分符合标准要求，排除因材质错用造成的腐蚀失效。该220 kV输电杆塔拉线棒长期埋设于沙漠地区，无工业污染源，周边沙土属于高盐碱性土壤，其中Cl-和SO42-含量较高，对土壤腐蚀起促进作用。主要体现在以下方面：首先，因Cl-半径小，容易穿透金属表面的氧化膜，使膜表面形成高密度电流，当膜-溶液界面的电位达到点蚀电位临界值时，便发生点蚀[3-4]；其次，Cl-可优先吸附在氧化膜表面并挤掉O原子，与氧化膜中的阳离子反应生成水溶性的氯化物，在新露出的基体金属特定区域上生成孔径20～30 μm的小腐蚀坑，并在Cl-的催化作用下，点蚀电位下降，腐蚀坑不断扩大、加深[5-7]；最后，氯盐和硫酸盐作为强电解质，在潮湿的土壤中以离子的形式存在，强化了离子通路，同时降低了阴极和阳极间的电阻，加快了土壤腐蚀的速度。

拉线棒长期在含有硫酸盐及氯盐的高盐土壤中服役，表面镀锌防护层极易反应生成水溶性的ZnSO4或ZnCl2，在连续降雨的天气条件下，ZnSO4或ZnCl2不断溶解并随雨水流入土壤中，使得镀锌层快速消耗。在镀锌层腐蚀失效后，裸露在土壤中的碳钢基体大面积腐蚀。由于Cl-的扩散，拉线棒表面的钝化层被不断穿透、破坏，并形成点蚀坑，加剧了其腐蚀过程；同时，因腐蚀产物与拉线棒基体的膨胀系数相差较大，在温度急剧变化时，腐蚀钝化层会发生大面积脱落，导致局部区域金属基体直接暴露在腐蚀介质中。随着腐蚀的进行，拉线棒表面腐蚀坑内的Fe2O3或FeO()OH被进一步氧化为Fe3O4，因其致密性和稳定性更高，对基体金属的腐蚀保护也更好，所以表层腐蚀坑内的基体金属腐蚀速度不断下降。而在重力的作用下少部分Cl-可继续向下扩散并穿透表面氧化层进入拉线棒内部，因O含量下降，生产的腐蚀产物主要以黄褐色的FeO()OH为主，造成拉线棒的二次腐蚀[8-12]。