全國輸電鐵塔腐蝕情況調(diào)研

滕 越，聶元弘，繆春輝，陳國宏，金莎莎

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，安徽 合肥 230071)

在輸電線路建設(shè)上，輸電鐵塔因為其強度高、韌性好、具有優(yōu)秀的抗震與防風性能、造價低廉、外形美觀等多個優(yōu)點而得到了廣泛的使用[1]。隨著國內(nèi)電網(wǎng)電壓等級的不斷升高，桿塔結(jié)構(gòu)隨之愈加復(fù)雜，輸電鐵塔幾乎成為超/特/高壓輸電桿的不二選擇。然而，輸電線路的運行環(huán)境十分復(fù)雜，由于鐵塔本身材料性質(zhì)決定，其腐蝕不可避免，腐蝕會削弱鐵塔的力學(xué)性能，出現(xiàn)鐵塔構(gòu)件截面減小、承載力降低等情況，尤其在腐蝕產(chǎn)生“銹坑”后，鐵塔的脆性破壞可能顯著增大，輕則影響鐵塔耐久性、縮短鐵塔使用壽命，重則可能引發(fā)輸電線路安全事故，造成重大經(jīng)濟、社會影響。因此，鐵塔運行維護的重要研究課題之一就是如何有效地進行腐蝕防護。

為了有針對性地對新建鐵塔和在役鐵塔實施可靠的一次、二次腐蝕防護措施，全面深入地對已投運輸電線路鐵塔開展腐蝕現(xiàn)狀調(diào)研，并結(jié)合調(diào)研結(jié)果探索合適的腐蝕防護方法是一項重要而緊迫的任務(wù)。

2018年9月至11月期間，針對全國輸電鐵塔腐蝕情況開展了全面調(diào)研，收集了全國25個省、自治區(qū)鐵塔自投運至9月期間的腐蝕案例。案例覆蓋各污穢等級、大氣環(huán)境及土壤類型。通過對全國鐵塔腐蝕現(xiàn)狀進行系統(tǒng)總結(jié)分析，梳理鐵塔腐蝕防護措施和相關(guān)標準(技術(shù)規(guī)范)執(zhí)行情況，提出鐵塔針對性防腐蝕措施。

1 全國輸電鐵塔腐蝕情況總覽

由圖1可見，全國各省自治區(qū)鐵塔腐蝕案例總數(shù)為793起，涉及到主材、塔腳等各部位，沿海與內(nèi)陸各省無明顯數(shù)量上的區(qū)別。

圖1 全國輸電鐵塔腐蝕案例數(shù)量統(tǒng)計

圖2 幾種常見的鐵塔腐蝕部位

圖2展示了調(diào)研中發(fā)現(xiàn)的幾種鐵塔腐蝕現(xiàn)象，包括塔身主材腐蝕、塔腿連接板腐蝕、塔身輔材腐蝕等。其中，發(fā)生失效的案例有32起，主要是由于塔腿嚴重腐蝕導(dǎo)致的承重能力下降，塔身主材、斜材腐蝕導(dǎo)致原構(gòu)件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，失效案例占總腐蝕案例的4%。如果不能在早期監(jiān)控腐蝕情況，一旦發(fā)生失效，將造成不可挽回的經(jīng)濟損失和安全危害。

2 造成腐蝕的主要原因

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在793起鐵塔腐蝕案例中，如圖3所示，由于環(huán)境惡劣造成的案例數(shù)量為532起，占總數(shù)的67%，是造成鐵塔腐蝕的最主要原因，其次分別為初始產(chǎn)品質(zhì)量低(10%)和維護質(zhì)量低(6%)。剩余132起案例，由于缺乏論證，未能確認腐蝕發(fā)生的主要原因。就此現(xiàn)象，針對這些發(fā)生腐蝕的鐵塔所處地區(qū)的大氣環(huán)境和土壤環(huán)境進行了進一步調(diào)研。

圖3 不同原因腐蝕案例數(shù)量

圖4 不同大氣環(huán)境腐蝕案例數(shù)量

3 鐵塔所處大氣類型

傳統(tǒng)的大氣腐蝕性分類方法按照工業(yè)大氣、海洋大氣、鄉(xiāng)村大氣、城市大氣等環(huán)境進行分類，沒有進一步考慮不同工業(yè)的區(qū)別、城市人口密度和所使用的能源等方面的差異[2,3]。本次調(diào)研將大氣環(huán)境分為八類，分別為一般鄉(xiāng)村、一般城市、工業(yè)污染、沿海、潮濕、干燥、酸雨、霧霾。調(diào)研全面概括了輸電線路鐵塔主要布局的大氣環(huán)境，調(diào)查結(jié)果表明(見圖4)，腐蝕案例數(shù)目最多的是一般鄉(xiāng)村(47%)，遠遠高于排名第二的工業(yè)污染(22%)和第三的一般城市(13%)。分析造成此現(xiàn)象的原因為：

