輸電鐵塔保護(hù)帽內(nèi)塔腳隱蔽腐蝕的檢測(cè)及評(píng)估

吳俊健，胡家元

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

輸電鐵塔作為高壓輸電線路的承重結(jié)構(gòu)，是高壓輸電線路最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其安全可靠對(duì)電力系統(tǒng)安全至關(guān)重要[1]。輸電鐵塔的塔身、塔腳、接地系統(tǒng)等金屬部件均會(huì)發(fā)生腐蝕[2]，而塔腳腐蝕有環(huán)境復(fù)雜惡劣、腐蝕狀態(tài)隱蔽、防腐難度大、腐蝕危害性大等特點(diǎn)，是輸電鐵塔所有腐蝕問(wèn)題中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3-4]。圖1 為浙江省寧波、 金華等地近期發(fā)現(xiàn)的幾種典型塔腳腐蝕形貌，圖1（a）顯示在與保護(hù)帽交界面處塔腳已接近銹斷，圖1（b）則表現(xiàn)為保護(hù)帽內(nèi)塔腳腐蝕較保護(hù)帽外更為嚴(yán)重，保護(hù)帽內(nèi)塔腳基材出現(xiàn)隱蔽性局部減薄，安全隱患十分突出。

圖1 塔腳部位典型腐蝕形貌

國(guó)內(nèi)外對(duì)輸電鐵塔防腐工作十分重視，但主要針對(duì)于塔身等大氣裸露部位[5-7]，對(duì)保護(hù)帽包裹的塔腳腐蝕研究卻較少涉及。劉爽[8]等研究了一起500 kV 線路鐵塔塔腳與混凝土交界面處嚴(yán)重腐蝕減薄案例，分析認(rèn)為周邊大氣中SO2濃度較高、且交界面長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)是導(dǎo)致塔腳快速腐蝕的原因。陳彤及莊建煌[3，9]等針對(duì)普遍存在的塔腳局部腐蝕現(xiàn)象，采用電化學(xué)方法分別模擬了塔腳上部、塔腳-混凝土界面、塔腳在混凝土中的腐蝕過(guò)程，認(rèn)為塔腳-混凝土界面處易積灰保水的特殊結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致其局部腐蝕失效的主因。李新梅[10]等研究了塔腳修復(fù)用冷鍍鋅在酸性、中性及堿性條件下的電化學(xué)腐蝕行為，提出了應(yīng)用要求；錢洲亥[11]等提出了一種應(yīng)用于塔腳防腐的復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)；高書田[12]等發(fā)明了一種用于高壓輸電鐵塔的防腐塔腳；Tiba[13]等開(kāi)發(fā)了一種利用光伏供電的鐵塔基礎(chǔ)陰極保護(hù)方法。上述研究闡述了圖1（a）所示塔腳與混凝土交界面腐蝕機(jī)理，并提出了一些適用于銹蝕塔腳的防腐方案。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于圖1（b）所示的保護(hù)帽內(nèi)塔腳隱蔽腐蝕這一現(xiàn)象，關(guān)于保護(hù)帽質(zhì)量評(píng)估、塔腳腐蝕快速檢測(cè)、相關(guān)腐蝕機(jī)理等方面尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。現(xiàn)階段僅采取對(duì)在役保護(hù)帽人工敲開(kāi)抽檢，檢查后重新澆筑的方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且存在大量資源浪費(fèi)。

一般認(rèn)為合格的混凝土澆筑后將會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)堿性，其內(nèi)部鋼材將處于鈍化狀態(tài)而免遭腐蝕[14-15]。然而，一方面混凝土在大氣環(huán)境下會(huì)緩慢碳化[16]，其內(nèi)部pH 值降低至11.5 以下后碳鋼將逐漸失去鈍化、發(fā)生腐蝕[15，17]；另一方面當(dāng)混凝土品質(zhì)不良時(shí)，因保護(hù)帽中存在的縫隙易于滯留水分及侵蝕介質(zhì)，塔腳也將遭受腐蝕。因而，研究一種保護(hù)帽品質(zhì)的快速評(píng)定方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)新建及在役保護(hù)帽品質(zhì)的快速檢測(cè)，判斷后續(xù)塔腳腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；開(kāi)發(fā)一種保護(hù)帽內(nèi)鋼材腐蝕無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于保護(hù)帽內(nèi)塔腳金屬腐蝕的快速檢測(cè)，確定當(dāng)前塔腳腐蝕現(xiàn)狀，將具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容及樣品

