输电线路杆塔智能腐蚀监测仪的研制与应用

史天如，胡丹晖，朱昌成，王 冠

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.湖北华中电力科技开发有限责任公司，湖北 武汉 430077）

输电线路杆塔智能腐蚀监测仪的研制与应用

史天如1，胡丹晖1，朱昌成1，王 冠2

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.湖北华中电力科技开发有限责任公司，湖北 武汉 430077）

研制并应用了基于电偶探针的腐蚀监测仪，仪器采用构建模拟放大、时钟、闪存、AD转换器等外围电路，将传感器采样信号变为腐蚀信息数据并实现监测数据的在线远程传输。同时，通过户外大气环境监测及实验室条件监测，分析了腐蚀电流值的大小及环境污染物对临界湿度的影响。

输电线路；电偶探针；腐蚀监测

0 引言

大气环境下，有机涂层的老化和材料的腐蚀是输电线路杆塔设备失效的主要破坏形式。为预测和评估材料在某一环境的腐蚀发展，对环境腐蚀等级进行分级分类是对材料服役寿命进行预测的有效途径之一，传统开展腐蚀等级评估的主要方法有标准金属材料（碳钢、铜、铝、锌）的腐蚀失重法、影响腐蚀的环境因素评估方法[1]等。这些方法数据获取时间长且获得比较困难，因此，开展实时在线大气腐蚀性监测与评估，对了解大气腐蚀性及材料的腐蚀程度具有实用意义。

材料的腐蚀破坏是一种自发的电化学过程，通过监测材料腐蚀产生的微电流，可以有效了解腐蚀过程信息。20世纪50年代后期，Tomashov[2]首先将电偶电池引入大气腐蚀研究中，后经Sereda、Kucera及Mansfeld等[3-4]的不断改进，利用电偶腐蚀原理的电化学电池已成为大气腐蚀研究的重要方法。本文采用常用的金属材料组成电偶对来制作双电极传感器，通过监测流过外电路中的电流来评估大气腐蚀性。

1 仪器及测量探头研制

1.1 仪器研制

图1 ACM仪原理图Fig.1 Principle diagram of ACM instrument

本文基于零电阻电路（ZRA）原理[5]，采用具有明显腐蚀电位差的异种金属材料构成电偶对，制备双电极传感器，通过仪器测量电偶传感器在腐蚀环境中产生的电偶电流。根据法拉第定律，电流与金属材料的腐蚀之间存在定量关系，从而判断大气的腐蚀等级。电路包括电源、伏特计、运算放大器、电阻等，其电路原理图见图1。该ACM仪主要是由数字电路和模拟电路两部分组成：数字电路包括单片机，A/D转换器、数据存储器、程序存储器、时钟电路、液晶显示器、逻缉开关等组成；模拟电路主要有电流检测电路和信号放大电路组成。仪器以单片机为核心，以EPROM为数据存储器，可在无人看管下连续记录数据，高输入阻抗的运算放大器构成了零电阻电流计，将电流信号转换成电压信号，并由电子开关自动选取量程。经A/D转换，采样运算结果在显示器上显示，并写入数据存储器。外部时钟可记录开始工作时间，并控制采样频率。数据采集完毕后可通过RS232口与计算机进行通信，把数据传到计算机进行数据处理(如图2所示)，图3为ACM仪样机。

图2 ACM仪线路及工作原理图Fig.2 Circuit and working principle diagram of ACM instrument

图3 ACM仪样机Fig.3 ACM prototype

1.2 双电极传感器(探头)的研制

双电极传感器采用铜片和锌片、铜片和钢片、铜丝和锌丝制备而成，其铜片（丝）一端焊接连通、钢片或锌片（丝）一端焊接连通，且采用环氧树脂封闭，表面经水磨砂纸打磨至600号，表面平整光滑，传感器采用的电极有锌铜电极、锌钢电极、锌铜表面喷涂涂层电极，制备不同间距的传感器探头，其中片状电极间的绝缘距离通过隔膜间的绝缘层厚度，丝状电极间的绝缘距离依靠铜丝表面的绝缘漆膜来控制。片状电极尺寸及示意图见图4，丝状电极的示意图见图5。

图4 片状电极和绝缘薄膜的形状及尺寸（单位：mm）Fig.4 Shape and size of sheet electrode and insulating film(Unit:mm)

图5 丝状电极传感器示意图Fig.5 Sketch of filamentary electrode sensor

双电极传感器的两组电极交替并排，当有水膜在电极截面间形成回路时，就可通过测量仪测量两组电极间发生的宏观电偶腐蚀电流，根据电流值的大小，判定该环境的腐蚀性。为测试制备的双电极传感器灵敏度，将新磨制的电极连接至ACM仪，并将探头置于相对湿度为80%的人工控制气氛中，测试不同探头的电流值，通过电流值的大小比较双电极传感器灵敏度，其性能参数见表1。

表1 双电极传感器性能参数Tab.1 Performance parameters of dual electrode sensors

通过表1可知，锌铁双电极在电极间距为100 μm时灵敏度最佳。

2 户外大气环境监测及实验室条件监测

2.1 湿度与电偶腐蚀电流的关系

采用锌/铁（片状）电极在室温下，不同湿度条件下进行试验，图6为绝缘层间距为100 μm的锌铁电极传感器在不同湿度下的稳定（电偶腐蚀）电流值。

图6 电流与湿度关系图Fig.6 Diagram of current and humidity

从图6中可知，电流的对数值与湿度成线性关系，经过拟合得到稳定电流与湿度的关系式为log（i）=-1.595+0.015 8RH。实际腐蚀过程中，由于腐蚀产物、大气水溶性沉降物以及尘土在表面积聚都会降低临界湿度的数值,而采用ACM技术正好克服了这些表面状态变化所导致的临界湿度降低的影响作用，真实地反映了曝露全过程中腐蚀产物、水溶性沉降物、盐类沉降等地影响作用，此外又有ACM的测量结果和腐蚀发生时的表面湿度从开始直至整个过程都是完全吻合这一现场监测数据为基础，因此可以认为根据ACM电流确定的相对湿度临界值为60%左右是比较合理的。

