基于BIM技术的装配式电站导电防腐保护模拟试验及应用

敖翠玲　李栋梁　许颖　张金伟　刘洪雨

摘 要：针对装配式变电站接地网防腐材料防腐效果差，提出一种新型导电防腐涂料的制备。试验结果表明，试验制备的涂层为具备导电性质的导体，总接触电阻约为7.96×10-4 Ω，体积电阻率为0.65 Ω·cm，远小于土壤电阻率100～5 000 Ω·cm。喷涂有导电防腐涂层的Q235碳钢在土壤模拟液中浸泡，经过1 008 h模拟土壤液浸泡，涂层电化学阻抗谱只有较小的变化，涂层阻抗变化随浸泡时间的增加反而更加的稳定， 低频阻抗Z0.01始终高于105 Ω· cm2，涂层电阻始终维持在105 Ω·cm2数量级，并未出现较明显的电阻波动。当浸泡时间超过150 h后，特征频率基本稳定在500 Hz左右，腐蚀电流密度低至0.05 μA/cm2，腐蚀电位提升了约250 mV。在10 mA直流杂散电流和100 V电压强度交流杂散电流腐蚀作用下，涂层均未出现明显的破坏，涂层表面保持着较完整细密的结构，表现出良好的耐腐蚀性能。

关键词：变电站结构；接地网防腐；导电防腐涂料；电化学性能

中图分类号：TQ637 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0094-04

Application of simulated testing for conductive anticorrosion protection in prefabricated substations based on BIM technology

AO Cuiling，LI Dongliang，XU ying，ZHANG Jinwei，LIU Hongyu

（Economic and technological research institute of state grid JiBei electric power Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

Abstract：In response to the poor anti-corrosion effect of anti-corrosion materials for prefabricated substation grounding grids，a new type of conductive anti-corrosion coating is proposed.The test results indicated that the coating prepared in this experiment is a conductor with conductive properties.The total contact resistance was about 7.96 × 10-4 Ω，with a volume resistivity of 0.65 Ω· cm，which was much smaller than the soil resistivity range of 100～5 000 Ω· cm.Q235 carbon steel coated with conductive anti-corrosion coating was immersed in soil simulation solution for 1 008 hours.The electrochemical impedance spectrum of the coating showed only small changes，and the impedance change of the coating became more stable with the increase of immersion time.The low-frequency impedance Z0.01 was always higher than 105 Ω· cm2，and the coating resistance remained at the order of 105 Ω· cm2 without significant resistance fluctuations.After immersion for more than 150 hours，the characteristic frequency was basically stable at around 500 Hz，and the corrosion current density was as low as 0.05  μ A/cm2，the corrosion potential increased by approximately 250 mV.Under the corrosion effect of 10 mA DC stray current and 100 V AC stray current，the coating did not show obvious damage，and the surface of the coating maintained a relatively intact and dense，demonstrating good corrosion resistance.

Key words：substation structure;grounding grid anti-corrosion;conductive anti-corrosion coating;electrochemical performance

接地網作为装配式变电站的重要组成部分，需要长时间在地表下接触腐蚀物质，造成接地电阻升高，腐蚀接地网导体，对电力系统输变电安全生产和运行产生严重的影响。为了解决接地网导体腐蚀问题，部分学者也进行了研究，如以阴极保护原理为基础，设计了可自动调控输出电流，输出电压的自动控制装置对变电站接地网进行防腐，并对其防腐性能进行研究。试验结果表明，该系统保护的变电站导体平均腐蚀速率低至0.362 g/cm，可以有效保护变电站接地网［1］。制备了一种新型电力接地网用导电防腐涂料，通过体积电阻率测试、抗划伤测试和塔菲尔极化曲线测试分析涂层的导电和防腐性能，结果表明该涂料具有优异的防腐、抗划伤和耐雷电冲击性能，可满足电力系统接地网使用要求［2］。通过对钢结构支架进行表面处理达到防腐目的。试验结果表明，设计的防腐技术在实际应用中的防腐效果相对较好，可以在确保涂装厚度在偏差范围内的条件下，使防腐漆面在钢结构构支架上具有较高的附着力，并保证构支架在恶劣条件下具有相对良好的防腐蚀效果［3］。基于此，试验以文献[4]的方法为参考，制备出一种新型导电防腐涂料，为变电站接地网防腐提供新的方法。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：环氧树脂（AR），星辰合成材料；二甲苯（AR），俱辉化工；碳纤维（AR），翎博碳纤维科技；聚合磷酸铝（AR），方与化工；导电石墨粉（AR），昊阳矿产品；固化剂（AR），万青化学科技。

