镀锌钢铁塔大气腐蚀评价与维护技术【热镀锌产业论坛】lg...

在由SMM主办，冶金工业经济发展研究中心、中国金属材料流通协会 指导，上海靖升金属材料有限公司，山西晋钢智造科技实业有限公司特邀支持的2024SMM热镀锌产业大会&钢铁板材产业大会——热镀锌产业论坛上，国网山东省电力公司电力科学研究院首席专家李辛庚分享了镀锌钢铁塔大气腐蚀评价与维护技术讨论。

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一、镀锌钢输电杆塔的大气腐蚀情况

1. 山东地区镀锌钢杆塔大气腐蚀情况的调查

2013年，对山东地区输电线路镀锌钢制杆塔的腐蚀与防护状况进行了抽样调查。调查抽样样本设定为100座变电站和100条输电线路。抽取的样本大致覆盖山东全地域。被调查杆塔的样本运行时间周期为1979年~2012年。

主要调查指标有：首次防腐维护周期、维护时间间隔周期、维护方式、维护费用等。

目的：了解在山东地区环境中，设计防腐寿命为30年的热镀锌钢制杆塔的指标有效性，维护方法的种类及有效性，以及防腐维护的技术经济性。

调查回收的有效样本有55个变电站和66条输电线路。

变电站：首次防腐蚀维护周期，最短2年，最长34.4年，平均9.6年，高频次为3~8年；维护间隔最短3.1年，最长11年，平均5.5年。

输电线路：首次维护周期最短时间0.8年，最长33.7年，平均13.3年，高频次为5~15年；维护间隔周期最短4.01年，最长14.18，平均为9.11年。维护均采用富锌涂料，单次维护费用平均300-8580元/吨的范围，首次维护的平均费用为1380元/吨。

二、大气环境腐蚀性与镀锌钢的防腐效能

1.大气环境对金属材料腐蚀性强弱的评价

存在的问题：数据少，地域局限性强，属型式试验范畴，同类材料可借鉴性较低；得出规律性预测函数需很长时间（5年以上）。

2） 剂量响应函数法 —— 经验公式

用年平均气象和环境数据计算得到金属第 1 年的腐蚀速率，以及可预测长周期的动力学曲线。

优点：可利用公开的气象和环境数据，快速响应环境变化。

存在的问题：ISO 9223—2012中给出的函数通用性不好，误差过大；需要当地大量数据的校正，确定 7 个待定系数，需要的时间周期较长（~3年）。

3） 仪器法 —— 智能大气腐蚀检测仪（IACD）

（1）仪器及实验效果：为替代人工操作获取金属材料在大气中的腐蚀数据，采用薄液膜电偶腐蚀原理开发了金属材料大气腐蚀传感器，较好地实现了金属在大气中腐蚀进程数据的自动采集和传输。优点：可依据需求定制目标材料的传感器，快速响应环境变化，无线回收数据，替代人工暴露试验操作。

（2）现场表现：在山东省布置了100台智能大气腐蚀检测仪，与同期人工暴露试样的结果进行 2 年数据的对比，腐蚀量的平均相对误差9.94%，均方根误差为0.4674。在山东省境内 2 年以上的现场对比验证检测结果表明，金属材料大气腐蚀平均相对误差小于10%，可替代人工暴露试验检测。

（3）IACD的典型功能

显示站点的地图分布，并可给出任一站点的即时数据。

展示即时腐蚀电流、温湿度、硫分、盐沉积量数据。

换算为腐蚀量，绘制腐蚀动学曲线。

数据密集，可依据需求在1~100分钟内任意设定取样密度。

2. 锌在大气环境中的腐蚀速率——防腐效能

1） 锌在大气环境中的耐腐蚀性

（1）暴露试验

设置10个暴露站点，包括：城市、内陆工业、燃煤、冶金、沿海、化工、矿区、沿海工业、尘降等典型重工业污染区大气环境。选择热浸镀锌、热进度Zn5Al、热喷涂锌、富锌涂料及配套涂层体系进行暴露腐蚀比较。