1.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

借鑒回彈法、超聲法等混凝土構(gòu)件的品質(zhì)評(píng)估技術(shù)[18]，研究簡(jiǎn)便易行的鐵塔保護(hù)帽品質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)檢查評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土保護(hù)帽強(qiáng)度、內(nèi)部缺陷等的快速檢測(cè)。

基于線性極化法等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕測(cè)試技術(shù)[19]，研究混凝土保護(hù)帽內(nèi)塔腳腐蝕快速測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)帽內(nèi)塔腳腐蝕速率等特征判定。

1.1.2 試驗(yàn)樣品

制作塔腳混凝土結(jié)構(gòu)件樣品（見(jiàn)圖2），通過(guò)調(diào)整混凝土強(qiáng)度、內(nèi)部摻雜鹽類、泥土等條件（見(jiàn)表1），模擬保護(hù)帽的不同品質(zhì)。所有結(jié)構(gòu)件樣品在室溫箱做28 天養(yǎng)護(hù)之后開(kāi)展各項(xiàng)測(cè)試工作，摻鹽試驗(yàn)為混入占水泥相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl 鹽類，并攪拌均勻；摻土試驗(yàn)為混入占水泥相應(yīng)體積比的沙土，并適當(dāng)攪拌，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，土樣將下沉至混凝土下部。

圖2 塔腳混凝土結(jié)構(gòu)件試樣

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土強(qiáng)度評(píng)估

對(duì)于塔腳保護(hù)帽結(jié)構(gòu)，回彈法及超聲法測(cè)試區(qū)域及測(cè)試點(diǎn)分布示意見(jiàn)圖3。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)件試制參數(shù)

圖3 混凝土強(qiáng)度測(cè)試區(qū)域示意

計(jì)算平均回彈值時(shí)，應(yīng)從該測(cè)區(qū)16 個(gè)回彈值中各剔除3 個(gè)最大值和最小值，將余下的10 個(gè)回彈值求均值[18]。

超聲測(cè)點(diǎn)布置在回彈測(cè)試的同一測(cè)區(qū)內(nèi)，測(cè)試的聲時(shí)值精確至0.1 μs，聲速值精確至0.01 km/h，在每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的相對(duì)測(cè)試面上，各布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)區(qū)聲速應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式中：L 為混凝土結(jié)構(gòu)件測(cè)試面厚度；tm為3 次測(cè)量聲時(shí)值的平均值。

本實(shí)驗(yàn)粗骨料為碎石，超聲回彈綜合法測(cè)試混凝土強(qiáng)度的計(jì)算公式[18]見(jiàn)式（2）。

式中：f 為混凝土推算強(qiáng)度；V 為聲速平均值；R為回彈平均值。

1.2.2 塔腳腐蝕速率測(cè)試

基于線性極化法的基本原理，改進(jìn)傳統(tǒng)的混凝土內(nèi)部鋼筋腐蝕速率檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)一套全新的適用于混凝土保護(hù)帽-鍍鋅鋼界面腐蝕速率的檢測(cè)方法[20]；改進(jìn)了測(cè)試裝置中的輔助電極形狀，明確了待測(cè)鋼材的測(cè)試區(qū)域范圍，從而有效降低了測(cè)試誤差。該方法適合于檢測(cè)如圖4（b）所示部分混凝土包裹、部分裸露的鋼材。測(cè)試系統(tǒng)及檢測(cè)位置見(jiàn)圖4。

