輸電線路鐵塔塔腿防腐的失效分析與預(yù)防

方玉群，周海飛，邢哲鳴，陳晨，金德軍

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江金華321017；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

輸電線路鐵塔塔腿防腐的失效分析與預(yù)防

方玉群1，周海飛2，邢哲鳴1，陳晨1，金德軍1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江金華321017；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

部分110～220 kV輸電線路在運(yùn)行過(guò)程中，鐵塔塔腿經(jīng)常出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕的情況，影響了桿塔的安全運(yùn)行。為此，對(duì)鐵塔塔腿腐蝕原因進(jìn)行了剖析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕樣本進(jìn)行形貌、EDS能譜、X射線衍射、元素分布等分析，進(jìn)一步闡述了塔腿防腐失效的內(nèi)在因素，并提出了相關(guān)防腐對(duì)策。

鐵塔塔腿；腐蝕；失效分析；預(yù)防

近幾年來(lái)，110 kV及以上輸電線路塔腿塔材嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，任其發(fā)展必將直接影響線路安全運(yùn)行，進(jìn)而有可能造成鐵塔傾倒事故。因此，迫切需要在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)室測(cè)試手段，結(jié)合相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從材料與結(jié)構(gòu)因素、施工因素、環(huán)境因素等角度探討塔腿塔材嚴(yán)重腐蝕的原因，在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)建議。

1 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況

2014年6月，某供電公司輸電運(yùn)檢班發(fā)現(xiàn)所轄110 kV線路部分桿塔基礎(chǔ)保護(hù)帽風(fēng)化嚴(yán)重，塔材腿部存在腐蝕情況。為了解塔材腐蝕情況，敲開(kāi)塔腿保護(hù)帽，發(fā)現(xiàn)主材和大斜材都存在著嚴(yán)重腐蝕，運(yùn)行人員現(xiàn)場(chǎng)用游標(biāo)卡尺測(cè)量主材和大斜材經(jīng)腐蝕之后的厚度，主材厚度正常值為0.820 cm，腐蝕最嚴(yán)重處為0.636 cm，有3根大斜材幾乎被腐蝕爛斷，4根接地引下線腐蝕嚴(yán)重，如圖1和圖2所示。

圖1 基礎(chǔ)保護(hù)帽現(xiàn)場(chǎng)情況

圖2 主材及大斜材腐蝕現(xiàn)場(chǎng)情況

經(jīng)查閱相關(guān)圖紙資料，該塔于2004年12月23日投運(yùn)，塔型為7727型，主材采用Q345熱鍍鋅角鋼，斜材采用Q235熱鍍鋅角鋼，前后檔距分別為369 m和376 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)該塔位于山坡上，土質(zhì)為巖石，大號(hào)側(cè)跨越江面，距桿塔橫線路左側(cè)約500 m處有一化工廠。

2 失效原因分析

2.1 質(zhì)量問(wèn)題

國(guó)網(wǎng)公司鐵塔保護(hù)帽施工標(biāo)準(zhǔn)工藝要求規(guī)定：保護(hù)帽強(qiáng)度等級(jí)不低于C15；使用中粗砂，含泥量不大于5%；應(yīng)使用粒徑5～20 mm的碎石，含泥量不大于2%；主板與靴板之間的縫隙應(yīng)采用密封（防水）措施；保護(hù)帽頂面應(yīng)留有排水坡度，頂面不得積水[1]。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖檢查（如圖3所示），該塔保護(hù)帽存在以下嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題：

（1）保護(hù)帽整體呈粉塵狀，水泥比例嚴(yán)重不足，含泥量嚴(yán)重超標(biāo)，遠(yuǎn)高于砂含泥量5%和石含泥量2%的要求。

（2）石子使用不規(guī)范，未采用要求規(guī)定的碎石，而是大量采用大塊風(fēng)化石，最大的石子粒徑達(dá)到240 mm，遠(yuǎn)超5～20 mm的要求。

（3）主板與靴板之間的縫隙未采取任何密封（防水）措施。

（4）由于保護(hù)帽質(zhì)量及自然風(fēng)化因素影響，保護(hù)帽頂面無(wú)排水坡度，導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)帽積水嚴(yán)重。

分析認(rèn)為，正是由于保護(hù)帽在施工時(shí)存在嚴(yán)重問(wèn)題，在自然環(huán)境作用下快速風(fēng)化，致使保護(hù)帽內(nèi)部疏松且存在大量大小不一的空洞，為水分在毛細(xì)作用下的長(zhǎng)期滯留提供了方便，從而加速了塔腿的腐蝕。

