基于剂量-响应函数的电网金属材料大气腐蚀分布图绘制方法

李光茂，莫文雄，朱晨，王勇，周鸿铃，杜钢

（广东电网有限责任公司广州供电局，广州 510410）

引言

电网设备分布范围广，服役环境条件恶劣，在户外温度、湿度、降雨等气象条件以及盐雾、二氧化硫、氮氧化物等化学活性物质的共同作用下，电网设备金属材料非常容易发生腐蚀，进而导致设备故障，影响电网安全稳定运行。我国电网设施覆盖区域广阔，所处的自然环境条件复杂，不同地区的大气腐蚀性不同，进而导致电网设备的腐蚀程度和服役寿命相差很大。目前不同地区电网设备的选型选材和防腐设计缺乏有效的腐蚀速率数据支撑，部分地区电网设备腐蚀严重，远远达不到设计寿命，后期运维成本高。

为指导不同地区电网设备防腐设计，部分学者开展了金属腐蚀分布图绘制方法的研究，文献[1]分析了气象要素和大气污染物对输变电设备腐蚀的影响过程；文献[2]基于金属挂片暴露试验数据（采样点密度1 000 km2/个），采用克里金法进行插值，并叠加腐蚀源对金属腐蚀的影响，绘制浙江省大气腐蚀等级分布图；文献[3]基于南方五省246 个监测站点的大气环境数据，构建剂量-响应函数得到相应的腐蚀速率，对腐蚀速率采用克里金法进行空间插值后，计及工业污染源和海洋对大气腐蚀的影响，绘制了南方五省的大气腐蚀等级分布图，最后基于样片现场暴露试验数据对腐蚀等级进行校验。然而，当前的腐蚀分布图绘制方法仍存在一些不足：①以金属暴晒试验数据作为分布图绘制的主要基础数据，而金属样片暴晒试验耗时长（一年以上），挂样点密度有限，直接影响腐蚀分布图的精度；②未考虑风速、风向对腐蚀介质扩散过程的影响，工业污染源附近及沿海地区的金属腐蚀速率可能与实际情况有较大差异。

因此，本文提出一种基于剂量-响应函数的电网金属材料大气腐蚀分布图绘制方法。首先，获取绘图区域内的高精度网格化气象数据，绘制多类型气象要素分布图；构建腐蚀介质扩散模型，绘制腐蚀介质分布图；然后，根据绘制区域的实际情况，选取合适的金属腐蚀剂量-响应函数，根据网格的气象数据和腐蚀介质数据，得到网格的腐蚀速率数据；最后，根据国家标准GB/T 19292.1-2018[4]进行腐蚀等级划分，绘制腐蚀等级分布图。该方法绘制得到的分布图精度高，能够准确反映实际复杂环境条件对金属腐蚀速率的影响，能够为电网设备防腐设计和运维提供准确有效的数据支撑。

1 气象环境数据

金属材料的大气腐蚀是一种薄液膜下的电化学腐蚀，薄液膜的形成与大气环境下的湿度、降雨、温度、腐蚀介质等关系密切。大气腐蚀的发生起始于金属表面生成电解质液膜，进而在液膜/金属界面发生电化学腐蚀，金属表面水蒸汽的凝聚、液膜中腐蚀气体和盐类的溶解度、液膜的电阻等都受到环境温度及相对湿度等的影响。

气象环境因素是影响金属腐蚀速率的基本要素，气象要素的精度直接影响腐蚀分布图的精度。为提升气象基础数据的准确度和分辨率，通过专业的气象数据机构获取高精度的气象要素网格化数据，网格分辨率可达到5 km（部分数据可达1 km），时间间隔可达到小时级。

基于获取到的气象要素网格化数据，按照不同网格的数据大小采用不同的颜色进行渲染，并对网格进行平滑处理，剔除网格的棱角，形成温度、相对湿度、降雨、风速等气象要素分布图。

2 腐蚀介质扩散模型

大气环境中的盐雾粒子、SO2、NO2、NH3等腐蚀介质通过溶解于金属表面的薄液膜内，改变电解质液膜的性状进而影响金属腐蚀速率。盐雾粒子主要产生于海洋活动，并在海风的作用下从海岸线向内陆迁移并沉降到电网设备表面。SO2、氮氧化物等腐蚀性气体主要产生于火电厂、石化厂、造纸厂、养殖场、汽车尾气等工业污染源，并在风力的作用下由污染源向主要风向进行扩散。对于与腐蚀介质发生源相同距离的不同位置，可能由于盛行风向和风速的不同，腐蚀介质浓度差别很大，进而导致金属腐蚀速率相差很大。因此有必要掌握腐蚀介质扩散状态以提升腐蚀分布图的准确性。

