强腐蚀地区输电线路腐蚀及监测防护的研究现状

周经中,何学敏,孙阔腾,黄松强,蔡玮辰,赵忠贤,赵远涛,李文戈

(1. 中国南方电网有限责任公司 超高压输电公司柳州局，柳州 545006； 2. 上海海事大学 商船学院，上海 201306)

腐蚀，这一全人类共同面对的问题，涉及资源消耗、环境污染、人类健康等诸多问题。腐蚀产生的重金属离子会污染土壤、植物、水，同时还会威胁人类健康。据统计，2014年由于腐蚀引起的经济损失约占各国每年GDP的3%～5%，我国腐蚀总成本约为GDP的3.34%，腐蚀代价大于所有自然灾害损失的总和[1-2]。随着我国大型基础设施建设的快速发展，这一数据仍会不断上升。

近年来，我国电力事业不断发展，承载电力输送任务的输电网线路建设里程也快速增长，为使输电设施具有轻自重和高支撑强度的优点，结构件多采用镀锌钢、碳钢、铝线等金属材料，但这些设施多暴露于户外露天环境中，常年遭受不同自然条件的侵蚀[3]。输电网线路各部件的腐蚀与损耗较为广泛，且很难进行全天候管理，这严重威胁了输电设施的运行安全，严重时甚至会造成人员伤亡[3-4]。同时，不同于内陆地区，我国南方沿海地区由于特殊的气候原因，导致该地区的大气环境湿度和温度相对较高，且随着工业的不断发展，逐渐形成了典型湿热工业的强腐蚀环境，使该地区的金属构件较易发生严重腐蚀[3-4]。

在内陆干旱地区，由于大气中的水含量较低，输电设施的腐蚀较为缓慢，加之防护手段的作用，其有效服役时长一般可达20 a。但在一些强腐蚀地区，尤其是沿海重污染地区，腐蚀条件恶劣得多，大气中水蒸气含量较高，且含有较高浓度的酸性离子和盐，较易穿透防护层对基材造成快速侵蚀，这极大地缩短了构件的服役期限[5]。因此，对输电设备的腐蚀和损耗状况及时进行监测诊断，及时准确评估设施的安全性对其安全稳定运行具有重要意义。本工作通过实地勘察描述了高污染地区输电设施的腐蚀状况，并针对其主要监测技术的发展进行了总结分析。以期为今后强腐蚀地区输电系统的安全服役提供借鉴。

1 强腐蚀地区的腐蚀气氛影响

1.1 强腐蚀地区的大气环境

随着国民经济的增长，工业生产的日益频繁和居民生活排污的增加，导致大气中SO2、NO2、H2S等气体的含量增加，加速了大气腐蚀。在沿海地区，温度、湿度及盐分对大气腐蚀也有显著影响[6-7]。另外，大气中的尘土粉体颗粒等固体污染物也是加速大气腐蚀的一个重要因素[8-10]。近些年，资源型经济地区由于资源过度消耗，致使当地环境遭到前所未有的破坏，重污染天气指数呈直线上升趋势，具有持续时间长、影响范围广等特点。因此，各地区针对其大气污染的监控和防治工作也受到了广泛关注，并逐渐开展了监测研究。

夏志勇等[11]于2016年研究了济南市大气重污染期间的空气质量及其污染物组分特征，结果表明，济南市受工业污染影响，市辖区空气污染物浓度是清洁对照组的三倍，污染程度较高，水溶性离子浓度由高到低依次为SO42->NO3->NH4+>Cl->K+>Na+>Ca2+>F-，且大气中SO2和NO2的二次氧化程度较高。

徐义邦等[12]于2016年1月对南昌市主要的大气污染过程及其污染物(PM2.5)进行了综合分析，结果发现重污染时段PM2.5主要组成为SO4-、NO3-以及NH4+，三者浓度占比高达42.1%(质量分数)，大气污染物中有机碳(OC)的质量分数为4.73%，wNO3-/wSO42-均值为0.85，明显高于正常的0.56，重污染期间各污染物具体质量浓度和空气质量指数(AQI)如图1所示。

