摘要：采用紅外光譜（IR）、電子掃描電鏡（SEM）和電子能譜（EDS）對濱海變電站鋼結(jié)構(gòu)腐蝕失效進(jìn)行分析，探討變電站鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕失效過程。結(jié)果表明：在濱海海洋大氣和工業(yè)大氣耦合腐蝕環(huán)境下，氯離子和酸性腐蝕介質(zhì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)及變壓器外壁腐蝕嚴(yán)重，腐蝕主要包括漆膜脫落和鼓泡、電偶腐蝕、微生物腐蝕、涂層老化及粉化，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕和金屬氧化。采用合適的防護(hù)措施，包括選用合適基材和涂覆重防腐涂料可提高變電站鋼結(jié)構(gòu)的耐蝕性能和服役年限。

關(guān)鍵詞：變電站；腐蝕機(jī)理；鍍鋅鋼；海洋大氣腐蝕；重防腐涂層

1 概述

濱海變電站鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕源于熱力學(xué)的不穩(wěn)定，鋼結(jié)構(gòu)在苛刻海洋大氣和工業(yè)大氣腐蝕環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)（主要包括氯離子、氧氣、水分）會誘導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕［1，3］。鋼構(gòu)件處在海洋大氣中，由于鋼材本身物理及化學(xué)性質(zhì)的不均勻性，構(gòu)成腐蝕電池，導(dǎo)致出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕。當(dāng)腐蝕電池的陽極和陰極在金屬表面不規(guī)則地隨機(jī)分布時，便發(fā)生均勻腐蝕［4-5］；當(dāng)腐蝕電池的陽極區(qū)面積較小而陰極區(qū)的面積相對很大時，便發(fā)生局部腐蝕。局部腐蝕增加了鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的可能性，顯著降低了結(jié)構(gòu)的耐久性。腐蝕介質(zhì)到達(dá)鋼構(gòu)件表面時，由于微裂紋的存在為局部腐蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件。隨著腐蝕過程的發(fā)展，微裂紋的寬度和深度進(jìn)一步加大，因此應(yīng)力集中的情況也越來越嚴(yán)重，這又加速了裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，為腐蝕介質(zhì)提供了更大的空間［6-7］。

本文首先對浙江省寧波市10個濱海變電站進(jìn)行腐蝕調(diào)研，探究變電站鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕失效過程，然后介紹寧波電力設(shè)計院有限公司聯(lián)合中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所在裝配式變電站采用新型石墨烯重防腐涂層的防護(hù)效果，研制涂層可延長裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)的服役壽命［8，10］。

2 濱海變電站腐蝕調(diào)查與討論

濱海變電站鋼結(jié)構(gòu)在海洋大氣腐蝕環(huán)境中的腐蝕程度可劃分為輕微、較嚴(yán)重及嚴(yán)重三種等級［11］：輕微腐蝕表明鋼結(jié)構(gòu)表面平整，有少許銹跡，但鋼結(jié)構(gòu)基材完好；較嚴(yán)重腐蝕表明鋼結(jié)構(gòu)表面有明顯銹跡、涂層鼓泡脫落且有明顯腐蝕坑；嚴(yán)重腐蝕表明鋼結(jié)構(gòu)表面已全部被腐蝕產(chǎn)物所包裹，涂層脫落，腐蝕坑面積較大。依據(jù)此評判標(biāo)準(zhǔn)，對變電站室外鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕調(diào)查。

2.1 總體情況

對浙江省寧波市10個已經(jīng)服役超過8年的濱海變電站進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)腐蝕調(diào)研，發(fā)現(xiàn)未涂覆涂層的鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生較嚴(yán)重腐蝕，集中出現(xiàn)在抱箍、端子箱、支架和變壓器等設(shè)備上，詳見圖1。其中支架和變壓器表面涂層已經(jīng)出現(xiàn)明顯起泡和脫落現(xiàn)象，清除其表面腐蝕產(chǎn)物后，腐蝕坑明顯，腐蝕深度為1～3mm；抱箍和端子箱上的涂層已經(jīng)明顯粉化和失光，有銹跡從基材滲出。主要原因是在濱海海洋大氣和工業(yè)大氣耦合腐蝕環(huán)境中，氯離子和酸性腐蝕介質(zhì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)及變壓器外壁腐蝕嚴(yán)重，腐蝕類型包括漆膜脫落和鼓泡、電偶腐蝕、微生物腐蝕、涂層老化及粉化現(xiàn)象等。

2.2 腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物分析

圖2是變電站鋼結(jié)構(gòu)及其腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了電子掃描的電鏡（SEM）照片。發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)表面附著大量疏松的腐蝕產(chǎn)物，主要為鐵氧化物。通過局部腐蝕放大照片可以觀察到表面金屬有明顯腐蝕開裂現(xiàn)象，說明鋼結(jié)構(gòu)在苛刻海洋大氣和工業(yè)大氣耦合腐蝕環(huán)境中，腐蝕劣化跡象明顯。右表是采用電子能譜（EDS）對支架、端子箱和抱箍表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行掃描得到的各元素含量。腐蝕產(chǎn)物中，發(fā)現(xiàn)氧元素、氯元素和硫元素含量均較高，說明鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯腐蝕。其中氯元素主要來自海洋大氣中的氯化鈉，硫元素主要來自工業(yè)大氣中的硫化氫和鹽酸，氧元素含量高，說明鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕和金屬氧化。

