输电杆塔

传统输电杆塔一般为木质电杆、钢筋混凝土电杆和预应力混凝土电杆、钢管杆和铁塔等，近年也出现钢管混凝土电杆，大跨越输电塔则主要采用钢筋混凝土烟囱式塔、角钢塔、钢管塔或钢管混凝土塔等。这些杆塔结构尤其是钢结构自立塔和拉线塔，由于其制造材料本身的易腐蚀性，在其使用期内需要花费巨额资金对其进行维护。就木质电杆而言，其防腐处理的费用、维护费用以及报废处理所引起的环境污染问题等，是我国已不再使用木质电杆作为输电杆塔的原因之一，即使在森林资源丰富的北美地区，也由于木质电杆的腐蚀问题而逐渐转向采用其它材料的输电杆塔。混凝土杆塔的裂缝问题和钢筋锈蚀问题，大大限制了混凝土杆塔在输电线路中的应用。混凝土杆塔在出现裂缝或钢筋锈蚀后，往往使混凝土酥松、剥蚀以至钢筋锈断等，发生杆塔断裂倒塌等事故，而处于内盐湖地区的钢筋混凝土电杆的实际寿命只有3~5年。对输电铁塔和钢管杆，我国一般要求进行热浸镀锌防腐蚀处理，但经过若干年的使用之后，也往往由于锌层破坏而发生锈蚀，大大降低了钢结构构件的承载能力，其使用寿命往往取决于所使用环境的腐蚀程度。我国在役的输电杆塔有不少是在20世纪50-80年代投入使用，由于长年经受风吹日晒、雨水侵蚀等环境作用，钢结构输电塔都出现了腐蚀现象，对输电线路的运行构成了安全隐患，一些钢结构输电塔镀锌层脱落，锈蚀严重，有的已严重影响到线路的安全性。如下图所示，这些都在威胁着输电线路的安全运行。锈蚀角钢镀锌层脱落输电杆塔腐蚀状况目前杆塔钢结构部分锈蚀状况主要表现为3种情况:(1)部分构件表面镀锌层完全腐蚀，基体钢材锈蚀严重;(2)大部分构件表面呈黄色锈层，粉化严重，锈蚀主要为泛锈，除去表面锈层仍有镀锌层存在;(3)小部分构件表面镀锌层完好，但粉化严重。美国土木工程师协会（ASCE）《输电铁塔设计导则》关于铁塔的腐蚀防护，规定处于腐蚀介质中的钢构件，必须采用镀锌或其它防腐蚀处理，最小厚度不得小于3/16英寸，在必要时应涂刷树脂保护涂层。对于强腐蚀环境下的钢构件，其厚度不得小于1/4英寸。在混凝土基础的设计时应采取构造措施，以减少腐蚀介质沉积对塔脚构件的腐蚀。我国的《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2002）中，对杆塔结构的设计也提出了大致相同的要求，所有钢结构和钢绞线等必须进行镀锌防腐蚀处理。输电杆塔的腐蚀机理输电杆塔为热镀锌普通碳钢材料，腐蚀的实质是材料表面与所处的环境中的介质发生化学或电化学作用而遭到破坏或变质。在腐蚀电池的作用下，杆塔构件中Zn和Fe作为阳极溶解，阳极反应:环境中的几种主要腐蚀剂如H+、02及高价金属离子等作为去极化剂与阳极释放出的电子相结合的反应过程，阴极反应:(1)H+去极化:这是热镀锌钢件在不含氧的非氧化性酸介质中发生的主要阴极反应，又称析氢腐蚀。析氢反应时，氢的过电位ηH代表阴极过程受阻程度，ηH越大，腐蚀速度越小，当热镀锌构件中含有析氢过电位小的杂质时，将加快析氢腐蚀速度。(2)O2去极化:碱性、中性条件下:酸性条件下:氧去极化反应又称吸氧腐蚀，是普遍存在的。热镀锌构件在中性或碱性溶液中，在水、大气和土壤中都会发生吸氧腐蚀，甚至在酸性介质中也会有部分吸氧腐蚀。(3)高价金属离子还原或沉积，如:在某一具体的腐蚀体系中，可能会有一种或几种阴极反应发生，这决定于去极化剂在阴极的放电电位，还原反应的电位越高，越优先进行。大气腐蚀机理通常，大气中含有水汽、S02、NH3:和NO2等气体杂质及各种悬浮颗粒和灰尘。由于这些杂质，金属很容易发生大气腐蚀。在潮湿的环境下，金属表面形成液膜层，而这种含饱和氧的电解液膜的存在，使大气腐蚀的电化学过程中氧去极化过程会变的易于进行。在薄液膜层下，腐蚀微电池的电阻显著增大，微电池作用范围变小。因此，大气腐蚀的腐蚀形态较海水或土壤腐蚀更为均匀。出于同一原因，阳极区反应产物的金属离子和阴极区生成的OH-，将在与金属表面紧密邻接的电解液膜层中相互作用，生成的腐蚀产物易附着于金属表面，成为具有一定保护性的腐蚀产物层。在大气腐蚀条件下，腐蚀产物的成分和结构往往很复杂。锈层的组成一般分为内外两层，外层是容易脱落得疏松的附着层，内层则附着牢固的，结构比较致密。两层的成分差别不大，但内层的保护性能较好。在工业大气中钢铁构件锈层的内层常存在一些盐类的结晶，其主要组成为FeSO4.7H2O等可溶性硫酸亚铁盐，它们会降低锈层的保护性能。在一定的条件下，腐蚀产物还会影响大气腐蚀的电极反应。