(1)有大量輸變電線路建立在一般鄉(xiāng)村地區(qū)，基數(shù)龐大，因而總案例數(shù)量多。

(2)鄉(xiāng)村大氣環(huán)境優(yōu)良，但總體服役環(huán)境較差，往往存在排澇不良、土壤接觸面積大等問題。

本次調(diào)研記錄了大量服役環(huán)境惡劣的案例，如圖5所示，在雨水豐富的夏季過后，很多地處鄉(xiāng)村的鐵塔，有10～50厘米的塔腿浸泡在水中，有些持續(xù)數(shù)月，加快了水氣界面處塔腿的腐蝕速度[4]。另一些情況是塔腿被土壤和草叢覆蓋，也將加劇腐蝕。按GB/T 19355.1-2016鋅覆蓋層 鋼鐵結(jié)構(gòu)防腐蝕的指南和建議 第1部分：設(shè)計與防腐蝕的基本原則，當鋅直接接觸淡水時，有b級額外腐蝕，即將遭受輕微或中度額外腐蝕，特別是在暴露環(huán)境下浸泡在溶液中或埋沒在潮濕的泥土中時，電解質(zhì)長期橋接鋅覆蓋層和基材兩種金屬，雙金屬腐蝕的效果顯著增加。

排在第二位的大氣環(huán)境為工業(yè)污染，重工業(yè)地區(qū)大氣中通常含有較多的腐蝕性氣體，比如硫氧化物和氮氧化物。一方面，鐵塔長期處于高腐蝕性污染氣體環(huán)境中運行，勢必造成腐蝕加??；另一方面，酸性氣體還會導(dǎo)致酸雨等惡劣氣候現(xiàn)象，這些酸性物質(zhì)會降低設(shè)備表面薄液膜的pH值，從而加劇材料腐蝕。

接下來按順序排列是城市、沿海、潮濕、干燥和霧霾環(huán)境，城市出現(xiàn)腐蝕的主要原因仍與環(huán)境污染相關(guān)。有意思的是，與一般鄉(xiāng)村、城市和工業(yè)污染相比，沿海、潮濕地區(qū)的腐蝕案例數(shù)量并不突出，這除了與基數(shù)較少有關(guān)外，有針對性地提升腐蝕防護標準也起到了關(guān)鍵的作用[5,6]。例如上海電力公司運檢部門對110 kV線路進行3年/次的防腐處理，重腐蝕區(qū)域則縮短至1年/次。

通過對位于不同大氣環(huán)境的鐵塔腐蝕情況進行調(diào)研，有以下幾點發(fā)現(xiàn)：

(1)一般鄉(xiāng)村雖然大氣環(huán)境優(yōu)良，但由于整體服役環(huán)境得不到保障，出現(xiàn)大量腐蝕案例，部分腐蝕較為嚴重。

(2)工業(yè)污染和一般城市大氣環(huán)境較差，特別是有部分酸雨、霧霾區(qū)域，腐蝕案例較多。

(3)沿海、潮濕地區(qū)腐蝕案例較少，可能與針對性防腐措施有關(guān)。

由此分析可以獲知，現(xiàn)階段重點防腐區(qū)域應(yīng)為服役環(huán)境惡劣的鄉(xiāng)村和大氣污染嚴重的城市地區(qū)。針對前者，主要以排澇、除草等方式維護服役環(huán)境，縮短巡視周期，增加腐蝕監(jiān)控，在雨季關(guān)注重點區(qū)域鐵塔浸泡情況，對經(jīng)常過水區(qū)域，增加塔腿二次防腐措施。針對后者，在國家防治大氣污染大背景下，硫氧化物、氮氧化物排放量逐年減少[7]，在此基礎(chǔ)之上，對仍處于重污染區(qū)域的鐵塔實施整塔二次防腐處理，防止進一步腐蝕。總的來說，對已投運鐵塔，增加腐蝕監(jiān)控，經(jīng)過評估需要進行二次防腐處理的，根據(jù)需要，進行二次防腐處理；對新建鐵塔，除了在選址時盡量避開潮濕低洼地段和避免跨越化工廠、污水處理廠等地段外，對于無法避免的情況，應(yīng)提高防腐等級。

圖5 服役環(huán)境惡劣的鐵塔

4 鐵塔所處土壤類型

其后，針對不同土壤類型腐蝕案例進行了統(tǒng)計，根據(jù)調(diào)研結(jié)果(見圖6)，發(fā)生在黏土地區(qū)的案例數(shù)量最多，有347起，占總量的47%。其次是砂石和鹽漬土，分別占15%和12%。剩余五種土壤地區(qū)案例數(shù)量類似。研究表明[8,9]，金屬腐蝕的速率與所在土壤的電阻率成負相關(guān)。在通常情況下，由于土壤的含鹽量處于一定范圍內(nèi)，土壤電阻率隨著含水量的增大而減小。黏質(zhì)土具有含沙量少、保水性能好等特點，含水量相對豐富，加大了材料的腐蝕速度，當塔腿位于近黏質(zhì)土的區(qū)域時，腐蝕案例數(shù)目明顯增多。而砂質(zhì)土質(zhì)地不均勻、顆粒大、透氣性好，位于部分地區(qū)的砂質(zhì)土存在可溶鹽總量高的現(xiàn)象，這是砂質(zhì)土區(qū)域腐蝕案例較多的可能原因。鹽漬土在沿海和內(nèi)陸區(qū)域均有分布，沿海地區(qū)以氯化物為主，內(nèi)陸地區(qū)則是氯化物和硫酸鹽同時存在[10]。其中，Cl-濃度的升高將急劇加速腐蝕，是鹽漬土導(dǎo)致鐵塔腐蝕的主要原因。