主要设备：LD-2671型数字电阻表龙电电气设备；AJ2571型接地电阻测试仪，安检电气；SU3800型扫描电镜，上多川国际贸易。

1.2 试验原理

一般来说，普通防腐涂层的防腐原理在于，在Q235碳钢表面形成致密的保护层，进而对碳钢进行很好的保护。但在现场施工的过程中，受施工局限性的影响，在喷涂过程中易出现各种不良缺陷，使得防腐效果受到严重的影响。同时，腐蚀介质还能与碳钢发生相应的电化学电极反应，生成强碱性的氢氧根离子破坏涂层与金属的结合界面，使得涂层与基体间出现鼓包，影响其耐腐蚀效果。本试验通过在防腐涂料中添加一定的导电材料，增强了涂层的导电性能，当腐蚀介质进入涂层内部后，反应产生的电子迅速沿涂层扩散，使得氢氧根和氢气在涂料外部发生，避免了鼓包现象。再加上聚磷酸铝生成的聚磷酸根与金属阳离子发生化合反应，产物为可以提升涂层的致密性。

1.3 试验方法

1.3.1 导电防腐涂料的制备

按比例将环氧树脂、二甲苯、碳纤维、聚合磷酸铝和导电石墨粉放入容器中，然后继续放入直径为1 mm的硅酸锆研磨珠，在1 500 r/min的转速条件下搅拌15 min。并通过200目不锈钢网进行过滤，得到导电防腐涂料。

1.3.2 导电防腐涂层的制备

将导电防腐涂料与一定固化剂混合，并通过多功能搅拌机搅拌均匀，然后通过空气喷涂将涂料均匀的喷涂在Q235碳钢上，干燥7 d后继续进行试验。

1.4 性能测试

1.4.1 导电性能测试

1）体积电阻率

制作两端有引线，半径为5 cm，管长为8 cm的导电防腐涂料圆柱体，通过精密度较高的数字表对涂料的导电性能进行测试。

体积电阻率表达式［5-6］：

Pv=R（A／L）（1）

式中：Pv为体积电阻率，Ω·cm；R为电阻，Ω；A为界面剂；L为长度，cm。

2）接触电阻

在两面涂抹导电防腐涂料的碳钢上焊接头引线，然后十字交叉放置2个碳钢贴片，通过精密度较高的数字电阻表对贴片间平均接触电阻进行测试。

单位面积接触电阻表达式［7］：

Pc=R／2S（2）

式中：Pc为表面接触电阻，Ω/cm2；R为实测2个贴片间电阻，Ω；S为接触面积，cm2。

3）接地电阻

通过接地电阻测试仪对碳钢接地电阻进行测试。

1.4.2 土壤腐蚀加速模拟试验

将质量浓度为0.141 g/L氯化钠、0.079 g/L硫酸钠和0.014 g/L碳酸氢钠进行混合，并用醋酸将pH值调至4.5，得到土壤酸性模拟液。通过模拟腐蚀试验样对喷涂有导电防腐涂料的碳钢进行土壤腐蚀加速试验。选择参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为石墨片，以喷涂有导电防腐涂层的碳钢为工作电极，进行电化学试验。

1.4.3 杂散电流腐蚀加速试验

通过直流稳压电源和接触式调压器控制直流和交流杂散电流强度分别为10 mA 和 100 V进行杂散电流腐蚀加速试验，然后用扫描电镜观察腐蚀后的碳钢形貌变化。

1.5 实际工程应用

1.5.1 试验准备

以220 kV 的某变电站护栏改造为研究对象，利用本试验制备的导电防腐涂料进行防腐改造。具体过程为：

（1）按照喷涂总量为钢材总量的1.5%将导电防腐涂料均匀喷涂在Q325的护栏上，然后利用镁合金牺牲阳极保护护栏；

（2）按照相关规程进行保护措施的设置。

1.5.2 施工过程

按照该变电站接地网图纸进行定位放线，之后相关人员检查，确定无不良情况出现后，进行接地体敷设；然后进行双面搭接焊，由相应的监理工程师进行验收后，进行回填施工，最后测试接地电阻。

2 结果与讨论

2.1 导电性能测试

表1为导电防腐涂料导电性能测试结果。

由表1可知，涂层体积电阻率约为0.65  Ω·cm，满足导体定义中体积电阻率小于106  Ω·cm的规定，因此可认定，本试验制备的涂层为具备导电性质的导体［8］。接地网在土壤中的接地体超过10 000  cm2，其总接触电阻约为7.96×10-4 Ω，体积电阻率为0.65   Ω·cm，远小于土壤电阻率范围，表面导电防腐涂层不会对电网系统正常工作产生影响［9-10］。