其对1） 镀锌钢试样的暴露试验、2）以大气腐蚀检测仪在线检测锌腐蚀数据对热镀锌防腐效能的评价进行了详细地阐述。

2. 大气腐蚀图技术简介

为了能够全面、迅捷地准确掌握电网设备的腐蚀数据，开发了“国家电网公司大气腐蚀检测平台系统”。利用IACD的即时检测数据，绘制了可即时更新的动态大气腐蚀图，实现了对大气腐蚀性等级的快速评价。大大减轻了人工试验的负担，缩短了数据获取周期，提高了数据的可用性。

利用该平台，用户可在线快速查阅地图覆盖区域任意地点、任意时间段的大气腐蚀等级、大气潮湿因子图、锌铝铜钢的大气腐蚀速率、腐蚀动力学曲线等与金属材料腐蚀评价相关的主要数据。为防腐设计和选材、检测评价、工程决策等提供技术支撑。

总结40年来大气腐蚀图技术发展的技术成果，并基于在线检测技术的成熟，结合现代计算机辅助绘图技术，编制了《大气腐蚀图绘制方法》（GB/T 43605 — 2023），已于2023年12月28日颁布实施。

该标准描述了基于大气环境腐蚀试验及数据绘制区域性大气腐蚀图的方法，包括一般规定、绘制流程、绘图数据准备、地理空间插值模型构建、数据源空白区域赋值、图面绘制、图面输出、编制绘制说明。

尤为重要的是，本标准在规范绘图数据的基础上，对绘图数据的质量和误差估计做出了规定。

三、镀锌钢铁塔大气腐蚀进程的评估

1. 巡检经验判断

目前在电力行业尚无对热镀锌杆塔防腐失效程度判断的技术规范或标准。国家电网公司执行内部企标《架空输电线路状态评价导则》（Q/GDW 173-2008）中的有关杆塔腐蚀评价的条款。

现场的实际执行情况是依照巡检人员对杆塔镀锌层颜色的观察来判断腐蚀的程度，再来决策是否采取防腐维护措施，以保证镀锌防腐的效能。巡检的重点部位是节点、紧固件和塔腿保护帽附近。

经验表明，塔身总面积5%以上出现红锈时，即认为达到了 II 级状态，需立即采取防腐维护措施，以维持剩余锌层继续发挥作用。否则，镀锌层将全面快速失效。

2. 在役热镀锌层剩余厚度、表面成分、形貌检测与状态判断

通过分析不同运行年限的镀锌钢杆塔镀锌层厚度、表面状态与成分，发现随服役年限增加、腐蚀程度的加重，镀锌层表面Fe元素含量增加，Zn元素含量减少，Fe/Zn比值增加，镀锌层表面Fe/Zn比与腐蚀劣化程度成正比。

当Fe/Zn质量比值大于12%时，镀锌层腐蚀状态已达到重度腐蚀程度，对基体已无保护作用，需及时进行防腐维护；Fe/Zn质量比小于等于5%时，镀锌层的腐蚀状态较轻，对基体仍有较好保护作用，杆塔无需防腐维护；Fe/Zn质量比处于5%和12%之间时，镀锌层腐蚀状态已达到中度腐蚀程度，镀锌层仍有一定保护作用，但是镀层已明显减薄且表面出现多处细微裂纹应加强对该杆塔的检测。

在现场，采用便携式荧光光谱仪检测镀锌层表面Fe元素和Zn元素含量；采用涂层测厚仪测量镀锌层剩余厚度；（现场金相显微镜可检测孔隙率），可快速、客观、准确地判断杆塔镀锌层腐蚀状态。

将现场取样在实验室中进行模拟海洋大气和重工业地区大气服役环境的加速腐蚀试验，测试其腐蚀量——腐蚀时间——Fe/Zn的关系。

结果显示，镀锌钢试样和组合件的腐蚀失重、减薄、Fe/Zn，随腐蚀的发展高度相关，组合件与平板试样的腐蚀差异可忽略。

加速腐蚀结果显示，当Fe/Zn ≥14%时，镀锌层表面普遍出现红锈，微观形貌出现大量裂纹。当镀层Fe/Zn＞15%时，腐蚀速率急速增大。因此，Fe/Zn为15%是镀锌层失效的合理判据。