EvanS认为，大气腐蚀的铁锈层处在湿润条件下，可以作为强烈的氧化剂而起作用，进行下列阴极去极化反应即锈层内发生Fe3十-FeZ十的还原反应。而当锈层干燥时，锈层中的F3e04又被由大气渗入锈层的氧重新氧化为Fe3十的氧化物。由此若在干湿交替的条件下，带有锈层的钢铁便能加速进行腐蚀。铁塔腐蚀类型及腐蚀等级判定铁塔腐蚀分为均匀腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀这3种类型。特别要注意的是点蚀及缝隙腐蚀。点蚀会随着时间的增加不断地往纵深处腐蚀；缝隙腐蚀常发生在铁架或平台上螺栓连接部。点蚀及缝隙腐蚀因不易察觉而常会被忽略维护。依据ISO12944-2：1998（见表2）对输电铁塔所处区域的大气腐蚀环境进行腐蚀等级判定，并依据铁塔预期寿命（见表3）设计合适的防腐涂料及涂装体系。输电铁塔腐蚀防护方法输电铁塔的材质依形状主要分为角钢和钢管两大类。依防腐方式可分为：①涂料涂装；②热浸镀；③热浸镀+涂装；④In-factory-DUPLEX-method；⑤冷涂锌；⑥热喷涂。4.1涂料涂装涂料涂装因施工容易而被广泛应用于金属防腐，目前国内外输电铁塔均采用涂料涂装来进行保护。常见涂料涂装体系见表4.2热浸镀锌锌镀层在中性介质中是钝态，因此有较好的耐大气腐蚀性能。锌在大气中的腐蚀速率比铁低10~40倍（见表，可以对钢铁材料进行保护。输电铁塔使用热浸镀锌防护，在一般大气环境下可以使用20年。事实上，在不同的腐蚀环境下，锌的腐蚀速率也是不同的。锌在高湿工业区或高盐分海边的腐蚀速率是内陆乡村环境的2~4倍。张成涛等指出，在严重污染的工业大气环境下,热浸镀锌使用5年已经锈迹斑斑。因此双重涂装防护（热浸镀锌+涂料）已引起防腐工程界及涂料生产商的极大兴趣，并被广泛使用。4.3热浸镀锌+涂料DGJones对热浸镀锌涂膜的附着性进行研究指出：①醇酸树脂漆因为会与锌起皂化作用，使得涂膜剥离，因此不建议作为底漆使用；②适当的前处理可为环氧漆提供良好的附着力；③乙烯树脂与氯化橡胶对热浸镀锌附着力较佳；④防腐性：氯化橡胶漆=环氧树脂漆乙烯树脂漆醇酸树脂漆。另外，热浸镀锌再涂装适宜的涂料与适当的厚度，其耐蚀性能是涂料涂装使用年限与镀锌使用寿命年限之和的1.5倍以上。此双重涂装防护可用于严苛的海洋环境。4.4In-factory-DUPLEX-method这是一种较新的“镀锌＋涂料”的防锈方法，也就是在工厂镀锌后立即涂上涂料，这样大大提高了镀锌铁板的抗蚀性，也大幅度降低了事后维护涂装的成本。In-factory-DUPLEX-method依环境不同，可防腐蚀40~50年之久。从1983年起这种涂装方式已经被澳洲电网选用，广泛用于输电铁塔，使用的是“湿涂料法”，其采用的“In-factory-DUPLEX-method”有下列3种成效：①以往使用的涂料被较环保的材料取代；②维护费用降低；③降低超年限的输电塔的维护涂装。使用In-factory-DUPLEX-method涂覆的输电铁塔，其镀锌的金属色效果将被所用涂料的颜色掩盖，并融合于环境中。4.5冷涂锌由溶剂、树脂、助剂及由纯度高于99.995%的锌粉组成的新型防腐涂料，可在常温下实现冷涂锌，涂层锌含量在96%以上。冷涂锌具备镀锌及普通涂料的双重优点，提供阴极保护及屏障保护，防腐性能优异，可常温刷涂，便于施工，得到“镀锌”效果，对镀锌可以进行修复，是替代热浸锌和热喷锌的最好材料。华东电网制订的“华东电网500kV输电线路铁塔冷涂锌防锈工程技术和工艺规范”中规定冷涂锌使用年限为8年，但在腐蚀苛刻的环境中是无法达到此耐蚀年限要求的。4.6热喷涂国内在1952年对264座高压输电铁塔的上半部使用热喷涂锌层来进行防锈保护，26年后再检查发现无任何腐蚀现象，涂层良好无损。热喷涂用于铁塔长效防腐，主要采用电弧喷涂法，其防腐介质材料以锌、铝、锌铝合金为主。电弧喷涂，得先对底材表面进行预处理，再喷涂，最后进行涂层后处理。而当时用的后处理方式为封闭处理底/面漆涂装。封闭剂可分为有机封闭剂及无机封闭剂，对于输电铁塔的热喷涂选择有机封闭剂（如低黏度乙烯基树脂、酚醛树脂或改性环氧树脂等）。封闭处理剂的施工要用毛刷刷1道或2道，来保证渗透剂能充分进入热喷涂层孔隙，以确保封闭效果。如果热喷涂铁塔将处于较严苛的腐蚀环境（滨海地区/重污染工业区/海洋环境），要求达到长效防腐，则必须有底漆面漆的涂料配套，可参考上述的“热镀锌+涂料”的涂装建议。如果要求长效外观面漆可以采用氟碳面漆或聚硅氧烷面漆。