2.2 土壤腐蚀加速模拟试验结果

2.2.1 加速模拟实验结果

图1为碳钢模拟加速试验结果。

由图1（a）可知，经过1 008 h土壤液浸泡，涂层电化学阻抗谱变化几乎可以忽略不计，即导电防腐涂层在土壤模拟液中表现出较好的稳定性［11-12］。同时，涂层阻抗变化随浸泡时间的增加反而越加的稳定，表现出较好的耐腐蚀性能［13］。由图1（b）可知，喷涂有导电防腐涂层的Q235碳钢在土壤模拟液浸泡过程中，低频阻抗 Z0.01始终高于105   Ω· cm2，表現出较好的防护性能［14］。

2.2.2 涂层电阻变化

图2为涂层电阻变化。

由图2可知，涂层电阻始终维持在105  Ω·cm2数量级，电阻波动并不明显，因此可认定此时导电防腐涂层具备较好的导电和防腐效果［15-16］。

2.2.3 电化学阻抗频率

通过电化学阻抗谱的特征频率 （fb）随时间的变化对涂层防腐效果进行表征，结果如图3所示。

由图3可知，随模拟试验的进行，特征频率受浸泡时间的影响逐渐减小，慢慢的趋于稳定当浸泡时间超过150 h后，特征频率基本稳定在500 Hz左右，明显小于导电防腐涂层失效特征1 400 Hz，表明试验制备的导电防腐涂层表现出良好的耐酸性土壤腐蚀性能［17］。

2.2.4 极化曲线分析

通过对喷涂防腐涂料前后Q235碳钢极化曲线进行分析，进一步表征涂层防腐性能，结果如图4所示。

由图4可知，喷涂有导电防腐涂层的Q235碳钢腐蚀电流密度从5.1 μA/cm2降低至0.05 μA/cm2，腐蚀电位提升了约250 mV左右。这说明本试验制备的导电防腐涂层表现出良好的防腐性能，能有效保护Q325碳钢受酸性土壤的腐蚀［18-19］。

2.3 杂散电流腐蚀结果

通过扫描电镜对杂散电流腐蚀后的Q325钢微观形貌进行观察，进一步表征导电防腐涂层对杂散电流腐蚀的防护效果，在杂散电流腐蚀作用下，涂层表面保持着较完整细密的结构，表明导电防腐涂层在杂散电流腐蚀作用下对变电站接地网碳钢起到了很好的防腐蚀作用［20］。

2.4 BIM模拟

在上述防腐涂层物性基础上，将参数输入到BIM的装配式变电站中，从而实现数字变电站的模拟建设，以此更好的为变电站参数的变化提供参考。

而通过数字化改造后，在部分涂层上，电阻值从原来的1.42  Ω降低至0.25  Ω，跨步电压为221.6  V，接触电压为200.1  V，满足相关标准要求。改造一年后，接地电阻值为0.25  Ω，符合规程要求。通过抽样对接地网进行开挖检查，并未发现接地网基材有腐蚀现象，这就说明本试验制备的导电防腐材料表现出良好的耐腐蚀能力。

3 结语

综上，本试验制备的导电防腐涂料对装配式变电站接地网表现出良好的耐腐蚀能力，可以作为装配式变电站接地网防腐材料使用。

（1）导电防腐涂料用于变电站接地网时，总接触电阻约为7.96×10-4  Ω，体积电阻率为0.65  Ω·cm，远小于土壤电阻率100～5 000  Ω·cm，证明涂层不会对电网系统正常工作产生影响；

（2）经过土壤液浸泡，涂层电化学阻抗谱变化较小，低频阻抗 Z0.01始终高于105  Ω· cm2，涂层电阻始终维持在105  Ω·cm2数量级，并未出现较明显的电阻波动，浸泡时间超过150 h后，特征频率基本稳定在500 Hz左右，腐蚀电流密度降低至0.05   μA/cm2，腐蚀电位提升了约250 mV左右，表明制备的导电防腐涂层在土壤模拟液中表现出较好的稳定性和耐腐蚀性能；

（3）在杂散电流腐蚀作用下，涂层表面结构较为完整细密，耐杂散电流腐蚀性能良好；

（4）将制备的导电防腐涂料用于装配式变电站接地网的改造，电阻值从原来的1.42  Ω降低至0.25  Ω，跨步电压为 221.6  V，接触电压为200.1  V。改造一年后，接地电阻值为0.25  Ω，符合规程要求，耐腐蚀性能良好。

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收稿日期：2023-01-24；修回日期：2023-04-26

作者简介：敖翠玲（1970-），女，高級工程师，研究方向：钢结构、混凝土结构、E-mail：2070183130@qq.com。

基金项目：国家电网科技项目（项目编号：SGTYHT/18-JS-209）。

引文格式：敖翠玲 ，李栋梁，许 颖，等.基于BIM技术的装配式电站导电防腐保护模拟试验及应用[J].粘接，2023，50（6）：94-97.