圖4 混凝土內(nèi)金屬腐蝕速率檢測(cè)系統(tǒng)及測(cè)試區(qū)域

腐蝕電流Icorr由測(cè)試裝置直接測(cè)得，但要計(jì)算腐蝕電流密度icorr，需確定陽(yáng)極面積值。根據(jù)有限元軟件對(duì)不同輔助電極寬度與電力線在陽(yáng)極區(qū)（工作電極）上的影響深度進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示：以取90%的電流百分?jǐn)?shù)所在的陽(yáng)極區(qū)域作為確定陽(yáng)極影響深度的依據(jù)，當(dāng)取輔助電極寬度為20 mm 和40 mm 時(shí)，陽(yáng)極上影響深度分別為60 mm 和65 mm，且在該范圍內(nèi)影響深度隨輔助電極的寬度增加而增大。所以采用插值法，根據(jù)輔助電極的寬度l 來(lái)確定陽(yáng)極影響深度d，計(jì)算公式如式（3）所示：

陽(yáng)極面積A 可由式（4）確定：

式中：C 為塔腳角鋼截面周長(zhǎng)。

鍍鋅鋼的鋅層鈍化后會(huì)有保護(hù)作用，其腐蝕電流密度很?。划?dāng)鍍鋅層消耗殆盡、基體鋼材腐蝕后，其腐蝕電流密度才會(huì)顯著增加。故而，以腐蝕電流密度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可依據(jù)表2 中混凝土鋼筋的腐蝕劃分原則，對(duì)鐵塔混凝土保護(hù)帽內(nèi)部鋼材的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[21]。

表2 塔腳腐蝕狀態(tài)判斷

1.3 計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)

為獲得準(zhǔn)確的定量結(jié)果，混凝土強(qiáng)度評(píng)估及塔腳腐蝕速率檢測(cè)均涉及較為復(fù)雜的計(jì)算，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速評(píng)估要求。鑒于此，開(kāi)發(fā)了一套鐵塔保護(hù)帽檢測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件，包含保護(hù)帽品質(zhì)分析模塊、塔腳腐蝕評(píng)估模塊，僅需輸入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)即可快速計(jì)算出評(píng)估結(jié)果。軟件模塊界面如圖5 所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 保護(hù)帽品質(zhì)檢查

利用超聲回彈綜合法對(duì)表1 中各混凝土構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，將測(cè)試結(jié)果以圖5（a）所示軟件計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

如表3 所示，對(duì)于按不同強(qiáng)度澆筑的混凝土構(gòu)件（編號(hào)1-3），超聲回彈法可較準(zhǔn)確的評(píng)定其強(qiáng)度等級(jí)，這也證明了該方法在塔腳保護(hù)帽上的適用性?；炷翗?gòu)件中加入鹽類后（編號(hào)4-5），對(duì)其強(qiáng)度影響不大；但摻入土樣等雜質(zhì)后（編號(hào)6-8），混凝土強(qiáng)度迅速降低。

進(jìn)行超聲測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于摻有土樣的混凝土構(gòu)件，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)遠(yuǎn)離土層、接近或處于土層周圍時(shí)，其超聲測(cè)試值有明顯差異，結(jié)果見(jiàn)表4。

如表4 所示，當(dāng)塔腳混凝土保護(hù)帽內(nèi)摻有土層時(shí)，跨土層的聲速值為2～3 km/s；當(dāng)不跨土層沿混凝土表面進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其聲速值均略大于4 km/s。可見(jiàn)，當(dāng)保護(hù)帽存在內(nèi)部摻土重大缺陷時(shí)，超聲測(cè)試可以便捷地判斷混凝土品質(zhì)。

2.2 塔腳腐蝕速率測(cè)試

采用發(fā)明的保護(hù)帽塔腳腐蝕速率測(cè)試法對(duì)表1 中各混凝土構(gòu)件中塔腳腐蝕速率進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果以圖5（b）所示軟件計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表5。

圖5 保護(hù)帽品質(zhì)及塔腳腐蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件模塊

表3 各混凝土結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果

如表5 所示，對(duì)于按不同品質(zhì)制作的塔腳保護(hù)帽，本文所述的改進(jìn)測(cè)試方法可較準(zhǔn)確區(qū)分其腐蝕速率，這也證明了該方法對(duì)塔腳保護(hù)帽體系的適用性。 對(duì)于C20 以上強(qiáng)度的混凝土保護(hù)帽（編號(hào)1-3），內(nèi)部塔腳腐蝕速率在短期內(nèi)無(wú)明顯差異。加入了鹽類后（編號(hào)4-5），塔腳腐蝕速率明顯增大，說(shuō)明侵蝕性鹽類可加快混凝土中金屬腐蝕。對(duì)于摻入土樣的保護(hù)帽（編號(hào)6-8），內(nèi)部塔腳腐蝕速率最大，這與現(xiàn)場(chǎng)大量發(fā)現(xiàn)的表面以混凝土包裹、內(nèi)部以泥土填充的保護(hù)帽中塔腳嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象相符。

