陳軍君，胡加瑞，謝億，胡波濤

(湖南省電力公司科學研究院，長沙市 410007)

0 引言

輸電線路中，金具起著連接和固定裸導線、導體及絕緣子，傳遞機械載荷、電氣負荷的重要作用。金具的腐蝕失效，將造成連接線路斷開或掉落，引起停電跳閘的重大事故。由于金具檢修需高空停電作業(yè)，極不方便，需有效防腐，預防事故發(fā)生。

目前，鋼質(zhì)金具普遍采用熱浸鍍鋅層防腐，這種防腐方式在一般地區(qū)可滿足防腐要求，而在工業(yè)污染地區(qū)常優(yōu)先腐蝕［1］，達不到預期使用壽命。人們對金具腐蝕因素的認識尚未統(tǒng)一［2］，為深入研究腐蝕機理，本文針對廣西某500kV輸電線路金具腐蝕案例，對腐蝕金具開展力學試驗、物相分析、顯微分析和電化學測試，結(jié)合以湖南省為代表的內(nèi)陸工業(yè)區(qū)金具多年腐蝕情況，評定腐蝕失效形式，分析腐蝕原因，總結(jié)典型工業(yè)區(qū)金具腐蝕規(guī)律并提出針對性的防腐對策，為金具的運行維護提供依據(jù)。

1 腐蝕失效情況

1.1 失效樣品

取樣線路位于廣西某工業(yè)區(qū)，投運8年，設(shè)計污穢等級為中污區(qū)二級，腐蝕金具1.5 km范圍內(nèi)有氮肥廠1座，3.5 km范圍內(nèi)有大型冶煉廠鋅礦、鉛礦各1座，小型冶煉廠數(shù)座。取回了6種成套金具樣品，包括U型螺栓(UJ－2280型)、U型掛環(huán)(U－12型)、聯(lián)板(L－1240型)、直角掛板(ZS－7型)、平行掛板(P－7型)、懸垂線夾(XGU－2F型)。

1.2 宏觀檢查

檢查樣品發(fā)現(xiàn)直角掛板、平行掛板和聯(lián)板腐蝕最嚴重，表面完全覆蓋紅銹;U型螺栓、懸垂線夾次之，局部邊角覆蓋紅銹;U型掛環(huán)腐蝕最輕，但外部鍍鋅層已發(fā)黑。紅色銹層較疏松，表面粗糙不平，有微小蝕坑或顆粒。

將以上金具腐蝕最嚴重的部位去除表面浮銹后，測量尺寸并與新金具對比，發(fā)現(xiàn)懸垂線夾掛架處局部腐蝕厚度最大，達到20.87%;其次為直角掛板和平行掛板，超過17%?？梢姂掖咕€夾由于形狀最復雜，邊角縫隙較多，雖然整體腐蝕不嚴重，但局部腐蝕嚴重。金具的基本尺寸小于或等于50 mm時，其極限尺寸偏差為+1.0 mm［3］，上述多數(shù)腐蝕金具尺寸已不符合要求，截面積減小，承載能力降低。

1.3 力學性能

為便于夾具夾持，選取腐蝕最嚴重的直角掛板、平行掛板和腐蝕較輕的U型掛環(huán)，置于電子萬能試驗機上進行力學試驗。U－12掛環(huán)理論負荷為120 kN，試驗負荷加載至120 kN，保載60 s后將試驗壓力增至144 kN仍未斷裂，力學性能合格。P－7平行掛板理論負荷為70 kN，加載至70 kN，保載60 s后將試驗壓力增至84 kN未斷裂，力學性能合格。ZS－7直角掛板理論負荷為70 kN，但在加載至62.8 kN時產(chǎn)品破壞，斷口平齊為脆性斷裂，可見整體腐蝕較嚴重的直角掛板力學性能已不合格。

實踐中，金具的腐蝕失效有3種形式:(1)尺寸減薄引起的承載能力下降;(2)材料抗拉強度降低引起承載能力下降;(3)材質(zhì)變脆，導致彎曲破壞負荷降低以及斷裂突然發(fā)生。三者均會給金具運行帶來安全隱患，當表面出現(xiàn)紅銹且局部尺寸減薄逾10%時，即有較大概率不滿足設(shè)計載荷，此時應加強巡視并進行腐蝕評估。