(a) 污染物浓度

(b) AQI图1 污染物浓度及AQI监测数据Fig. 1 Contaminant concentration (a) and AQI (b) monitoring data

洪茜茜[13]采用被动式多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)对长三角地区大气污染物，开展了持续数年的监测研究，分析了其时空分布和演变规律。结果表明长三角地区由于工业发达，污染排放也相对较重，大气环境中的酸碱性氧化物如NO2、SO2等浓度偏高，分析认为，高浓度的NO2、SO2多出现在长江流域主要工业园的下风位置，这是因为该地区排放的污染物在下风地区积聚。

1.2 大气污染物对输电设施的腐蚀影响

上述大气污染物的存在加剧了重污染地区腐蚀环境的恶劣程度，对该地区的钢结构、金属设施等构件造成了严重的安全威胁，较大地加速了其腐蚀进程。

高岩等[14]基于广东、广西、贵州等地区输电线路的建设情况，选取了城市、工业污染、海洋及乡村4种大气环境，开展了为期1 a的实地输电线路大气腐蚀行为研究，结果显示，工业污染地区腐蚀影响最重，海洋次之，乡村最轻，说明污染大气环境的腐蚀程度较单一海洋大气环境的更加恶劣。图2所示为广东茂名和云浮两地的工业污染大气环境的腐蚀监测点数据图。两组数据的采集点分别位于火力发电厂污染区和水泥厂污染区周围，污染区中心位置酸性气体质量浓度分别高达13.1 μg/m3和16.3 μg/m3，属于C3及以上腐蚀级别(腐蚀等级按照腐蚀严重性由高到低一般分为C1～C5级)。

陈文娟等[15]采用循环干/湿模拟腐蚀增重试验、电化学试验等研究了SO2对钢结构腐蚀行为的影响。结果表明，薄液膜较易吸附SO2形成H2SO3，进一步氧化成H2SO4，腐蚀溶解金属基材及其腐蚀产物，形成孔洞，使腐蚀介质更易穿透锈层接触基材，加速腐蚀进程。在SO2达到较高浓度后腐蚀产物转化为较为致密的γ-FeOOH，腐蚀减缓，但随时间的推移仍会产生分层、孔洞。

(a) 茂名 (b) 云浮图2 茂名和云浮两地的腐蚀情况统计结果Fig. 2 Statistic results of corrosion in Maoming (a) and Yunfu (b)

刘爽等[16]为研究重工业污染和城市环境中铁塔的腐蚀情况，对实际运行的热镀锌输电铁塔取样，借鉴GB/T 8923.1-2011的评价方法,对e级污区大气环境中基材的腐蚀情况进行评价。结果显示，塔材的表面形貌不一，说明铁塔在强腐蚀环境中的腐蚀程度也不同，总体可分为轻腐蚀、部分腐蚀和完全腐蚀，且都存在不同程度的镀锌层消失，完全腐蚀区基材已全部裸露，需要进行维护。

葛兆军等[17]采用力学试验和形貌表征等手段研究了试制高强高韧耐候钢在良乡、曹妃甸、平潭及永泰四地的腐蚀行为，结果表明，耐候钢试样在北方地区的腐蚀情况较为轻微，这是因为该地区大气污染物主要为SO2等酸性物质，在腐蚀过程中会形成新的保护层；而南方沿海地区的大气中Cl-浓度较高，这使耐候钢失去自修复能力，短时间内即发生快速腐蚀。

上述研究结果表明，工业污染环境的形成主要是炼化企业等高污染企业在工业生产过程中持续性排放积聚废气和粉尘等污染物。相较于普通大气环境，重污染大气腐蚀环境更为恶劣，该区域输电设施的腐蚀速率和腐蚀程度都进一步加深。其中,受湿热气候和污染物共同影响，南方工业污染地区，尤其是滨海地区输电设施的腐蚀广泛且严重。