表4 摻土結(jié)構(gòu)件超聲測(cè)試結(jié)果km/s

2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)某110 kV 輸電鐵塔的塔腳保護(hù)帽進(jìn)行腐蝕評(píng)估，分別采用回彈超聲綜合法、改進(jìn)線性極化法測(cè)試混凝土強(qiáng)度及保護(hù)帽內(nèi)塔腳腐蝕速率，測(cè)試過(guò)程如圖6 所示。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6 及圖7。

圖6 混凝土強(qiáng)度及塔腳腐蝕速率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

如表6 所示，對(duì)于該基鐵塔的混凝土保護(hù)帽進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該保護(hù)帽混凝土強(qiáng)度在7.9～10.2 MPa，低于鐵塔混凝土強(qiáng)度不低于15 MPa（強(qiáng)度C15）的一般要求[22]，可認(rèn)定該保護(hù)帽品質(zhì)不佳，其內(nèi)部易形成腐蝕環(huán)境。造成保護(hù)帽品質(zhì)不達(dá)標(biāo)的原因主要有：保護(hù)帽服役后混凝土碳化而強(qiáng)度降低、保護(hù)帽內(nèi)混有泥土等雜質(zhì)而導(dǎo)致強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。

表5 混凝土結(jié)構(gòu)件內(nèi)塔腳腐蝕速率

表6 混凝土強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

圖7 保護(hù)帽內(nèi)塔腳極化曲線

通過(guò)解析極化曲線，測(cè)試得到的腐蝕電流為2.77×10-4A。利用公式（4）估算得到塔腳陽(yáng)極面積為227.2 mm2，可計(jì)算得到塔腳腐蝕電流密度為0.12 μA/cm2，屬于“輕度腐蝕”等級(jí)。

對(duì)該基鐵塔保護(hù)帽進(jìn)行敲開(kāi)檢查，保護(hù)帽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及塔腳腐蝕情況如圖8 所示。 由圖8 可見(jiàn)，保護(hù)帽內(nèi)部存在沙土填充現(xiàn)象，并非全為混凝土材質(zhì)，這也解釋了該保護(hù)帽強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象。同時(shí)，內(nèi)部塔腳已出現(xiàn)銹蝕，但還未嚴(yán)重，也與塔腳腐蝕速率測(cè)試結(jié)果相符。檢測(cè)結(jié)果證明了本文所用檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性。

圖8 保護(hù)帽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及塔腳腐蝕情況

3 保護(hù)帽內(nèi)塔腳腐蝕機(jī)理

輸電鐵塔鋼材普遍采用鍍鋅層防腐，以延長(zhǎng)鐵塔鋼材的大氣環(huán)境使用壽命[23]。鋅是兩性金屬，其電位-pH 圖如圖9（a）所示，當(dāng)環(huán)境pH 值在6～13 時(shí)，鋅層表面可形成ZnO 保護(hù)膜。相似地，鐵的電位-pH 圖如圖9（b）所示，鋼材基體在強(qiáng)堿性環(huán)境中處于惰性狀態(tài)。當(dāng)保護(hù)帽品質(zhì)合格時(shí)，混凝土呈現(xiàn)強(qiáng)堿性[17]，其內(nèi)部鍍鋅鋼材處于被保護(hù)狀態(tài)，腐蝕速率很低，表5 中1-3 號(hào)樣品的試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論。

圖9 鍍鋅鋼塔腳的電化學(xué)性質(zhì)