由此可見，考察鐵塔所處區(qū)域的土壤性質(zhì)，對腐蝕防護也有重要意義。一方面，在鐵塔建設(shè)前，應(yīng)評價所處區(qū)域土壤腐蝕性。然而，目前尚未有相關(guān)標準規(guī)定涉及鐵塔建設(shè)時對土壤腐蝕性評價的問題。在GB50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》中按地層滲透性水和土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性進行了評價，主要評價指標有pH值、侵蝕性(CO2)等。在鐵塔建設(shè)相關(guān)標準中，增加類似土壤腐蝕性評價是必要的。另一方面，針對位于易腐蝕土壤區(qū)域的鐵塔，已經(jīng)發(fā)生腐蝕的，應(yīng)采取措施避免塔身與土壤直接接觸。值得注意的是，有案例顯示部分增加了基礎(chǔ)保護帽的塔腿，在塔腿與保護帽頂端連接部位，往往發(fā)生嚴重腐蝕，如圖7所示，這與保護帽頂端排水性能、保護帽澆筑工藝、保護帽材質(zhì)都有關(guān)聯(lián)。

圖6 不同土壤類型腐蝕案例數(shù)量

圖7 保護帽拆除后的腐蝕照片

5 鐵塔防腐涉及標準

現(xiàn)行標準、規(guī)定中，涉及到鐵塔防腐要求的有20項，其中國家標準9項、行業(yè)標準6項、企業(yè)標準和規(guī)定5項。從部件角度劃分，針對鍍鋅和涂裝的標準和規(guī)定有14項，主要規(guī)定了在結(jié)構(gòu)件表面熱噴涂鋅、鋁及其他涂層的技術(shù)要求、試驗方法等。特別是在《GB/T 19355.1-3-2016鋅覆蓋層 鋼鐵結(jié)構(gòu)防腐蝕的指南和建議》、《DL/T 1424-2015電網(wǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中對暴露在不同使用環(huán)境下的結(jié)構(gòu)件所使用的防腐蝕方法提出了規(guī)定和建議，給出了在役金屬部件的腐蝕防護或修復(fù)方法，對電網(wǎng)鐵塔腐蝕防護具有指導(dǎo)性意義。針對桿塔母材的標準有三項，主要是《DL/T 1425-2015變電站金屬材料腐蝕防護技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定了變電站金屬材料的防腐蝕設(shè)計、制造及安裝質(zhì)量檢驗等防腐蝕技術(shù)要求。針對腐蝕評價、更換與修復(fù)的標準和規(guī)定有三項，其中，沒有國家標準和行業(yè)標準，主要是《Q/GDW 1173-2014架空輸電線路狀態(tài)評價導(dǎo)則》附錄A線路單元狀態(tài)量評價標準規(guī)定了桿塔鋼管塔材銹蝕情況的狀態(tài)評價分級。從各省執(zhí)行情況來看，現(xiàn)行標準規(guī)定主要存在以下問題：

(1)大多數(shù)標準以測定方法、試驗方法為主，對各省公司而言執(zhí)行難度較大。

(2)未有標準對桿塔材料的耐腐蝕性能提出明確要求，尤其是對位于不同土壤環(huán)境的鐵塔沒有區(qū)分要求。

(3)針對腐蝕評價的標準規(guī)定可執(zhí)行性較差，判據(jù)較難觀測，因此難以現(xiàn)場判斷是否需要更換或修復(fù)。

6 結(jié)論

本次調(diào)研了全國25個省、自治區(qū)，取得了793起鐵塔腐蝕案例，案例所處地區(qū)覆蓋各種大氣、土壤環(huán)境，具有一定的代表性，所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果有一定的統(tǒng)計學(xué)意義。主要發(fā)現(xiàn)的問題有：服役環(huán)境惡劣的鄉(xiāng)村和大氣污染嚴重的城市地區(qū)是腐蝕案例集中地區(qū)；黏質(zhì)土和砂質(zhì)土地區(qū)腐蝕案例較多。結(jié)合目前鐵塔整體腐蝕情況建議采取以下措施：

(1)加強對服役環(huán)境(包括塔基地面環(huán)境)惡劣的鄉(xiāng)村和大氣污染嚴重的城市地區(qū)鐵塔的腐蝕狀況監(jiān)測，對已發(fā)生腐蝕的鐵塔開展腐蝕程度評估和壽命預(yù)測，及時進行二次防腐處理或更換。

(2)繪制大氣、土壤腐蝕分級地圖，為金屬材料的保護措施和長期維修方案的制定提供參考，據(jù)此制定細化的、可執(zhí)行度高的鐵塔防腐標準，從建設(shè)、維護、維修幾個角度詳細規(guī)定所用材料和防腐措施。