基于劑量-響應(yīng)函數(shù)的電網(wǎng)金屬材料大氣腐蝕分布圖繪制方法

李光茂，莫文雄，朱晨，王勇，周鴻鈴，杜鋼

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州 510410）

引言

電網(wǎng)設(shè)備分布范圍廣，服役環(huán)境條件惡劣，在戶外溫度、濕度、降雨等氣象條件以及鹽霧、二氧化硫、氮氧化物等化學(xué)活性物質(zhì)的共同作用下，電網(wǎng)設(shè)備金屬材料非常容易發(fā)生腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備故障，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。我國(guó)電網(wǎng)設(shè)施覆蓋區(qū)域廣闊，所處的自然環(huán)境條件復(fù)雜，不同地區(qū)的大氣腐蝕性不同，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備的腐蝕程度和服役壽命相差很大。目前不同地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備的選型選材和防腐設(shè)計(jì)缺乏有效的腐蝕速率數(shù)據(jù)支撐，部分地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命，后期運(yùn)維成本高。

為指導(dǎo)不同地區(qū)電網(wǎng)設(shè)備防腐設(shè)計(jì)，部分學(xué)者開(kāi)展了金屬腐蝕分布圖繪制方法的研究，文獻(xiàn)[1]分析了氣象要素和大氣污染物對(duì)輸變電設(shè)備腐蝕的影響過(guò)程；文獻(xiàn)[2]基于金屬掛片暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)（采樣點(diǎn)密度1 000 km2/個(gè)），采用克里金法進(jìn)行插值，并疊加腐蝕源對(duì)金屬腐蝕的影響，繪制浙江省大氣腐蝕等級(jí)分布圖；文獻(xiàn)[3]基于南方五省246 個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)建劑量-響應(yīng)函數(shù)得到相應(yīng)的腐蝕速率，對(duì)腐蝕速率采用克里金法進(jìn)行空間插值后，計(jì)及工業(yè)污染源和海洋對(duì)大氣腐蝕的影響，繪制了南方五省的大氣腐蝕等級(jí)分布圖，最后基于樣片現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)腐蝕等級(jí)進(jìn)行校驗(yàn)。然而，當(dāng)前的腐蝕分布圖繪制方法仍存在一些不足：①以金屬暴曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為分布圖繪制的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而金屬樣片暴曬試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)（一年以上），掛樣點(diǎn)密度有限，直接影響腐蝕分布圖的精度；②未考慮風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ωg介質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程的影響，工業(yè)污染源附近及沿海地區(qū)的金屬腐蝕速率可能與實(shí)際情況有較大差異。

因此，本文提出一種基于劑量-響應(yīng)函數(shù)的電網(wǎng)金屬材料大氣腐蝕分布圖繪制方法。首先，獲取繪圖區(qū)域內(nèi)的高精度網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù)，繪制多類型氣象要素分布圖；構(gòu)建腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散模型，繪制腐蝕介質(zhì)分布圖；然后，根據(jù)繪制區(qū)域的實(shí)際情況，選取合適的金屬腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)網(wǎng)格的氣象數(shù)據(jù)和腐蝕介質(zhì)數(shù)據(jù)，得到網(wǎng)格的腐蝕速率數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19292.1-2018[4]進(jìn)行腐蝕等級(jí)劃分，繪制腐蝕等級(jí)分布圖。該方法繪制得到的分布圖精度高，能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際復(fù)雜環(huán)境條件對(duì)金屬腐蝕速率的影響，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)設(shè)備防腐設(shè)計(jì)和運(yùn)維提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 氣象環(huán)境數(shù)據(jù)

金屬材料的大氣腐蝕是一種薄液膜下的電化學(xué)腐蝕，薄液膜的形成與大氣環(huán)境下的濕度、降雨、溫度、腐蝕介質(zhì)等關(guān)系密切。大氣腐蝕的發(fā)生起始于金屬表面生成電解質(zhì)液膜，進(jìn)而在液膜/金屬界面發(fā)生電化學(xué)腐蝕，金屬表面水蒸汽的凝聚、液膜中腐蝕氣體和鹽類的溶解度、液膜的電阻等都受到環(huán)境溫度及相對(duì)濕度等的影響。