3. 热镀锌钢铁塔腐蚀与安全性状态评价的过程

当出现“严重状态”的杆塔腐蚀事故时，需对其腐蚀安全性进行全要素评价。

依据上述评价结果，结合强度校核情况，对失效杆塔制定出修复方案，以及修复后的防腐技术措施，包括与环境、载荷、寿命相匹配的防腐材料选择和施工工艺。

四、镀锌钢铁塔在役防腐维护技术

1、可带锈涂装的富锌防腐涂料

采用富锌涂料对发生热镀锌防护失效（或近失效）的输电杆塔进行涂装，是普遍采用的维护方法——冷涂/镀锌。要求干膜锌含量高于85%wt，寿命大于8年。涂装工艺要求基底洁净度高于Sa2.5，干膜厚度＞85m。洁净化处理要求现场难以做到，故实际寿命低于5年的较多。

采用锈层稳定——兼容一体化的原理，以改性环氧树脂为成膜物，添加经有机-无机杂化偶联剂改性的多尺寸微纳锌粉，开发了可在C级原锈热镀锌表面直接涂装的带锈富锌防腐涂料。干膜厚度60微米，中性盐雾 3000h 不出现红锈点。现场应用结果： C4地区寿命大于15年，C5重工业地区寿命大于8年。

2、热镀锌钢输电杆塔 节点矿脂膏包覆

矿脂防蚀膏：聚丁烯55-60%；防锈剂2-6%；钛白粉0.5-1%，滑石粉25-30%；细硅粉 0.1-1%；改性膨润土 10-15%。 防蚀带：聚氨酯无纺布 5-10%；桐油 25-30%；氢氧化铝30-35%；氢氧化镁20-25%，改性膨润土 10-15%。 包覆工艺：基材表面处理-涂矿脂膏-缠矿脂带。

耐蚀性评价：2000小时中性盐雾矿脂膏包覆层无失效；室外暴露168h+盐水浸泡168h的2周期循环+286h中性盐雾无失效；氙灯老化2h+淋雨5min+湿润55min的160周期循环+286h中性盐雾无失效。

3、输电杆塔塔脚修复与热喷涂锌钢防腐处理

1）打开水泥保护帽，经过宏观检测、厚度测量及尺寸测量以及地脚螺栓相控阵检测，确定塔脚腐蚀程度。

2）去除表面腐蚀产物，对腐蚀减薄超过原厚度20%的主材、底板及部件，均应切割或拆除。露出地脚螺栓和基础，修复或更换地脚螺栓，

3）采用焊接加固底板和塔腿各部件。

4）修复地脚螺栓。

5）加固主材和连接板和靴板。

6）打磨塔脚所有钢材表面，采用手持式火焰丝材喷枪喷涂锌涂层，至规定厚度。

7）重建混凝土保护帽，待7d养护期后将修复部位和保护帽一同刷涂防水——防腐一体化涂层至规定厚度。

4、基于大气腐蚀数据的差异化防腐技术

（1）在新建铁塔安装完毕后，采用低端涂料，对热镀锌性进行简单的涂装“封闭”处理，可大幅度提升耐腐蚀性能。

（2）在现有热镀锌技术的基础上，采用合金化将有利大幅度提升防腐性能。

五、总结与展望

1、在C4及以上强腐蚀性大气环境中，执行目前标准的热镀锌钢制输电杆塔防腐性能不足。

2、塔脚、节点、紧固件是输电杆塔的主要腐蚀失效部位，需加强技术研发，大幅度提升防腐性能。

3、掌握腐蚀数据，实现对镀锌钢杆塔镀锌层的差异、精细化设计、把握恰当的时间节点，避免“欠维护”和“过维护”，是未来输电杆塔防腐的发展方向。

4、开发与热镀锌相配套的合金化技术、配套封闭技术，可大幅度提升热镀锌的防腐效能，也是可能实现免除后钝化的有效措施。