圖3 保護(hù)帽現(xiàn)場(chǎng)照片

2.2 酸雨腐蝕

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解，該腐蝕鐵塔附近有一家規(guī)模較大的化工廠，其產(chǎn)品包括氫氟酸、鹽酸、二氟一氯甲烷等。據(jù)浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)顯示，腐蝕鐵塔所處區(qū)域2012年降雨的pH值為4.91，為明顯的酸性雨水，2012年降雨中Cl-（氯離子）濃度達(dá)0.787 mg/L，同年大氣中SO2（二氧化硫）年均濃度為0.028 mg/m3。而通過(guò)對(duì)腐蝕鐵塔實(shí)地采集的雨水樣本進(jìn)行陰離子色譜分析，結(jié)果顯示雨水中除濃度最高的SO42-（硫酸根離子）外，Cl-含量高達(dá)0.98 mg/L，如表1所示。

表1 腐蝕鐵塔實(shí)地采集雨水樣本的陰離子色譜分析結(jié)果

一般認(rèn)為，Cl-與硫化物是導(dǎo)致金屬腐蝕最重要的因素。Cl-對(duì)材料腐蝕的影響主要表現(xiàn)為對(duì)材料表面氧化膜和鈍化膜的破壞作用[2]，硫化物與鋼鐵反應(yīng)生成易溶的硫酸亞鐵，從而進(jìn)一步水解生成了硫酸，硫酸繼續(xù)和鐵作用，整個(gè)過(guò)程具有自催化反應(yīng)的特征[3]。

由于該塔周圍雨水樣品中Cl-含量高達(dá)0.98 mg/L，SO42-含量高達(dá)4.91 mg/L，因此可以認(rèn)為，Cl-對(duì)鈍化膜的破壞以及對(duì)點(diǎn)蝕的促進(jìn)作用是毋庸置疑的，硫化物對(duì)Cl-的腐蝕作用則具有相當(dāng)?shù)膮f(xié)同效果。

綜上所述，由于保護(hù)帽為混凝土澆筑，呈堿性，酸雨的環(huán)境對(duì)混凝土具有很強(qiáng)的破壞性，因此，酸雨也是造成鐵塔塔腿腐蝕的重要原因。

3 腐蝕材料及其結(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步了解腐蝕過(guò)程，截取塔腿不同腐蝕程度樣本進(jìn)行形貌、能譜及X射線衍射、元素分布分析。圖4、圖5分別為輕度和重度腐蝕塔腿樣本的表面形貌及對(duì)應(yīng)的EDS能譜、X射線衍射譜，表2和表3為Q235鋼和Q345鋼的化學(xué)成分和輕度腐蝕塔腿樣本能譜數(shù)據(jù)。圖6為塔腿腐蝕樣的截面形貌。

由圖4可知，輕度腐蝕塔腿樣品的腐蝕產(chǎn)物呈多孔狀，疏松地附著在表面，對(duì)進(jìn)一步腐蝕已毫無(wú)抑制作用。表2和表3的數(shù)據(jù)顯示：腐蝕產(chǎn)物中的硫含量與氯含量均大幅高于基材，且與雨水中相關(guān)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）較為匹配，可以認(rèn)為腐蝕產(chǎn)物中的硫與氯來(lái)源于環(huán)境，而非基體本身。

圖4 輕度腐蝕塔腿樣表面形貌及EDS能譜

圖5 嚴(yán)重腐蝕塔腿的表面形貌和X射線衍射譜

表2 Q235鋼和Q345鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

圖6 塔腿腐蝕樣本的截面形貌

圖5表明：對(duì)于腐蝕更為嚴(yán)重的塔腿樣品，其腐蝕產(chǎn)物呈多層結(jié)構(gòu)，疏松附著的表層下面尚有裂紋密集的里層，此時(shí)腐蝕產(chǎn)物很容易從基體表面剝離。對(duì)應(yīng)的X射線衍射譜顯示，鋅元素以氧化物及碳酸鹽形態(tài)存在，金屬鋅已完全被消耗，伴隨出現(xiàn)鐵的腐蝕產(chǎn)物。隨著鋅腐蝕產(chǎn)物的逐漸剝離，碳鋼基材的腐蝕將明顯加速。

