海南电网变电站金属架构防护涂层的使用情况

杨大宁，赵书彦，符传福，刘福春，陈林聪，韩恩厚

（1.海南电力技术研究院，海口570100；2.中国科学院金属研究所核用结构材料与安全性评价重点实验室，沈阳110016）



海南电网变电站金属架构防护涂层的使用情况

杨大宁1，赵书彦2，符传福1，刘福春2，陈林聪1，韩恩厚2

（1.海南电力技术研究院，海口570100；2.中国科学院金属研究所核用结构材料与安全性评价重点实验室，沈阳110016）

摘 要：对海南省17个城区33所变电站内设施腐蚀的情况进行了现场考察，调研在海南高温、高湿、高盐条件下，变电站设施金属腐蚀及防护涂层失效的原因，并归纳了现有涂层存在的缺陷，以期为研究适合海南环境中的新型防腐蚀涂料提供依据。结果表明：不同气候环境中变电站设施腐蚀程度不同，现用防腐蚀涂层的腐蚀类型有全面腐蚀和局部腐蚀。

关键词：电网涂层失效；变电站；钢架构；腐蚀；特殊环境

在电力系统中，区域性变电站不仅是变换电压、分配电能、控制电力流向以及调整电压的电力设施，它还是电网中联系各级电压的重要节点。变电站站内设备的运行状态和可靠性，直接影响电网的安全稳定。相关调研表明［1］，我国的电力系统经常遭遇各种极端自然灾害的破坏，其中影响较大的有台风、雷电、污秽、冰灾等，这些自然灾害不仅引发电网设备的故障，并且电网设备长期在这种环境中极易发生腐蚀，引起金属架构材料的失效，金属构件腐蚀会降低设备的可靠性，产生安全隐患。实践表明，有多起变电站故障与腐蚀有关，比如西海滩变电站和潭门变电站变压器散热器因腐蚀穿孔漏油，不得不停电更换；部分变电站端子箱因腐蚀锈蚀脱落造成密封不严致使箱内潮湿，易引起设备误动；户外刀闸传动杆和齿轮盘等部件的锈蚀造成操作机构卡涩、合闸不到位等等。

海南省年平均气温在25℃左右，平均相对湿度大于85%［2］，年降雨量1 639 mm，空气含盐酸雨总量为370～450 mm［3］，具有代表性的“高温、高湿、高盐”大气腐蚀环境。在这种环境中，保证电网金属架构的安全运行十分重要。

目前针对大气环境中的电网设备腐蚀的研究很多［4-11］。正常情况下，处于大气腐蚀环境中的设备，发生腐蚀多与运行年限长短相关，运行时间越长腐蚀越严重。但在大量的变电站检查中发现，很多设备构件在较短时间内就发生严重腐蚀。本工作主要针对海南“高温、高湿、高盐”环境中具有代表性的变电站中的现有防护涂层进行调查，从中发现并解决金属腐蚀问题。

1 各变电站的基本信息

调研了33个具有代表性的变电站，分布于海南的各个市区，以海口为起点沿着海南东线、西线和中线三线开展。海南东线指的是文昌、琼海、万宁、陵水一带，这里阳光充足、雨水丰富；海南西线是指乐东、东方、昌江、儋州、临高，这里自然条件比较恶劣；海南中线是以五指山市为中心，包括保亭、琼中、屯昌等县，海拔相对较高。表1是根据相关气象资料查到的变电站的部分信息。33座变电站中220 k V变电站4座，110 k V变电站18座，35 k V变电站11座。根据GB/T 19292-2004《金属和合金的腐蚀》，结合变电站金属材料腐蚀的特性及现场具体情况，将所有变电站及其设备、材料的腐蚀情况分为没有腐蚀、轻微腐蚀、较重腐蚀和严重腐蚀4个等级。结果发现，33座变电站中遭受严重腐蚀的变电站有3座、较重腐蚀的有10座、轻微腐蚀的20座，多座变电站近期做过防腐蚀处理，整体腐蚀现象不是很严重。

