输电线路铁塔塔脚锈蚀防治研究

李宇峰，吴培骋，谢锡汉

(广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524300)

输电线路是电能从电源侧输送至用电侧的关键媒介和通道,而铁塔作为支撑输电线路的基础设施,对于电网的安全稳定运行至关重要。输电线路常常架设于山间野外,其中铁塔塔脚长期处于日光暴晒、雨水冲刷、杂草覆盖、污水浸泡、酸雨侵蚀、生物侵蚀、潮湿空气腐蚀等恶劣环境中,再加上部分运维人员日常巡视不到位,使得塔脚锈蚀很难被及时发现,锈蚀缺陷不断扩大,若不及时治理,可能会造成铁塔塔脚锈断甚至倒塔事故[1]。因此,需要在理清铁塔塔脚锈蚀的危害及锈蚀机理基础上,及时采取必要的防治措施,为构建安全稳定的电网系统提供支撑。

输电线路铁塔塔脚锈蚀主要是指铁塔塔脚钢材与其所在的自然环境之间发生物理化学反应,导致塔脚钢材变质直至锈蚀破坏的现象[2]。

1.1 铁塔塔脚锈蚀地区分布特征

铁塔塔脚锈蚀受地域影响较大,特别是在南方局部酸雨地区和广东、广西、海南等沿海地区,塔脚锈蚀现象尤为明显。此外,内陆江河湖泊、工业区周边也是塔脚锈蚀的重灾区。锈蚀程度在地域分布上总体呈现出酸雨和沿海地区向陆基递减,江河湖泊及工业区向居民和农业区递减的特征。

1.2 铁塔塔脚锈蚀发生部位

1) 塔脚钢材—大气—水泥保护帽交界面是最直接同时也是最易发生塔脚锈蚀缺陷的部位,约60 %的塔脚锈蚀现象发生在塔脚钢材与水泥保护帽交界面。

2) 水泥保护帽内部塔脚钢材和混凝土接触部位是隐蔽性最强且不易发现塔脚锈蚀缺陷的部位,约10 %的塔脚锈蚀发生在水泥保护帽内部。只有塔脚钢材在水泥保护帽内部向外部锈穿后才能被发现,这将极大降低杆塔的承载能力,危害性极强。

3) 塔脚板与地脚螺栓连接部位也是较为常见的塔脚锈蚀部位,约30 %的塔脚锈蚀发生在塔脚板和地脚螺栓处。由于塔脚板和地脚螺栓容易发生积水,因此,在一些农田、低洼地、植物覆盖区容易发生塔脚板与地脚螺栓锈蚀。

1.3 铁塔塔脚锈蚀程度计算

根据塔脚锈蚀程度,可将其划分为良好、轻度锈蚀、明显锈蚀、严重锈蚀四个等级。

1) 良好。塔脚钢材镀锌层完好,表面无任何锈迹。

2) 轻度锈蚀。塔脚钢材镀锌层损坏,露出钢材接触面,出现点蚀、轻微面蚀。

3) 明显锈蚀。塔脚钢材存在肉眼可见的锈迹和红褐色锈斑,钢材表面锈蚀凸起。

4) 严重锈蚀。塔脚钢材锈蚀深度较大,存在严重的锈蚀穿透,锈蚀率较大。

锈蚀率(以Δ表示)主要用于表征塔脚锈蚀程度[3],其计算公式如下。

式中,A0为塔脚钢材初始截面积,m2；
A为钢材锈蚀之后的剩余截面积,m2。

1) 改变塔脚钢材应力集中情况。在正常受力情况下,塔脚钢材所受应力应为均匀分布状态,但出现严重锈蚀后,随着钢材锈蚀率不断变大,截面积不断缩小,在锈断缺口、锈穿洞口、铁锈沟槽和刚性约束处会出现局部应力骤增,使钢材发生疲劳裂纹,直至出现静载断裂。

2) 铁塔承载力严重下滑易造成倒塔事故。由于塔脚是整基铁塔的承力构件,若发生严重腐蚀,则易造成塔脚钢材截面积严重损失,结构承载力迅速下降,从而使其承受结构的自重载荷、活载荷、风载荷、地震载荷等载荷能力快速下降,一旦超过承载极限则极易引发倒塔等安全事故。

3.1 析氢腐蚀

当输电线路铁塔处于酸雨覆盖区、工业区等区域时,潮湿空气、降雨、积水中都会含有大量的酸根离子,钢材与酸根离子接触后,在高温暴晒下,其表面活跃的铁、锌金属在吸附了酸性较强的溶液时(H2SO4,HNO3)会发生析氢腐蚀,且腐蚀程度会不断加深。