氣象環(huán)境因素是影響金屬腐蝕速率的基本要素，氣象要素的精度直接影響腐蝕分布圖的精度。為提升氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和分辨率，通過(guò)專業(yè)的氣象數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)獲取高精度的氣象要素網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，網(wǎng)格分辨率可達(dá)到5 km（部分?jǐn)?shù)據(jù)可達(dá)1 km），時(shí)間間隔可達(dá)到小時(shí)級(jí)。

基于獲取到的氣象要素網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，按照不同網(wǎng)格的數(shù)據(jù)大小采用不同的顏色進(jìn)行渲染，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理，剔除網(wǎng)格的棱角，形成溫度、相對(duì)濕度、降雨、風(fēng)速等氣象要素分布圖。

2 腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散模型

大氣環(huán)境中的鹽霧粒子、SO2、NO2、NH3等腐蝕介質(zhì)通過(guò)溶解于金屬表面的薄液膜內(nèi)，改變電解質(zhì)液膜的性狀進(jìn)而影響金屬腐蝕速率。鹽霧粒子主要產(chǎn)生于海洋活動(dòng)，并在海風(fēng)的作用下從海岸線向內(nèi)陸遷移并沉降到電網(wǎng)設(shè)備表面。SO2、氮氧化物等腐蝕性氣體主要產(chǎn)生于火電廠、石化廠、造紙廠、養(yǎng)殖場(chǎng)、汽車尾氣等工業(yè)污染源，并在風(fēng)力的作用下由污染源向主要風(fēng)向進(jìn)行擴(kuò)散。對(duì)于與腐蝕介質(zhì)發(fā)生源相同距離的不同位置，可能由于盛行風(fēng)向和風(fēng)速的不同，腐蝕介質(zhì)濃度差別很大，進(jìn)而導(dǎo)致金屬腐蝕速率相差很大。因此有必要掌握腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散狀態(tài)以提升腐蝕分布圖的準(zhǔn)確性。

采用高斯煙羽模型來(lái)模擬腐蝕介質(zhì)的傳輸、擴(kuò)散和稀釋過(guò)程，即腐蝕介質(zhì)濃度遵循正態(tài)分布[5,6]。在下風(fēng)向上，基于高斯煙羽擴(kuò)散模型的污染源在任意一點(diǎn)的腐蝕介質(zhì)濃度計(jì)算公式如下：

式中：

c—腐蝕介質(zhì)濃度，單位為mg/m3；

x 軸正向風(fēng)速方向；

y 軸在水平面垂直于x 軸，正向在x 軸左側(cè)；

z 軸垂直于xoy 水平面，向上為正向；

Q—污染源處腐蝕介質(zhì)濃度，單位為mg/m3；

v—風(fēng)速，單位為m/s；

H—污染源的有效高度。

σy和σz—y 軸方向和z 軸方向的擴(kuò)散系數(shù)，其計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：

γ1、α1、γ2和α2—不同大氣穩(wěn)定度及下風(fēng)距離的有關(guān)系數(shù)。

通過(guò)火電廠、石化廠等工業(yè)污染源的地理坐標(biāo)及污染源處氣體排放數(shù)據(jù)，結(jié)合污染源所在網(wǎng)格的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，得到污染源所在網(wǎng)格及其鄰近網(wǎng)格的腐蝕介質(zhì)濃度，進(jìn)而繪制腐蝕介質(zhì)濃度分布圖。

3 金屬腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù)