2 腐蝕產(chǎn)物分析

2.1 X衍射分析

為分析腐蝕產(chǎn)物物相，從金具銹蝕部位刮取粉末試樣，用D/max 2500 VB型X射線衍射儀測試，結(jié)果見圖1。

圖1中上方曲線為腐蝕產(chǎn)物X衍射結(jié)果，中間曲線為FeOOH標準物質(zhì)X衍射特征圖譜，下方曲線為Fe3(SO4)2(OH)2·3H2O標準物質(zhì)X衍射特征圖譜。可見表面的腐蝕產(chǎn)物主要為FeOOH以及含鐵的硫酸鹽化合物。FeOOH為前期腐蝕產(chǎn)物，包括 γ-FeOOH(橙色)及 α-FeOOH(黃色)，進一步反應將在銹層內(nèi)部形成更穩(wěn)定的Fe3O4(黑色)。多種物相的鐵腐蝕產(chǎn)物組合，使工業(yè)區(qū)的金具銹蝕宏觀上多呈現(xiàn)紅褐色。含鐵硫酸鹽的存在表明硫參與了腐蝕反應。

圖1 金具腐蝕產(chǎn)物X衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction(XRD)graph of fitting corrosion products

2.2 電子顯微分析

從整體腐蝕最嚴重的直角掛板上用線切割機截取1 cm×1 cm的方形試塊，置于Sirion200場發(fā)射掃描電鏡上對表面和截面進行電子顯微分析，結(jié)果見圖2。

圖2 直角掛板腐蝕樣品掃描電鏡和能譜分析Fig.2 Scanning electron microscope(SEM)and energy dispersive spectroscopy(EDS)micrograph of corrosion samples of rectangular hanging plate

銹層表面有大量顆粒狀腐蝕產(chǎn)物，并且存在裂紋和孔洞。截面上淺色鐵基體和深灰色氧化區(qū)域有明顯結(jié)合面，基體較致密，氧化區(qū)域較疏松，提供了腐蝕性物質(zhì)進入通道。分別對表面、截面基體和氧化區(qū)域進行 EDS分析，測得基體主要元素含量為鐵98.95%，并有少量錳1.07%，符合設(shè)計16Mn材質(zhì)。氧化區(qū)域中氧含量擴大到6.40%(原子比18.91%)，表明發(fā)生腐蝕，且原表面熱鍍鋅保護層僅有13.03%的鋅殘留，鍍鋅層已基本失效。

從截面EDS線掃描進一步看出，由基體到表層，鐵含量明顯降低，氧含量大幅增加，硫含量也顯著增加。硫來源于工業(yè)污染大氣，促進了金具的腐蝕。

3 腐蝕速度分析

由腐蝕產(chǎn)物分析可知，受工業(yè)污染的大氣中，硫?qū)涌旖鹁吒g起到了關(guān)鍵作用。為模擬金具在實際大氣環(huán)境中的腐蝕情況，配制模擬酸雨溶液，因廣西、湖南地區(qū)酸雨分布在4.0～5.0，取平均值4.5，對應0.025%NaHSO3溶液。用硫酸微調(diào)至pH4.5。選取便于制作方形工作電極的聯(lián)板試樣，包括出現(xiàn)紅銹腐蝕聯(lián)板、舊鍍鋅層發(fā)黑聯(lián)板、鍍鋅層完好備品聯(lián)板、新鍍鋅試樣、未鍍鋅試樣，線切割為1 cm×1 cm方塊，編號1～5，封裝制成工作電極，參比電極為飽和甘汞，輔助電極為鉑片，在德國產(chǎn)IM6eX電化學工作站上測試動電位極化曲線，電位范圍 －0.6～－1.9 V，掃描速率0.5 mV/min，結(jié)果見圖3。圖中i為電流密度;ESCE為掃描電位。

由極化曲線推算各樣品自腐蝕電位Ecorr和自腐蝕電流密度Icorr如表1所示。Ecorr由小到大依次為5、1、2、3、4 號試樣，且 Ecorr的絕對值越大，金屬表面活性越強，越容易發(fā)生腐蝕。因此，金具腐蝕傾向由大到小依次為無鍍鋅層樣、聯(lián)板腐蝕樣、舊鍍鋅層發(fā)黑樣、聯(lián)板備品樣、剛鍍鋅樣，未鍍鋅試樣和腐蝕紅銹試樣由于表面腐蝕電位最低，較易發(fā)生腐蝕，同時4號樣品自腐蝕電位－1.374 V，說明在含硫酸雨中金具有完好鍍鋅層時仍有較強腐蝕傾向。