2 分析表征方法

涂层的厚度依据国家标准GB/T 13452.2-2008，采用美国DeFelsko公司Positector6000系列测厚仪测试。涂层的光泽依据国家标准GB/T 9754-2007，采用德国BYK-Cardner公司微型60°光泽仪测试。涂层微观形貌采用ESEM（ESEM XL30 FEG）环境扫描电镜，同时采用ESEM所携带的附件EDS来分析涂层中元素的种类、含量。腐蚀产物XRD成分分析采用DMAX/2400 X射线衍射仪（Rigaku Denki）。

3 结果与讨论

3.1 现场涂层情况

表1　各变电站年均降雨量、平均温湿度及腐蚀程度Tab.1 The average annual rainfall，average temperature and humidity，corrosion level of substations

图1　涂层和玻璃纤维布复合防腐蚀方法Fig.1 Resin and fiberglass cloth combinated anti-corrosion method

图2为玉州站、兴隆站、官塘站、新北站4座变电站现场涂层表面缺陷形貌。可以看出，涂层较薄且无法覆盖基体，使基体很容易发生腐蚀，见图2（a）；涂层有橘皮现象，见图2（b）；涂层有针孔，见图2（c）；涂层表面不均一、产生花似开裂形貌，见图2（d）。产生涂层缺陷的原因很多，如施工人员的施工质量、环境因素、喷枪距离、喷涂压力等因素。测试发现涂层的厚度为20～400μm，厚度不均匀，施工质量相对较差。应该严格按照厂家的施工工艺进行施工，避免涂层因施工造成的涂层缺陷，引发基体的腐蚀问题。

图2　4座变电站现场涂层缺陷形貌Fig.2 Morphology of coating defects in 4 substation：（a）Yuzhou substation；（b）Xinglong substation；（c）Guantang substation；（d）Xinbei substation

多座变电站中涂层存在与基体附着力差的问题，这些基体材料主要为镀锌钢、铝合金和不锈钢等。这些涂层几乎都是近期施工的，但是涂层脱落比较严重，见图3。造成涂层脱落的主要原因是基体前处理不当或者是涂层选择不当。

图3　涂层脱落情况Fig.3 Coating exfoliating

图4　4种代表性涂层的截面形貌Fig.4 Cross morphology of 4 kinds of typical coatings：（a）single-coating；（b）double-coating；（c）triple-coating；（d）multi-coating

图4为现场采集的四种具有代表性的涂层的截面形貌。采用EDS方法用全谱和点测试，测得涂层中元素的种类，并根据经验同时结合颜填料的形貌推测涂层中可能含有的主要颜填料，见表2。

3.2 现场腐蚀情况

本次调研通过对海南33个现运行变电站涂层进行实际调查，基本符合金属构件常见的腐蚀形式［6，12-16］，即涂层剥落引起的基体全面腐蚀和局部腐蚀（包括缝隙腐蚀和焊缝腐蚀）。

表2　现场4种涂层的厚度和EDS分析结果Tab.2 Thickness and EDS analysis of 4 kinds of active coatings

3.2.1全面腐蚀

调查发现，各变电站构架防腐蚀措施大都采用有机涂料。各变电站构架最普遍的腐蚀破坏方式是有机涂层开裂，与钢构架基体脱离，使得暴露在空气中的基体发生全面腐蚀。其中海口的和东线城市变电站的腐蚀情况较为严重，这是因为这些城区年均降雨量较多。腐蚀最严重的是海口西海滩220 k V变电站，该变电站1号主变中性点刀闸保护层大面积开裂、剥落，断裂面成撕裂状，腐蚀产物呈红褐色，且颜色比较鲜艳，见图5（a），说明腐蚀产物生成不久，构件正处于腐蚀过程中；其次为文昌东路变电站，其腐蚀产物相对较暗，见图5（b），说明腐蚀产物生成时间比较长。上述变电站中基体都是钢结构，还有部分为镀锌钢的架构。构件涂层出现开裂脱落现象后，局部涂层与镀锌钢构件脱开，使得镀锌钢基体直接暴露在大气环境中而发生腐蚀，腐蚀产物为锌的腐蚀产物“白锈”，说明腐蚀产物在空气中暴露时间较长。