1) 铁材质相关化学反应。

最终Fe(OH)3·H2O失水生成Fe2O3(铁锈)。

2) 镀锌层相关化学反应。

3.2 吸氧腐蚀

3.2.1 碱性、弱酸性或中性条件

钢材表面吸附了碱性、弱酸性或中性的溶液时会发生吸氧腐蚀。塔脚钢材是不纯的金属制品(合金),当塔脚钢材表面被潮湿空气、水包裹接触时,大气中的污染物(SO2、NO2)、动植物排泄物及分泌物、化肥农药、空气盐雾等溶于水中形成电解质溶液,产生了以铁、锌为阳极,其他金属和杂质为阴极的原电池反应,该反应不断进行,造成腐蚀不断扩大。

1) 铁材质相关化学反应。

最终Fe(OH)3·H2O失水生成铁锈。

2) 锌镀层相关化学反应。

Zn(OH)2进一步分解成ZnO,并与CO2生成ZnCO3。

3.2.2 海水浸泡或盐雾覆盖条件

塔脚钢材在海水浸泡、盐雾覆盖等条件下,钢材表面各部位会形成电势不同的局部腐蚀电池或微电池,与水中溶解的氧发生吸氧腐蚀,反应生成Fe(OH)3·H2O,之后脱水形成铁锈(Fe2O3),其主要化学反应如下。

最终Fe(OH)3·H2O失水生成铁锈。

3.3 化学腐蚀

由于输电线路铁塔塔脚长期暴露于野外自然环境中,如植物覆盖、积水浸泡、海水冲刷、潮湿空气等,会导致其发生自然锈蚀。锈蚀与外界条件因素密切相关,水和空气的存在是直接因素。钢的化学性质活跃,其发生自然锈蚀的化学反应如下。

其中,Fe2O3·nH2O呈棕红色,结构疏松,易吸水,体积膨胀最大达8倍,易导致塔脚锈蚀穿孔。

3.4 塔脚与混凝土自身结构

铁塔塔脚的腐蚀属于复杂的多因素交互反应,同时存在电化学反应和化学反应,与周围环境及塔脚结构有很大联系。塔脚钢材—空气—混凝土交界面不致密,容易发生渗水,缝隙内外部氧浓度差较大,产生氧浓度差电池反应,且不同环境条件下氧浓度差电池反应强度不一致。

4.1 基础改建法

对于锈蚀严重、塔脚所处地形复杂、不便于施工作业、补强较为困难的情形,可以使用基础改建法进行塔脚锈蚀治理,即在原基础附近挑选合适的地形新建一个参数相同的基础和铁塔。该方法的缺点是现场地形可能不允许新建基础和铁塔以及拆赔成本较大。

4.2 塔脚钢材—空气—混凝土交界面密封法

塔脚钢材—空气—混凝土交界面存在缝隙导致积水、内外氧浓度差等问题,从而引发电化学腐蚀,这是塔脚锈蚀的主要原因。对此,可以对塔脚钢材—空气—混凝土交界面进行密封,避免缝隙积水,阻隔内部钢材与潮湿空气、污染物接触,达到防腐的目的。密封法通常使用浇筑沥青、聚乙烯胶、树脂、水泥、油漆等物质进行缝隙填充。

4.3 塔脚钢材自身防腐钝化法

塔脚钢材自身不仅会发生电化学腐蚀,还会发生自然化学腐蚀,对此,可以采用塔脚表面深化镀锌隔层、汽油淋浴后再安装、表面涂防腐漆、表面使用金属钝化剂等方法。在日常巡视及塔脚锈蚀特殊巡视中,要注意塔脚锈蚀情况,发现金属镀锌层脱落,要及时补充防腐漆。

4.4 塔脚钢材原位焊接补强法

当塔脚钢材锈蚀严重时,为确保铁塔安全,可以采用塔脚钢材原位焊接补强法,即将塔脚水泥保护帽破碎,露出内部锈蚀钢材,然后切割掉锈蚀部分,在原位对钢材焊接高强钢筋、高强钢板等高强材料,达到补强和锈蚀防治的目的。

4.5 原位植筋补强法

原位植筋补强法是指将锈蚀的塔脚基础用钻孔机等设备进行钻孔,孔径大小要适宜,孔洞排列要错开原有钢筋,将新钢筋植入新的孔洞中,构成一个新的基础钢筋笼,孔洞缝隙采用树脂、水泥、沥青等进行密封填充,最后在基础钢筋笼中浇筑混凝土,实现塔脚补强。

输电线路铁塔易发生锈蚀的部位为塔脚钢材—大气—水泥保护帽交界面、塔脚板材与地脚螺栓连接部位等,锈蚀速率慢且不易被发现,但其锈蚀危害极大,需要及时采取适当的防治措施从根源上消除铁塔锈蚀隐患,提升输电线路安全运行水平。

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