2 输电设施的腐蚀情况

我国疆域辽阔、地区资源分布和发展不平衡，而能源供应是制约均衡发展的重要因素之一，为实现 “西电东输、全国联网”的总体发展规划，输电等重大基础工程的建设显得尤为重要。截至2017年末，全国220 kV及以上输电线路总里程已经达到68.78万km，并且到2020年这一数据或将超过159万km。但在输电设施大规模建设的同时，出现了更大规模的输电设施腐蚀，这无疑给输电设备带来了严重的威胁。

输电线路架设于地面上，由导线、杆(铁)塔、金具和绝缘子等组成，跨越各种地形地貌、环境和气象区域，暴露在户外的输电线路受到工业大气和各种环境介质的影响，杆(铁)塔、金具和绝缘子的钢脚铁帽的镀锌层会受到腐蚀破坏，失去保护作用。

2.1 输电导线及其他导线

输电导线是发电厂、输电站以及用户之间的桥梁，担负着输送电能的重要功能，是输电设施中的重要一环。现阶段，世界上广泛使用钢芯铝绞线制造导线[17]，年产量超过一百万吨[18]。除导线外，输电设施还包括地线、拉线等其他线路，这些辅助线路主要起到避雷和固定设施的作用，该类线路主要采用镀锌钢绞线为原材料[19-20]。在工业大气和海洋大气等强腐蚀环境中，输电线路的腐蚀是造成线路早期失效的主要因素之一。根据电网公司数据统计，在强腐蚀环境中的，输电线路的有效服役期限较在普通大气环境中的降低5～10 a，远低于20～25 a的预期使用寿命，对输电线路整体服役情况造成很大影响，也加大了线路防护的工作量[20-24]。

上世纪九十年代建设运行的高山-北输电线路服役仅6 a,部分输电设施即出现腐蚀现象，其中输电导线部分的腐蚀最为严重，材料表面出现黑色产物，且内部腐蚀较重，这大大缩短了其服役年限甚至使其接近失效。

对输电线路架空导线腐蚀行为及其防护措施的研究早已经成为输电技术研究的关键内容之一，虽然很早就开展了相关研究，但由于复杂性和不确定性，有效的解决方法仍未寻到。

祝志祥等[21]通过详细分析架空铝导线的腐蚀原理、腐蚀过程及腐蚀形式，对架空铝导线的腐蚀行为做了较为全面的总结:根据服役环境的差异，架空铝导线的腐蚀形式，腐蚀程度和原因也有所区别，常见的腐蚀类型有电化学腐蚀、化学腐蚀以及间隙腐蚀等。对湖南、四川等地区的实地勘察发现，湿热、工业污染等强腐蚀地区的腐蚀现象较为广泛，内部腐蚀程度较深，此环境中的腐蚀产物主要为白色结晶体，其成分主要为Zn及Al的氢氧化物、硫酸盐及氯化物等复式盐，见图3。

马崇等[22]采用电化学试验研究分析了服役不同时间钢芯铝合金绞线的耐腐蚀情况。结果表明，长期服役于大气环境的输电导线表面都会形成一层氧化膜，具有延缓腐蚀的作用。部分铝芯绞线服役13 a后的腐蚀速率明显减弱，此时氧化膜的耐腐蚀效果最为明显，而钢芯绞线则在服役50 a后，表面氧化膜的作用才较明显。

张旭等[23]对某架设施工中的输电线路进行勘察，发现所用钢芯铝绞线在未进行架空操作时即发生如图4所示的腐蚀现象，采用XRD、EDS及SEM等方法对腐蚀导线进行了理化检验，并分析了腐蚀行为。结果表明，在受污染大气环境中，受酸雨等因素的影响，腐蚀产物中形成了较多的硫酸盐，且钢芯基体中FeCl3第二相粒子对铝绞线的腐蚀起到了促进作用。认为通过控制铝绞线中的铁元素含量可以有效提高导线的耐蚀性，潮湿的环境，尤其是酸雨也是造成导线严重腐蚀的关键因素。

