110 kV輸電鐵塔接地扁鋼腐蝕原因分析

陳 浩，劉家鵬，劉樹軍，房文軒，喬 欣

（內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.錫林郭勒電業(yè)局，內蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)容量的增大和電壓等級的升高，接地網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性對輸電線路的安全運行尤為重要。由于接地裝置長期處于地下惡劣的運行環(huán)境中，土壤的化學與電化學腐蝕不可避免，同時還要承受地網(wǎng)雜散電流的腐蝕。一旦接地裝置發(fā)生腐蝕失效，會導致接地體的有效面積減小，造成其導電性能下降，同時電阻增大，使接地網(wǎng)無法正常排流，在遭受雷擊或短路時，極易引發(fā)線路跳閘，造成大面積停電事故[1-2]。因此，為了保障輸電線路的安全運行，接地裝置的腐蝕問題近年來得到越來越多的關注。

某供電局巡視人員在巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)110 kV輸電線路接地扁鋼存在嚴重腐蝕問題，其中一根塔腿的接地引下線由于腐蝕較嚴重已斷開，腐蝕部位在接地扁鋼與土壤交界處。通過對部分桿塔開挖檢查，發(fā)現(xiàn)全線接地扁鋼普遍存在不同程度腐蝕現(xiàn)象，5處接地扁鋼已完全斷開，大部分接地扁鋼銹蝕嚴重，存在斷裂隱患。為找出接地扁鋼腐蝕原因，避免同類失效再次發(fā)生，對其進行檢驗分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

對腐蝕損傷的輸電鐵塔接地扁鋼進行宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)鐵塔接地扁鋼埋地部分表面鍍鋅層已完全脫落并有明顯腐蝕減薄情況，部分區(qū)域接地扁鋼已嚴重酥化、穿孔，接近完全斷裂狀態(tài)。黃褐色的腐蝕產物呈層片狀，分布在接地體表面，部分腐蝕產物已脫落，未見明顯機械損傷及塑性變形。接地扁鋼地上部分鍍鋅層保存相對較好，表面均勻光滑，呈銀白色且具有金屬光澤，與冷鍍鋅工藝的鍍層特點相符，如圖1所示。

圖1 腐蝕損傷的輸電鐵塔橫接地扁鋼宏觀形貌

1.2 鍍鋅層檢測與分析

為準確評估腐蝕損傷的接地扁鋼鍍鋅層質量，利用MiniTset 740鍍鋅層測厚儀對輸電鐵塔地上部分接地扁鋼表層鍍鋅層厚度進行測量。可見地上部分接地扁鋼鍍鋅層厚度在2.3~13.2μm，遠低于DL/T 1342—2014《電氣接地工程用材料及連接件》要求[（3]鍍鋅層最小厚度≥70μm，平均厚度≥85μm）。

1.3 金相分析

對腐蝕損傷的輸電鐵塔接地扁鋼取樣進行金相顯微組織分析（見圖2）。可見腐蝕的接地扁鋼的基體組織為少量帶狀珠光體+塊狀鐵素體+沿晶分布的三次滲碳體，接地體表面存在深淺不一的腐蝕凹坑，部分腐蝕孔洞已貫穿整個接地扁鋼，接地扁鋼表面大部分區(qū)域鍍鋅層已脫落，未脫落部分鍍鋅層最大厚度僅12μm，遠低于標準要求的70μm。

圖2 腐蝕損傷的輸電鐵塔接地扁鋼金相組織

1.4 化學成分分析

從腐蝕損傷的輸電鐵塔接地扁鋼取樣進行化學成分檢測，檢測結果見表1。結果表明，接地扁鋼化學成分中各元素質量分數(shù)滿足GB/T 700—2006《碳素結構鋼》對Q235B鋼的要求[4]。

表1 腐蝕損傷的接地扁鋼各元素質量分數(shù)檢測結果 %

1.5 土壤理化性能分析

對腐蝕損傷的輸電鐵塔接地體附近土壤樣品進行理化性能及離子含量檢測?？梢园l(fā)現(xiàn)，鐵塔接地體附近土壤中Cl-質量分數(shù)高達3.93×10-3，S質量分數(shù)達1.32×10-3，電導率為4320μS/cm，pH值為8.57，屬于堿性高鹽土壤。

1.6 腐蝕產物形貌及能譜分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對腐蝕損傷的輸電鐵塔接地扁鋼腐蝕產物微觀形貌進行檢測，結果如圖3所示?？梢钥闯?，接地體表面腐蝕產物較致密，呈溝槽狀，并伴有大小不一的塊狀顆粒。