2.2 大气环境下的测量

研制的仪器安置于武汉工业大气环境条件下进行试验，将传感器固定于户外曝露试验架上（见图7），仪器连续采集数据27 d。

图7 ACM在实际大气环境中测量Fig.7 ACM measurements in the actual atmospheric environment

当数据采集到100%时，采用无线远程数据传输方式，将仪器记录数据采集至连接到互联网的电脑上，并将设备存储数据清零，然后将所采集数据存储为文本文件或excel格式文件，并对数据进行分析。图8为现场采集的电流及湿度图。

图8 现场采集电流与湿度图Fig.8 Collecting current and humidity diagram on the spot

从图8中可以看出，当湿度低于60%RH时，几乎没有电流产生。对于该传感器来说，在户外条件下，稳定腐蚀电流约为1×10-5A。

2.3 由ACM电量划分的腐蚀等级准确性初步验证

为了检验根据ACM技术划分方法的可靠性和准确性，在武汉户外曝露试验站进行一年ACM仪连续监测（探头每个月打磨一次），同时进行传统挂片法进行失重试验。试验后将ACM仪器采集电流按照法拉第定律换算成铁的腐蚀速率，并与挂片法获得的腐蚀速率进行对照，获得电量与失重之间的关联性。

从表2中可见，ACM可以测量到的电流，约为腐蚀实际产生电子转移数的16%，并且在所试验的时间范围内（一年）偏差很小，因此，可以采用ACM测量电流的方法进行大气腐蚀等级评估。在武汉大气腐蚀试验站点，本文所研发的探头可以直接通过电量数据实时获取碳钢的腐蚀速率。

表2 由失重法及ACM电量法所获得腐蚀速率及其确定的腐蚀因子Tab.2 Corrosion rate and corrosion factors determined by weight-loss method and ACM method

2.4 采用ACM探头监测涂层下腐蚀过程

本文在研制的片状锌铁构成的ACM探头（电极间距为100 μm）表面制备厚度为35～45 μm的环氧铁红涂层，并将探头浸泡至蒸馏水中，并监测探头的电偶电流变化，拟研究水汽通过涂层渗透至金属基材，并引起基材腐蚀的过程，试验结果见表3。

表3 研制ACM探头电偶电流与水分子渗透阶段对照Tab.3 Comparison of ACM probe galvanic current and water molecular penetration stage

试验结果表明，水分子在涂层中的传输，可根据ACM探头的电偶电流值来评估水气传输所处的阶段，进而可提出不同种类、不同厚度的屏蔽型防护涂层的防护性能，使用寿命，以及维护周期及维护时间点。

3 结语

（1）ACM仪电流范围1×10-10～1×10-3A，仪器灵敏度1×10-10A，可满足探头表面微量电偶电流变化的测量。

（2）双电极传感器(探头)灵敏度高，通过电极间腐蚀的电偶电流变化的测量，了解大气环境的湿度及环境因素的变化。

（3）通过测量分析，ACM仪测量的电偶电流对数值与湿度成线性关系，经过拟合得到稳定电流与湿度的关系式为log（i）=-1.595+0.015 8RH。在大气环境中实测值与环境腐蚀性具有较好的对应关系，可对大气腐蚀性进行监测。

（4）ACM探头具有电偶腐蚀的高灵敏性，可开发应用于有机涂层下早期腐蚀的监测，相对于其他的监测方法，该方法具有简便直接、准确真实等优点，这方面的应用还未见报道。

（References）

[1] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 19292.1—2003金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性分类[S].北京:中国质检出版社,2014.Standardization Administration of PRC.GB/T 19292.1—2003 Corrosion of metal and alloys—Corrosivity of atmosperes[S].Beijing:China Zhijian Publishing House,2014.

[2] Tomashov N D.Teoriya korrozizashchity metalloy(The Theory of Corrosion and Protection of Metals)[M].Moscow:Akad,Nauk SSSR,1960：158-170.

[3] Kucera V,Mattson E.ASTM STP 558 Corrosion in nature environment[S].1974:7

[4] Mansfeld F,Kenkel J V.Electrochemical monitoring ofatmospheric corrosion phenomena[J].Corrosion science,1976,16(3):111-112.

[5] 杨列太.腐蚀监测技术[M].北京:化学工业出版社,2012.YANG Lietai.Techniques for corrosion monitoring[M].Beijing:Chemical Industry Press,2012.

Development and Application of Intelligent Corrosion Monitor for Transmission Line Tower

SHI Tianru1,HU Danhui1,ZHU Changcheng1,WANG Guan2
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;Hubei Central China Technology Development of Electric Power Co.Ltd.,Wuhan Hubei 430077,China)

A corrosion monitor based on galvanic probe is developed and applied in this paper,the monitor adopts the peripheral circuits such asthe analog amplifier,clock,flash memory,AD converter and so on,the sensor sampling signal is changed into corrosion information data,and the remote transmission of monitoring data is realized.At the same time,through the outdoor air envi⁃ronment monitoring and laboratory condition monitoring,the corrosion current value and the influ⁃ence of environmental pollutants on the critical humidity are analyzed.

transmission line;galvanic probe;corrosion monitoring

TM75

B

1006-3986(2016)12-0005-04

10.19308/j.hep.2016.12.002

2016-11-03

史天如(1984)，女，山西汾阳人，硕士，高级工程师。