通過(guò)圖5、圖6，結(jié)合能譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

（1）塔腿表面熱鍍鋅層的內(nèi)部密集分布著大小不一的孔洞，可以判定為點(diǎn)蝕。

（2）孔洞周圍硫、氧的濃度非常高，氯分布于整個(gè)區(qū)域，孔洞處濃度稍高。

（3）熱鍍鋅層幾乎完全被鋅、碳、氧3種元素占據(jù)，說(shuō)明氧化物、碳酸鹽的確為鋅層的腐蝕產(chǎn)物。

通過(guò)上述材料及結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為：由于酸性、高氯離子及硫化物濃度的雨水長(zhǎng)期滯留于疏松多孔的保護(hù)帽中，構(gòu)成了易于發(fā)生腐蝕的外部條件，在腐蝕產(chǎn)物疏松多孔結(jié)構(gòu)因素的共同作用下，導(dǎo)致了該110 kV線路塔腿塔材的嚴(yán)重腐蝕，由于腐蝕的隱蔽性進(jìn)一步導(dǎo)致了某些大斜材的徹底銹斷。

表3 輕度腐蝕塔腿樣本表面EDS能譜數(shù)據(jù)

4 預(yù)防對(duì)策

4.1 采取包覆材料

對(duì)于新建鐵塔，在澆制保護(hù)帽之前，建議明確使用包覆材料將構(gòu)件與外界環(huán)境隔離；對(duì)于已投入運(yùn)行的鐵塔，若主材未發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的，可先使用包覆方式使構(gòu)件與外界環(huán)境隔離，然后再澆筑保護(hù)帽；對(duì)于銹蝕嚴(yán)重的主材和斜材，建議進(jìn)行更換，同時(shí)做好包覆防腐措施。防腐所用包覆材料一般可采用礦脂防蝕膏、防蝕帶及防腐涂料，如圖7所示。

圖7 鐵塔塔腳包覆前后外觀對(duì)比

4.2 改進(jìn)鐵塔塔腳板

保護(hù)帽的主要作用是保護(hù)地腳螺栓不會(huì)因偷盜、銹蝕等原因造成鐵塔傾覆。從圖1可知，對(duì)于處于保護(hù)帽內(nèi)的大斜鐵，其銹蝕嚴(yán)重程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主材，主要是因?yàn)橄啾扔谥鞑?，大斜鐵的厚度和寬度較小，在鍍鋅層被破壞后，腐蝕進(jìn)程不斷加快，最終導(dǎo)致大斜鐵完全失效。

綜合考慮保護(hù)帽的基本功能和圖1所反應(yīng)的問(wèn)題，分析認(rèn)為將大斜鐵下端部一同澆制在保護(hù)帽內(nèi)的做法非常不合理，考慮到目前大部分110～220 kV線路常規(guī)塔型大斜材下端部與塔腳板底部距離一般在200 mm左右,如圖8虛線部分所示。根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司保護(hù)帽施工標(biāo)準(zhǔn)工藝“保護(hù)帽寬度應(yīng)保證塔腳板和地腳螺栓保護(hù)厚度不小于50 mm，高度應(yīng)以超過(guò)地腳螺栓50～100 mm為宜并不小于300 mm”的要求，在正常澆制的情況下，下端部均會(huì)被澆制在保護(hù)帽內(nèi)。

因此，應(yīng)考慮對(duì)鐵塔塔腳板進(jìn)行改進(jìn)?？紤]到保護(hù)帽300 mm高度要求，建議將大斜材所連塔腳板鋼板加寬，在大斜材料下端部的原兩連接孔移至沿著中心延長(zhǎng)線上端部位置，一方面保證在不改變塔型設(shè)計(jì)的前提下能順利安裝，所產(chǎn)生的成本費(fèi)用也很小，另一方面保證下孔中心與塔腳板底部400 mm左右的凈空距離，確保正常保護(hù)帽澆制后，大斜材不會(huì)被澆制在保護(hù)帽內(nèi)（如圖8所示）。

4.3 加強(qiáng)質(zhì)量控制、驗(yàn)收和運(yùn)行管理

基建施工過(guò)程，施工單位和監(jiān)理單位應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程管控，嚴(yán)格按國(guó)網(wǎng)公司保護(hù)帽施工標(biāo)準(zhǔn)工藝要求規(guī)定進(jìn)行施工，確保保護(hù)帽澆制質(zhì)量。