石鹏等[24]对输电线路设施中拉线的服役和锈蚀情况进行了研究，重点关注了环渤海湾地区输电拉线的腐蚀及防护现状。结果显示，沿海地区输电线路拉线由于处理程度不同，其腐蚀情况也不同。输电设施多处于高污染地区，普遍遭受大气环境、土壤及雨水侵蚀，其中腐蚀多集中于地面以上30～50 cm的区域，轻微腐蚀多表现为表面出现浮锈，重度腐蚀则会出现直径大幅减少，形成井口状锈蚀环带，在较大拉力作用下较易发生断裂甚至锈断。

(a) 铝绞线

(b) 镀锌钢芯线图3 导线的腐蚀形貌Fig. 3 Corrosion morphology of wires: (a) aluminum conductor; (b) standard galvanized wire

图4 酸雨腐蚀区某导线的失效形貌Fig. 4 Failure morphology of a single wire in an acid rain corrosion zone

2.2 输电杆塔

不同于其他输电设施，输电杆塔承载着整条输电线路，一旦因腐蚀发生倒塌，将会对该条输电线路造成致命的影响。2008年南方出现极端冰冻天气，使得输电线路被冰雪覆盖，造成输电塔架大面积倒塌，损失惨重。这一方面是由于塔架载重激增，另一方面就是因为塔架由于腐蚀导致承重能力下降。为此，研究塔架腐蚀情况已成为钢结构腐蚀与防护领域最重要的部分之一。

孟晓波等[25]模拟研究了海岸-工业环境中输电杆塔材料Q235、Q420、SQ420NH以及Q235镀锌钢的大气腐蚀行为。结果表明，由于受到持续工业污染，我国大量沿海地区的大气环境逐渐成为一种海岸-工业污染复合的大气环境，如湛江，珠海等。四种输电杆塔常用材料在试验过程中都发生了较为快速且严重的腐蚀，腐蚀起始时间普遍较早；镀锌钢的腐蚀速率最低，但也只有72 h即完成了腐蚀。同时，整个过程伴有较高浓度的Cl-沉积，并存在SO42-参与腐蚀，腐蚀情况较为严重，出现大量深度腐蚀坑，腐蚀产物呈现较为稀疏易脱落的特征。

蒋武斌等[26]通过扫描电镜、X射线衍射、失重法等手段研究了南方电网主要杆塔材料Q235、Q345钢以及镀锌钢在海洋大气环境中的初期腐蚀行为。结果表明，Q235和Q345两种基材的初期腐蚀行为较为相似，Q235钢的腐蚀速率略低于Q345钢的，两者的腐蚀产物均为疏松多孔的γ-FeOOH和α-FeOOH，海洋大气中的盐分促进了腐蚀产物的形成，明显加速腐蚀进程。镀锌钢由于氧化膜的生成,腐蚀速率和腐蚀程度均较低，说明镀锌层具有一定的耐腐蚀效果。

作为输电线路中的主要支撑结构，输电铁塔主体采用大量的钢结构，以达到减重增强的目的，而普通钢结构自身耐蚀性较差，所以需对输电杆塔进行表面防护处理，国内一般多采用表面热镀锌技术。热镀锌涂层在大气中的腐蚀速率约为碳钢的1/15，通过物理隔离基材与大气环境和牺牲阳极两种途径可以减缓腐蚀。在非强腐蚀环境中，镀锌层表面由于液膜的存在会形成Zn(OH)2，而与空气接触后又与CO2反应生成致密稳定的碳酸锌保护膜，防止基材与外界接触发生腐蚀，该条件下，热镀锌涂层可以有效起到防护基材的作用。但对于服役于工业污染、海洋大气或其他强腐蚀环境的输电塔架，该类涂层的耐蚀效果会明显下降[27-28]。表1所示为日本关于热镀锌层在大气环境中的腐蚀情况统计结果。

王劲等[29]研究了镀锌钢在模拟广州工业污染区湿热大气环境中的腐蚀行为。结果表明，整个腐蚀分为两个过程，腐蚀初期腐蚀速率较快，锈层薄，质松多孔，附着力差，随着腐蚀的进行，腐蚀速率逐渐降低，腐蚀产物积累较多，连续且完整，形成与基体结合相对紧密的内锈层，产物组分主要为锌的氧化物、水合物以及锌盐等。酸根离子如Cl-、SO42-、CO32-等对镀层影响较大。