Icorr反映了腐蝕速度，可見沒有鍍鋅保護的5號試樣腐蝕速度比鍍鋅保護試樣高出2個數(shù)量級，腐蝕速度極快;已產(chǎn)生紅銹的1號試樣鍍鋅層已大部分消耗，但由于鐵的腐蝕產(chǎn)物在內(nèi)層具有一定鈍化作用，腐蝕速度相對降低;而鍍鋅層較完好的2、3號樣腐蝕速度約為紅銹試樣的2倍，表明鍍鋅層在含硫酸雨中仍有較快的腐蝕消耗速度。

表1 各樣品自腐蝕電位和自腐蝕電流密度Tab.1 Free corrosion potentials and current density of samples

圖3 聯(lián)板腐蝕樣品極化曲線Fig.3 Polarization curves of corrosion samples of plate fittings

4 腐蝕原因分析

4.1 工業(yè)大氣中硫元素的影響

金具的腐蝕本質(zhì)上為電化學腐蝕，表面熱鍍鋅的電位較鐵低，可先于鐵腐蝕起到陰極保護作用。當雨水或潮氣吸附于鋅表面形成薄液膜時，即構(gòu)成了電解液環(huán)境，發(fā)生微觀腐蝕電池反應。

陽極發(fā)生鋅的溶解反應，一般發(fā)生在鋅的表面缺陷處，腐蝕結(jié)果表現(xiàn)為肉眼可見的小孔;陰極發(fā)生氧的去極化反應，發(fā)生在小孔周圍。反應結(jié)果:

Zn2++OH－→Zn(OH)2→ZnO·H2O

如果大氣沒有被污染、酸性介質(zhì)濃度很低，一般pH 值 ＞5.2 時［4］，腐蝕產(chǎn)生氫氧化鋅 Zn(OH)2、氧化鋅ZnO、碳酸鋅ZnCO3等化合物，進一步形成堿式碳酸鋅Zn2(OH)2CO3的致密薄膜，厚度可達8 um以上，這些產(chǎn)物以沉淀形式析出且均難溶于水，因此阻止水分滲入減緩了后續(xù)腐蝕發(fā)生，相當于可自我修復的保護膜。

但有硫存在時，SO2的溶解及氧化過程產(chǎn)生了H+，導致Zn表面薄層液膜的酸化。一方面H+作為去極化劑參與陰極反應，加快了陽極鋅的溶解。另一方面，在酸性環(huán)境中，原本較致密的堿式碳酸鋅保護膜Zn2(OH)2CO3也與硫反應生成ZnSO4。

由于ZnSO4是可溶性鹽，容易被雨水沖走，從而使鋅不斷暴露并腐蝕，極大地加劇了鍍鋅層的消耗速度。當鍍鋅層消耗完時，鐵失去陰極保護很快就產(chǎn)生嚴重紅銹。

從腐蝕線路附近看，污染源有硫氧化物，靠近氮肥廠也有氮氧化物，但腐蝕產(chǎn)物分析主要檢測出硫，可見硫為工業(yè)大氣中促進金具腐蝕的最關(guān)鍵因素。從2000—2009年湖南14個地區(qū)酸雨數(shù)據(jù)看，株洲市SO2年均值最高［5］，為 0.101 mg/m3，其他地區(qū)均低于0.082 mg/m3，NO2含量長沙、湘潭、衡陽均高于株洲，Cl－等其他陰陽離子相當［6］，實際金具腐蝕情況也以株洲最嚴重，驗證了該點。

金具普遍采用的熱浸鍍鋅層，在多數(shù)大氣環(huán)境下有較高的穩(wěn)定性(包括海邊大氣)，但當含硫氣氛存在時，腐蝕速度可達一般大氣的6～7倍，這時應尋求更耐硫腐蝕的其他合金鍍層防腐。相對的，鍍鋁層耐硫腐蝕但密度輕不耐磨，可考慮用鋅鋁合金鍍層綜合二者優(yōu)點。目前國外較成熟的熱鍍鋅鋁合金(Galfan)和鋁鋅合金(Galvalume)，抗硫化腐蝕較強，約為熱鍍鋅的2～4倍［4］，可用于工業(yè)區(qū)金具防腐。