采用高斯烟羽模型来模拟腐蚀介质的传输、扩散和稀释过程，即腐蚀介质浓度遵循正态分布[5,6]。在下风向上，基于高斯烟羽扩散模型的污染源在任意一点的腐蚀介质浓度计算公式如下：

式中：

c—腐蚀介质浓度，单位为mg/m3；

x 轴正向风速方向；

y 轴在水平面垂直于x 轴，正向在x 轴左侧；

z 轴垂直于xoy 水平面，向上为正向；

Q—污染源处腐蚀介质浓度，单位为mg/m3；

v—风速，单位为m/s；

H—污染源的有效高度。

σy和σz—y 轴方向和z 轴方向的扩散系数，其计算公式如式（2）所示。

式中：

γ1、α1、γ2和α2—不同大气稳定度及下风距离的有关系数。

通过火电厂、石化厂等工业污染源的地理坐标及污染源处气体排放数据，结合污染源所在网格的风速、风向数据，得到污染源所在网格及其邻近网格的腐蚀介质浓度，进而绘制腐蚀介质浓度分布图。

3 金属腐蚀剂量-响应函数

金属大气腐蚀剂量-响应函数是指金属材料的大气腐蚀速率与环境参数之间的关系模型。剂量-响应函数可以通过不同地区的大气腐蚀因子数据（包括时间、温湿度、Cl-沉降量、SO2浓度等）来计算金属的大气腐蚀速率。由于金属大气腐蚀具有较强的地区性特征，不同区域的气象环境和腐蚀介质类型不同，而剂量-响应函数作为经验公式，不同地区适用的剂量-响应函数也存在较大差异。因此，在绘制金属腐蚀分布图时，应根据绘制区域的环境特征选取合适的函数模型并根据该地区的金属暴晒试验数据合理调整模型参数。

以碳钢材料为例，对于存在Cl-和SO2的大气环境，可参照GB/T 19292.1-2018 推荐的剂量-响应函数来计算碳钢的大气腐蚀速率，如式（3）所示：

式中：r

corr—碳钢材料的大气腐蚀速率，单位为μm/a；

T—大气温度，单位为℃；

RH—相对湿度，单位为%；

Pd—SO2沉积率，单位为mg/（cm2·d）；

Sd—Cl-沉积率，单位为mg/（cm2·d）；

fSt—碳钢相关系数，如式（4）所示。

将所有网格的气象数据以及腐蚀介质数据分布代入金属腐蚀剂量-响应函数中，即可得到各网格的金属材料大气腐蚀速率。

4 金属腐蚀分布图绘制

金属腐蚀分布图的绘制流程如图1 所示。首先从气象部门获取绘制区域内大气温度、湿度、风速、风向、降雨等气象环境的高精度网格化数据，绘制气象要素分布图；然后获取盐雾、SO2、氮氧化物等腐蚀介质发生源的经纬度及浓度数据，根据风速、风向及高斯烟羽模型计算腐蚀介质在邻近网格的分布情况，绘制腐蚀介质浓度分布图；根据绘制区域的环境条件，选取合适的金属腐蚀剂量-响应函数，代入气象数据和腐蚀介质数据，得到各个网格的金属腐蚀速率；根据金属挂样暴晒试验数据修正挂样点所在网格及邻近网格的金属腐蚀速率；最后参照GB/T 19292.1-2018 进行金属腐蚀等级划分，按照网格的金属腐蚀等级采用不同的颜色进行渲染，并对网格进行平滑处理，剔除网格的棱角，绘制得到金属腐蚀等级分布图。

图1 金属大气腐蚀分布图绘制流程

5 结语

为有效提升金属腐蚀分布图的精度和准确性，本文提出一种基于剂量-响应函数的电网设备金属材料大气腐蚀分布图绘制方法，采用高精度的网格化气象数据，并考虑腐蚀介质扩散过程绘制腐蚀介质分布图，进而依据剂量-响应函数计算金属腐蚀速率，通过金属腐蚀实测数据进行局部修正，得到金属腐蚀分布图。所提的绘制方法相比于传统的空间插值法，绘制得到的分布图精度更高，对海岸线及工业污染源附近的腐蚀分布情况预测更准确，更符合实际情况，能够为电网设备的防腐设计、选型选材和运行维护提供准确的数据支撑。