金屬大氣腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù)是指金屬材料的大氣腐蝕速率與環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系模型。劑量-響應(yīng)函數(shù)可以通過(guò)不同地區(qū)的大氣腐蝕因子數(shù)據(jù)（包括時(shí)間、溫濕度、Cl-沉降量、SO2濃度等）來(lái)計(jì)算金屬的大氣腐蝕速率。由于金屬大氣腐蝕具有較強(qiáng)的地區(qū)性特征，不同區(qū)域的氣象環(huán)境和腐蝕介質(zhì)類型不同，而劑量-響應(yīng)函數(shù)作為經(jīng)驗(yàn)公式，不同地區(qū)適用的劑量-響應(yīng)函數(shù)也存在較大差異。因此，在繪制金屬腐蝕分布圖時(shí)，應(yīng)根據(jù)繪制區(qū)域的環(huán)境特征選取合適的函數(shù)模型并根據(jù)該地區(qū)的金屬暴曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理調(diào)整模型參數(shù)。

以碳鋼材料為例，對(duì)于存在Cl-和SO2的大氣環(huán)境，可參照GB/T 19292.1-2018 推薦的劑量-響應(yīng)函數(shù)來(lái)計(jì)算碳鋼的大氣腐蝕速率，如式（3）所示：

式中：r

corr—碳鋼材料的大氣腐蝕速率，單位為μm/a；

T—大氣溫度，單位為℃；

RH—相對(duì)濕度，單位為%；

Pd—SO2沉積率，單位為mg/（cm2·d）；

Sd—Cl-沉積率，單位為mg/（cm2·d）；

fSt—碳鋼相關(guān)系數(shù)，如式（4）所示。

將所有網(wǎng)格的氣象數(shù)據(jù)以及腐蝕介質(zhì)數(shù)據(jù)分布代入金屬腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù)中，即可得到各網(wǎng)格的金屬材料大氣腐蝕速率。

4 金屬腐蝕分布圖繪制

金屬腐蝕分布圖的繪制流程如圖1 所示。首先從氣象部門(mén)獲取繪制區(qū)域內(nèi)大氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨等氣象環(huán)境的高精度網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，繪制氣象要素分布圖；然后獲取鹽霧、SO2、氮氧化物等腐蝕介質(zhì)發(fā)生源的經(jīng)緯度及濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向及高斯煙羽模型計(jì)算腐蝕介質(zhì)在鄰近網(wǎng)格的分布情況，繪制腐蝕介質(zhì)濃度分布圖；根據(jù)繪制區(qū)域的環(huán)境條件，選取合適的金屬腐蝕劑量-響應(yīng)函數(shù)，代入氣象數(shù)據(jù)和腐蝕介質(zhì)數(shù)據(jù)，得到各個(gè)網(wǎng)格的金屬腐蝕速率；根據(jù)金屬掛樣暴曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正掛樣點(diǎn)所在網(wǎng)格及鄰近網(wǎng)格的金屬腐蝕速率；最后參照GB/T 19292.1-2018 進(jìn)行金屬腐蝕等級(jí)劃分，按照網(wǎng)格的金屬腐蝕等級(jí)采用不同的顏色進(jìn)行渲染，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行平滑處理，剔除網(wǎng)格的棱角，繪制得到金屬腐蝕等級(jí)分布圖。

圖1 金屬大氣腐蝕分布圖繪制流程

5 結(jié)語(yǔ)

為有效提升金屬腐蝕分布圖的精度和準(zhǔn)確性，本文提出一種基于劑量-響應(yīng)函數(shù)的電網(wǎng)設(shè)備金屬材料大氣腐蝕分布圖繪制方法，采用高精度的網(wǎng)格化氣象數(shù)據(jù)，并考慮腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程繪制腐蝕介質(zhì)分布圖，進(jìn)而依據(jù)劑量-響應(yīng)函數(shù)計(jì)算金屬腐蝕速率，通過(guò)金屬腐蝕實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部修正，得到金屬腐蝕分布圖。所提的繪制方法相比于傳統(tǒng)的空間插值法，繪制得到的分布圖精度更高，對(duì)海岸線及工業(yè)污染源附近的腐蝕分布情況預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確，更符合實(shí)際情況，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)設(shè)備的防腐設(shè)計(jì)、選型選材和運(yùn)行維護(hù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。