圖3 腐蝕損傷的接地扁鋼腐蝕產物SEM形貌

利用能譜分析儀（EDS）對腐蝕損傷的輸電鐵塔接地扁鋼腐蝕產物進行成分分析，檢測結果見圖4及表2?？梢姳怃摳g產物主要為Fe的氧化物、氯化物及硫酸鹽；扁鋼表面的Si主要以SiO2形式存在，應為砂石吸附在拉線棒表面所致；腐蝕產物中的Cr應為接地扁鋼母材混入腐蝕產物所致。

圖4 接地扁鋼腐蝕產物EDS分析譜圖

表2 腐蝕產物能譜分析結果中各元素質量分數(shù) %

2 腐蝕損傷原因分析

腐蝕損傷的輸電鐵塔接地扁鋼化學成分符合標準要求，無錯用材質現(xiàn)象。從宏觀形貌及鍍鋅層厚度測試結果可以看出，接地扁鋼防腐工藝為冷鍍鋅工藝，鍍鋅層厚度遠低于標準要求，耐腐蝕能力嚴重不足。

此外，輸電線路位于黃灌區(qū)，周圍為黃河水灌溉耕地，屬于堿性高鹽土壤。經測試，土壤中硫酸鹽和氯鹽等含量較高，二者均溶于水可分解為Cl-和SO42-，對土壤腐蝕有促進作用，其含量越高，腐蝕性越強[5-6]。主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）破壞鈍化膜。Cl-因半徑較小，對鍍鋅層表面形成的鈍化膜穿透力極強，且容易被金屬表面吸附，對鈍化膜的破壞作用極大。

（2）陽極去極化作用。如果生成的Fe2+不能及時擴散到土壤中而積累于陽極表面，陽極反應就會因此受阻。Cl-與Fe2+反應生成FeCl2，游離態(tài)的Cl-會反復作用生成新的Fe2+，并能透過金屬腐蝕層與碳鋼生成可溶性產物，加快金屬腐蝕的陽極過程。

（3）點蝕促進劑。Cl-可優(yōu)先吸附在氧化膜上，將O原子排擠掉，然后和氧化膜中的陽離子結合生成可溶性氯化物，在接地體基體上形成孔徑為20~30μm的小腐蝕坑（孔蝕核），并在Cl-的催化作用下，點蝕電位下降，腐蝕坑不斷擴大、加深。

（4）在硫酸鹽含量較高的土壤中，鍍鋅層極易被腐蝕生成ZnSO4，ZnSO4具有可溶性，造成熱鍍鋅層快速消耗，最終失效。

（5）導電作用。腐蝕電池的要素之一是要有離子通路，土壤中的Cl-和SO42+強化了離子通路，降低了陰陽極之間的電阻，提高了腐蝕電流的效率，從而加速電化學腐蝕過程[7-11]。

綜上分析，本次輸電鐵塔接地扁鋼腐蝕損傷的主要原因為采用冷鍍鋅防腐工藝的接地扁鋼耐蝕性不足造成鍍鋅防護層提前失效，失去保護的接地扁鋼在堿性高鹽土壤中快速腐蝕，出現(xiàn)大面積點蝕，并不斷減薄直至斷裂。此外，沿晶分布的三次滲碳體導致接地體母材塑性嚴重下降，在剪切力的作用下存在較大的脆性斷裂風險。

3 結論和建議

110 kV輸電鐵塔接地扁鋼腐蝕損傷主要是因接地扁鋼采用冷鍍鋅防腐工藝，耐腐蝕性能嚴重不足；其次，輸電線路架設在黃灌區(qū)，接地扁鋼長期處在Cl-和SO42+含量較高的堿性高鹽土壤中，在化學、電化學腐蝕及雜散電流腐蝕的綜合作用下，發(fā)生嚴重的腐蝕減薄。針對以上原因，提出以下建議。

（1）因冷鍍鋅層耐腐蝕性能較差，因此電網(wǎng)設備中不宜使用冷鍍鋅的接地扁鋼；

（2）應加強對黃灌區(qū)輸電鐵塔接地扁鋼的檢查力度，及時更換腐蝕減薄或斷裂的接地扁鋼；

（3）接地扁鋼安裝前應加強對鍍鋅層質量的檢測和控制，避免鍍鋅層不合格的接地扁鋼流入并使用到輸電鐵塔上。

（4）鑒于輸電鐵塔接地體長期在堿性高鹽土壤中運行，可適當加大接地體橫截面積或將其材質更換為銅/銅覆鋼，提高接地體的耐蝕性，避免再次發(fā)生類似腐蝕失效。