圖3是變電站鋼結(jié)構(gòu)支架、端子箱和抱箍表面腐蝕產(chǎn)物的紅外光譜（IR）掃描譜圖。其中3660cm-1對應(yīng)于羥基-OH的伸縮振動，來源于基材表面吸附的水膜，3424cm-1和1024cm-1對應(yīng)于鐵氧化物Fe-O的伸縮振動，1636cm-1和470cm-1對應(yīng)于C=O的伸縮振動，可能是金屬表面形成碳酸鹽。

2.3 變電站鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)措施

在苛刻海洋大氣腐蝕環(huán)境下，濱海變電站鋼構(gòu)件主要采用三種涂層保護(hù)措施，分別為涂漆、熱鍍鋅和鍍鋅+涂漆。由于不銹鋼成本較高，熱鍍鋅酸性過程中會帶來環(huán)境污染，目前變電站逐漸采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)+重防腐涂層防護(hù)的模式。

裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化程度高，施工速度快，工期短，項目資金周轉(zhuǎn)快，對推動我國變電站建筑鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化具有重要意義，是我國未來變電站施工建設(shè)的重要發(fā)展趨勢。由于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限較長，一般民用建筑設(shè)計使用年限為50年，大型公共建筑如體育場館、跨海橋梁等設(shè)計使用年限可達(dá)100年，因此其中的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要考慮其防腐性能及壽命問題。為了盡可能延長鋼結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)的防腐大修時間，需要選用長效防護(hù)的重防腐涂料體系對裝配式鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂裝。裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)的耐久性和服役壽命與其表面涂裝的防護(hù)涂料直接關(guān)聯(lián)。

寧波電力設(shè)計院有限公司聯(lián)合中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開發(fā)石墨烯重防腐涂層體系，重點(diǎn)突破石墨烯高效分散技術(shù)和長壽命涂層開發(fā)技術(shù)，考慮到裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工位于工廠內(nèi)部和安裝現(xiàn)場補(bǔ)涂的特點(diǎn)，設(shè)計的石墨烯涂層體系（主要由低表面處理底漆+高固體石墨烯中間漆+聚氨酯耐候面漆）對裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢：（1）對基材表面處理要求低。在石墨烯防腐底漆中，增加鐵銹轉(zhuǎn)化劑，提高漆膜的防銹和鐵銹轉(zhuǎn)化效果；（2）涂料的施工效率和施工性能好，一次成膜厚。擬采用高固體石墨烯中間漆，具有體積固體份高，阻隔水汽性能好等優(yōu)勢，一次成膜厚度可達(dá)200微米；（3）對裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)的綜合防護(hù)壽命高。石墨烯重防腐涂料采用底漆、中間漆和面漆復(fù)配，可在海洋大氣腐蝕環(huán)境中，對鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)壽命≥25年。圖4是石墨烯重防腐涂層在裝配式鋼結(jié)構(gòu)變電站的現(xiàn)場施工照片，涂裝完畢后測試復(fù)合涂層在鋼結(jié)構(gòu)上的附著力為12MPa，遠(yuǎn)超過項目設(shè)計（附著力≥5MPa）要求。石墨烯重防腐涂層對裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效防護(hù)，對濱海變電站在苛刻海洋大氣腐蝕環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。

結(jié)語

我國輸變電技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平，裝配式變電站設(shè)備及施工技術(shù)也得了迅猛發(fā)展。對傳統(tǒng)已經(jīng)服役的變電站進(jìn)行腐蝕調(diào)研，發(fā)現(xiàn)變電站鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題不容忽視，集中表現(xiàn)在抱箍、端子箱、支架和變壓器等設(shè)備上。變電站鋼結(jié)構(gòu)腐蝕與苛刻海洋大氣腐蝕和工業(yè)大氣腐蝕密切相關(guān)。建議采用新型裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)搭配新型石墨烯重防腐涂層技術(shù)進(jìn)行腐蝕防護(hù)。涂裝長效石墨烯重防腐涂層體系，可以延長裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)在苛刻海洋大氣腐蝕環(huán)境中的服役壽命，通過環(huán)氧石墨烯防腐底漆，高固體環(huán)氧石墨烯阻隔中間漆和聚氨酯耐候面漆的配套，可對裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)壽命≥25年。

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資助項目：浙江省國家電網(wǎng)“苛刻海洋腐蝕環(huán)境下裝配式變電站鋼結(jié)構(gòu)長效石墨烯重防腐涂層關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”項目資助

作者簡介：俞嘉輝（1995—），男，漢族，浙江寧波人，本科，助理工程師，主要從事電力土建工程的設(shè)計與研究。

通訊作者：劉栓（1986—），男，高級工程師，主要從事功能防腐涂料的研發(fā)。