當(dāng)保護(hù)帽由于長(zhǎng)期服役風(fēng)化、用材不合格等原因而品質(zhì)不佳時(shí)，其內(nèi)部容易出現(xiàn)縫隙等缺陷而滯留水分。這不僅將降低混凝土介質(zhì)堿性，同時(shí)引入了雨水中和Cl-等侵蝕性介質(zhì)，此時(shí)鋅材及鋼材表面保護(hù)性薄膜會(huì)被破壞[9]。塔腳鍍鋅鋼材的腐蝕包括鍍鋅層腐蝕、鋼材基體腐蝕等過(guò)程，以受到侵蝕作用為例，2 種材質(zhì)的腐蝕反應(yīng)包括：

鋅腐蝕主要反應(yīng)為：

當(dāng)鋅層被腐蝕破壞后，碳鋼基材腐蝕主要反應(yīng)為：

由于劣化保護(hù)帽的保水作用，塔腳部位的鍍鋅鋼材將長(zhǎng)期處于含有侵蝕離子的含水環(huán)境中，而鍍鋅層并不適合對(duì)水溶液中鋼材的防護(hù)。 因而，劣化保護(hù)帽內(nèi)塔腳腐蝕進(jìn)程將比曝露在大氣環(huán)境中的塔身部分更為嚴(yán)重[24]。這也解釋了現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的保護(hù)帽內(nèi)塔腳腐蝕較外部更為嚴(yán)重的現(xiàn)象。提高保護(hù)帽強(qiáng)度及質(zhì)量、對(duì)保護(hù)帽內(nèi)塔腳部位涂刷防腐涂料等加強(qiáng)防腐，將是防治塔腳腐蝕、確保鐵塔塔腳服役安全性的關(guān)鍵措施。

4 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了一種混凝土品質(zhì)檢測(cè)方法及塔腳腐蝕速率測(cè)試方法，并開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件；通過(guò)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)件樣品及現(xiàn)場(chǎng)塔腳保護(hù)帽的測(cè)試驗(yàn)證，得到結(jié)論及建議如下：

（1）對(duì)于按不同強(qiáng)度澆筑的混凝土構(gòu)件，超聲回彈法可較準(zhǔn)確地評(píng)定其強(qiáng)度等級(jí)；混凝土構(gòu)件中加入鹽類后，對(duì)其強(qiáng)度影響不大，但摻入土樣等雜質(zhì)后，其強(qiáng)度迅速降低。該方法可準(zhǔn)確判斷混凝土保護(hù)帽的品質(zhì)，可用于新建及在役保護(hù)帽的質(zhì)量監(jiān)督；當(dāng)保護(hù)帽存在摻土等嚴(yán)重內(nèi)部缺陷時(shí)，也可單獨(dú)采用超聲法對(duì)其進(jìn)行快速判斷。

（2）改進(jìn)線性極化法檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度在C20以上的混凝土保護(hù)帽內(nèi)部塔腳腐蝕不明顯；而添加侵蝕性鹽類、摻入土樣的保護(hù)帽，其內(nèi)部塔腳腐蝕速率明顯增加。該方法可準(zhǔn)確測(cè)試保護(hù)帽內(nèi)塔腳腐蝕速率，用于塔腳隱蔽腐蝕的快速判斷，可服務(wù)于在役塔腳防腐監(jiān)督；實(shí)現(xiàn)以無(wú)損檢測(cè)方式減少保護(hù)帽破壞性抽檢工作，達(dá)到節(jié)約人力物力的目的。

（3）劣化保護(hù)帽容易出現(xiàn)縫隙而滯留水分，將降低混凝土介質(zhì)堿性，同時(shí)引入了雨水中和Cl-等侵蝕性介質(zhì)，是導(dǎo)致其內(nèi)部塔腳隱蔽腐蝕的主要原因。由于劣化保護(hù)帽的保水作用，塔腳鍍鋅鋼材將長(zhǎng)期處于有侵蝕離子的含水環(huán)境中，其內(nèi)部塔腳腐蝕進(jìn)程將比曝露在大氣環(huán)境中的塔身部分更為嚴(yán)重。提高保護(hù)帽強(qiáng)度及質(zhì)量、對(duì)保護(hù)帽內(nèi)塔腳部位加強(qiáng)防腐將是防治塔腳隱蔽腐蝕的關(guān)鍵措施。