運(yùn)行接收單位應(yīng)加強(qiáng)驗(yàn)收管理，對(duì)于保護(hù)帽驗(yàn)收不能只進(jìn)行外觀檢查，還應(yīng)根據(jù)一定的比例對(duì)保護(hù)帽敲開(kāi)進(jìn)行抽檢；在投產(chǎn)1年時(shí)間內(nèi)，加強(qiáng)保護(hù)帽的運(yùn)行檢查，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的保護(hù)帽質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)向基建主管部門反饋，要求施工單位按要求重新澆制保護(hù)帽。

在日常巡視過(guò)程中，運(yùn)行單位對(duì)于發(fā)現(xiàn)保護(hù)帽風(fēng)化現(xiàn)象，應(yīng)引起充分重視，全面排查鐵塔主材和斜材的銹蝕情況，及時(shí)安排大修，確保線路安全運(yùn)行。

5 結(jié)論

（1）保護(hù)帽在施工時(shí)存在嚴(yán)重問(wèn)題，在自然環(huán)境作用下快速風(fēng)化，致使保護(hù)帽內(nèi)部疏松且存在大量大小不一的空洞，水分在毛細(xì)作用下長(zhǎng)期滯留，從而加速塔腿的腐蝕。

（2）酸性、高氯離子及硫化物濃度的雨水，長(zhǎng)期滯留于疏松多孔的保護(hù)帽中，構(gòu)成了發(fā)生腐蝕的有利外部條件，在腐蝕產(chǎn)物疏松多孔結(jié)構(gòu)因素的共同作用下，導(dǎo)致塔腿塔材發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。

（3）在保護(hù)帽澆制之前，使用包覆材料使構(gòu)件與外界環(huán)境隔離，可有效防止塔腳塔材的腐蝕。

（4）應(yīng)采取措施對(duì)鐵塔塔腳板進(jìn)行改進(jìn)，確保鐵塔斜材不被澆制在保護(hù)帽內(nèi)部。

[1]國(guó)家電網(wǎng)公司基建部組.國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程標(biāo)準(zhǔn)工藝[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[2]張世紅，劉朝，崔磊.幾種因素對(duì)帶銹鋼鐵腐蝕行為的影響[J].廣州化工，2012，40（3）∶10-11.

[3]李釗，祁慶琚，馬朝暉，等.濕熱海洋大氣環(huán)境下的鋼鐵腐蝕影響因素[J].寶鋼技術(shù)，2015（1）∶77-78.

[4]楊靖波，李茂華，楊風(fēng)利，等.我國(guó)輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)研究新進(jìn)展[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（22）∶77-83.

[5]陳彤，談天，洪毅成，等.輸電網(wǎng)鍍鋅金屬部件的腐蝕與防護(hù)[J].中國(guó)電力，2013，46（11）∶1-5.

[6]陳彤，莊建煌，黃偉林，等.輸電線路鍍鋅鐵塔塔腳局部腐燭失效分析及防護(hù)[J].中國(guó)電力，2015，48（5）∶139-143.

[7]沈曉明，錢洲亥，祝酈偉，等.浙江地區(qū)變電站土壤腐蝕性調(diào)查研究[J].浙江電力，2017，36（2）∶53-57.

[8]孫捷，萬(wàn)明攀.熱浸鍍鋅池中的Bi對(duì)Q235鋼和Q345鋼硅反應(yīng)性的作用[J].材料保護(hù)，2012（6）∶25-27.

[9]鐘維軍.輸電鐵塔裝配式板索基礎(chǔ)的分析研究[J].浙江電力，2016，35（6）∶70-73.

（本文編輯：徐晗）

Failure Analysis and Prevention of Tower Leg Corrosion of Transmission Lines

FANG Yuqun1，ZHOU Haifei2，XING Zheming1，CHEN Chen1，JIN Dejun1
（1.State Grid Jinhua Power Supply Company，Jinhua Zhejiang 321017，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Serious leg corrosion affecting operation safety of towers is quite common in the operation of some110～220 kV transmission lines.Therefore，the paper discusses the corrosion causes and analyzes the corrosion sampling through morphology，EDS energy spectrum，X-ray diffraction and element；besides，it expounds intrinsic factors of anti-corrosion failure of the tower leg and presents some countermeasures.

tower leg；corrosion；failure analysis；prevention

10.19585/j.zjdl.201706015

1007-1881（2017）06-0064-04

TM753

B

2017-04-07

方玉群（1977），男，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路運(yùn)行、檢修技術(shù)管理工作。