研究发现，镀锌层在腐蚀初期发生氧化反应，产物为“白锈”，而在湿热大气环境中，随着服役时间的增加，白锈会进一步与大气中的酸性气体反应，镀层失去金属光泽，形成深色产物，即“黑斑”，镀层保护作用减弱甚至消失，之后钢基体发生腐蚀，逐渐有红色产物，即“红锈”生成。

闫风杰等[30]研究了不同环境中镀锌钢结构件的典型腐蚀特征，结果表明,随着镀锌钢结构件服役时间的增加，腐蚀也随之加重，重工业区的结构件服役10 a后镀锌层颜色变深，失去金属光泽，12 a后部分区域开始出现红色锈蚀点，且镀层厚度减少80%以上，服役15 a后结构件表面出现大面积深度腐蚀,见图5。

原徐杰等[31]研究了干湿交替条件下镀锌层输电杆塔在NaCl,NaCl+NaHSO3混合体系中的腐蚀行为。结果表明，镀锌层在两种环境中均会发生腐蚀，且随着腐蚀的进行，腐蚀速率逐渐增大，在NaCl与NaHSO3混合体系中的腐蚀更为严重。

上述研究表明，未进行任何处理的低碳钢结构件如Q235、Q345等在湿热工业-海洋大气等强腐蚀环境中较易发生腐蚀，此类输电杆塔的服役年限较短。而常用镀锌钢结构杆塔的服役年限相对较久，但在不同环境中，腐蚀程度也相差较大。在强腐蚀条件下，镀锌结构在长期服役过程中也会被酸碱性气体腐蚀。现阶段，强腐蚀环境中，输电杆塔的腐蚀现象较为广泛，且危害较大。

表1 热镀锌层的大气暴露腐蚀试验结果Tab. 1 Exposure corrosion test results of hot-dip galvanized layer in atmospheric exvironment

(a) 0 a (b) 2 a (c) 5 a

(d) 10 a (e) 12 a (f) 15 a图5 重工业区塔杆服役不同年限后的腐蚀形貌Fig. 5 Corrosion morphology of towers in heavy industry area after different years of service

2.3 金具

电网金具通常包括各类线夹、U型螺栓、吊架、绝缘子的挂板(环)及导线压接管等金属附件，主要起到连接、支撑以及保护等作用，在输电线路中被广泛使用，金具的运行状况直接影响着输电线路的传输效率和运行安全[32]。在相同条件下,金具本身的特点使其腐蚀速率高于杆塔和导线的，这是由于大多数金具在工作状态下承载着较大的应力，属于应力集中构件，同时还有较大电流通过，且存在较多边角缝隙，腐蚀和磨损共同产生正交协同作用，所以在服役期间常发生磨损、腐蚀等失效行为。

金哲等[33]于2011年在对江孱一二回进行巡检时发现，因服役时间较长加之通过较大电流，工作温度较高，6号和11号杆塔地线金具均在连接部位发生严重磨损、钢火退化及镀锌层锈蚀脱落等失效行为。

洪毅成等[34]于2016年对某220 kV输电线路进行检修,发现一处铁塔的直角挂板弯头部位出现断裂失效现象，对该失效构件进行检测，显示几个断口处均出现硫、氯、钾等常见腐蚀性元素，其中两处有较高含量的锌元素，断裂处有明显的穿晶裂纹及扩展痕迹，分析认为在沿海山区中，在腐蚀介质和拉应力的共同作用下弯头处发生腐蚀疲劳断裂。

张万友等[35]研究了输电线路合成绝缘子端部金具的腐蚀行为，同时分析了离子侵蚀对金具腐蚀的影响。结果表明，影响镀锌层腐蚀的因素由强到弱依次为Cl-、CO32-、HSO4-。