4.2 金具自身特點對腐蝕的影響

金具本身獨有的一些特點，使其正常情況下腐蝕速度也快于鐵塔和導線。首先，金具的結(jié)構(gòu)形式較為復雜，其單位質(zhì)量的比表面積較大，存在較多邊角和孔隙結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生縫隙腐蝕和接觸腐蝕兩種局部腐蝕形態(tài)，從邊角縫隙處引發(fā)腐蝕。其次，金具一般承受較大拉應力，拉線金具承受的拉力約為104～105N量級［7］。在拉應力作用下，金屬將比靜止狀態(tài)更容易腐蝕，因為應力增大了鍍鋅層表面的破壞程度，使表面產(chǎn)生的裂紋擴展且增多，表面破壞程度變大，腐蝕介質(zhì)更容易進入鍍鋅層;同時應力集中產(chǎn)生了駐留滑移帶，位錯密度高，原子具有較高的活性，易成為陽極優(yōu)先腐蝕。電化學測試表明，應力增大，輸電線路腐蝕電流密度增大，最高時為無應力作用下的7倍［8］。再次，金具運行中的摩擦碰撞促進了腐蝕。金具連接輸電線路時并未完全固定，存在微量活動空間。當冰、風等附加載荷引起輸電線路風偏、振動時，將帶動金具之間相互接觸部位的輕微摩擦和碰撞，在腐蝕環(huán)境下引起微動腐蝕。表面鍍鋅層由于雨水對基體的腐蝕效應導致磨損速度加快，同時磨損產(chǎn)生的缺陷也使得腐蝕速度加快，腐蝕和磨損形成正交互協(xié)同作用［9］，極大地增加了接觸構(gòu)件間的機械和化學損傷，加劇了腐蝕速度。

運行經(jīng)驗表明輸電線路中金具一般較早腐蝕，但在鄉(xiāng)村大氣環(huán)境中，熱鍍鋅保護的金具仍可維持20年以上使用壽命，在工業(yè)區(qū)不能滿足要求，則可采取加強防護措施，特別為阻止微動腐蝕，可在鍍鋅表面涂覆一道柔性耐磨涂層，顯著提高防腐壽命和抗微動腐蝕特性。金具運行中較難維護，因此需在安裝之前涂覆。

4.3 鍍鋅層質(zhì)量對腐蝕的影響

金具鍍鋅層的質(zhì)量也是腐蝕的重要影響因素。為考察鍍鋅質(zhì)量，用Elcometer 456型磁性覆層測厚儀對擬用來更換的備用金具鍍鋅層厚度進行檢測，結(jié)果見表2。

金具鋼件厚度超過6 mm時，標準推薦的鍍鋅層平均厚度不低于85 μm［10］。由表2可知，直角掛板和聯(lián)板鍍鋅層厚度偏低，與實踐中這2種金具經(jīng)常全面腐蝕覆蓋紅銹的情況相符。

表2 備用金具鍍鋅層厚度測量結(jié)果Tab.2 Thickness measurement results of zinc coatings on reserve fittings μm

因此，金具安裝前應加強對鍍鋅質(zhì)量的檢測和控制，在確保尺寸精度的前提下，應盡量增加鍍鋅厚度。按重工業(yè)污染區(qū)鍍鋅層腐蝕速度6.4 μm/a計算［4］，30年以上使用壽命，鍍鋅層厚度應增加到192 μm以上。鍍鋅層太厚會降低附著力，經(jīng)驗表明鋅層300 μm以下時附著力仍較好，因此鍍鋅厚度宜控制在192～300 μm，鍍鋅越厚則工藝難度和造價越高。工程實踐表明，鍍鋅厚度提高至192 μm時，以鍍鋅廠家現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝條件可較易達到，成本增加幅度尚可接受，已在湖南部分輸電線路部件上進行了應用。

目前，金具標準平均鍍鋅厚度為85 μm，按上述腐蝕速度6.4 μm/a計算，在重工業(yè)區(qū)可維持13年，與湖南株洲工業(yè)區(qū)等重腐蝕地點的實際運行數(shù)據(jù)基本吻合。因此加強防護采用192～300 μm的鍍鋅厚度具有較高可信度。

5 結(jié)論

(1)金具腐蝕失效造成截面尺寸變小、抗拉強度降低、材質(zhì)變脆這3種形式的安全風險。

(2)工業(yè)污染區(qū)中，硫是引起金具腐蝕加速的關(guān)鍵因素，大氣中硫含量的影響最顯著。

(3)硫主要通過形成可溶性硫酸鹽，大大加快了金具鍍鋅層保護膜的腐蝕消耗速度。

(4)金具的拉應力和微動腐蝕特點使正常大氣中腐蝕速度也快于鐵塔和導、地線。

(5)工業(yè)區(qū)架空輸電線路金具應強化防腐，可采用鋅鋁合金鍍層、涂覆耐磨涂層、增加鍍鋅厚度這3種方法。鍍鋅層厚宜控制在192～300 μm。

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