陈军君等[36]研究了广西、湖南等地受污染区域金具的腐蚀情况，结果表明，工业污染大气环境内的金具虽然有镀锌层的保护，但依然发生了较严重的腐蚀，腐蚀产物为多种红褐色铁腐蚀产物的组合，镀锌层中锌的质量分数仅为13.03%，硫和氧元素含量大幅增加。分析认为，工业污染大气中高含量的硫对金具的腐蚀起到了关键作用，镀锌层在此环境中的腐蚀速率为在一般大气中的6～7倍，拉应力和微动摩擦也促进了腐蚀。

3 腐蚀监测防护技术应用

腐蚀是自然发生的，其进程会随时间的延伸朝不同方向不断发展。同时，在金属防护技术不断发展的今天，腐蚀的发生与发展已处于一个相对缓慢的状态。如果人们可以对输电设施的服役状态进行较为全面、及时准确的检测，那么腐蚀的发生及其发展就可以得到有效监控，这有利于更快更好地对输电线路中的金属构件进行维护和保养，不仅有效减轻腐蚀对线路造成的危害，更延长了构件的服役年限和安全运行效率，避免发生意外事故。所以，各地区电网部门对输电设施监测技术的发展成为腐蚀防护的关键一环，对电网的安全高效管理具有重大意义。

在现代输电线路维护工作中，人工巡查监视的监测模式仍最为普遍，但该模式在信息获取、实施条件以及工作效率等方面存在较多问题，而且会威胁管理人员的自身安全[37]。自2008年南方冰灾事故后，国家引进并强制执行了输电线路的检测，以确保输电线路的稳定安全运行。现阶段，真正实际应用的监测方法主要有涡流探伤法、热象显示用热温线图、图像处理技术以及声发射技术等。

刘东生等[38]应用声发射技术检测高压输电塔锚杆的腐蚀，近几年该技术在无损检测领域兴起，并被广泛关注。目前多用于传统大型结构件的损伤腐蚀等。声发射技术可以将锚杆结构简化研究，在瞬态激振作用下，腐蚀位置返馈发射信号至锚杆自由端，使传感器发生位移，并将位移转化为电信号传输记录。对接收的声发射信号进行时频分析和小波测试分析后发现，信号频率、能量与腐蚀行为有着较强的相关性，声发射技术能够在腐蚀检测中有效应用。

梁华贵等[39]介绍了在线监测警示设备在输电线路上的应用情况，目前多采用光电法激光探测技术来对线路的运行状态和腐蚀等形式的破坏进行监测。该技术在供电状态下，可以对输电线路及其周边的情况进行不间断监控传输，将图像实时传输至终端，当激光检测到异常情况后即会向管理人员发送处理通知。

史天如等[40]研制了基于电偶探针技术的腐蚀检测方法，并将其应用于目标线路。该方法是将传感器采样信号转换为腐蚀数据信息实时监测并在线远程传输，同时，通过试验研究了大气环境和实验室条件下的腐蚀电流值和污染物对临界湿度的影响，考察了该方法的可行性。结果表明，探头具有电偶腐蚀的高灵敏性，适用于有机涂层下的早期复试监测。

梁皓澜等[41]建立数学模型并成功应用在线路腐蚀监测领域。在不考虑火花效应影响的情况下，在低频和高频下建立接地导电体分布参数的数学模型，借助MATLAB模拟通过研究电流频率和阻抗分析不同腐蚀情况下导线的接地电感变化规律，进而判断出接地体各部分的腐蚀情况，更有效地检测了输电线路的工作状态。

4 结束语

输电设施中的金属结构件在沿海、工业污染等强腐蚀地区服役的过程中,由于离子渗透等多方面影响会快速发生较为严重的腐蚀，而且不同环境不同部位的腐蚀程度仍有所区别，因此，针对输电设施的腐蚀行为应该进行更加全面且深入的研究。同时，随着电网线路的不断延伸，为保障输电线路的安全稳定运行，应加快输电线路监测系统的在线化和智能化进程以及强化防护手段，更好地应对腐蚀对输电设施带来的威胁。