图5　由涂层开裂剥落引起的腐蚀Fig.5 Corrosion caused by coating cracking and exfoliating：（a）Xihaitan substation；（b）Donglu substation

造成涂层开裂、剥落的原因是涂层与基体的附着力差，分析是涂层涂装前基体处理方法不当或处理不彻底、旧涂层老化等所致。为了避免这种腐蚀的发生，施工前基体处理应尽量彻底，遵循“早发现、早处理、早修补”的原则，避免腐蚀的扩大化。

结合中英建筑工程管理专业培养方案比较研究的结果来看，我国建筑工程管理专业教育在许多方面仍旧存在一定的不足，对此，可以从以下几个方面入手做出改革：

涂层在太阳光照射下容易产生粉化，原因是涂层中有机成分老化降解，颜料从涂层中慢慢析出，表现为涂层表面有粉末状物质析出，用手轻轻擦拭，掉下白色粉末，见图6。海南省平均日照时间长，温度高，涂层很容易产生粉化现象。现场涂层的光泽测试显示，涂层的光泽在1～40之间，属于低光涂层，老化后涂层光泽在1～10之间，用手擦拭，掉下很多白色粉末，依据标准GB/T1766-2008《色漆和清漆涂层老化评级方法》评级属于严重粉化等级。随着老化时间的延长，涂层部分脱落，基体开始被腐蚀，表现为涂层起皮或脱落，部分构件保护层发生点蚀。腐蚀是由太阳光照射、温度和雨水的反复作用导致的。

图6　涂层老化照片Fig.6 Photograph of coating aging

3.2.2缝隙腐蚀

调查发现，在金属表面与垫片、垫圈、衬板、表面沉积物等接触的地方以及搭接缝、金属重叠处等区域，涂层没有覆盖，通常发生缝隙腐蚀［17-21］。一般认为缝隙腐蚀是由于缝隙内外氧浓度差引起的，由于缝隙内部贫氧，氧的还原反应主要在缝隙外部的金属表面上进行，缝隙内部金属溶解产生了过多的正离子（Mn+），为了维持电离子平衡，雨水中Cl-等有害离子从外部迁入缝内，从而加速了金属的溶解速率，形成一个自催化过程。如图7（a）两种基体搭接处，涂层未覆盖处，容易发生缝隙腐蚀；而在有涂层的情况下，如图7（b），因为海南省全年雨量丰富，雨水在缝隙中存留的时间较长，如果涂层的抗水渗透性能差，也容易发生缝隙腐蚀，缝隙腐蚀现象在每个变电站内都会出现，只是腐蚀程度不同。

防止缝隙腐蚀的措施主要有：选择耐缝隙腐蚀的材料；进行合理的防蚀设计；采用电化学保护方法和添加缓蚀剂。

3.2.3焊缝腐蚀

变电站在建设过程中离不开焊接技术，焊接过程中产生的一系列变化，会影响焊接件的腐蚀特性。焊接过程中由于熔化而导致焊缝切面上金属成分和显微结构的微小差别，引起这些不同区域之间电化学电位产生差异，从而使得惰性最小的元素优先溶解，所以焊缝处的腐蚀问题也比较突出，焊缝腐蚀现象广泛存在。焊缝部位因为焊接组织的变化涂层在此处的附着强度降低，涂层的剥落引起基体的腐蚀，腐蚀也会加速涂层的开裂和剥落，且腐蚀速率比别的部位快［22-24］。

图7　涂层在缝隙处的腐蚀形貌Fig.7 Corrosion morphology in crevice without（a）and with（b）coating

3.3 变电站金属构架腐蚀机理

本次调查的各变电站基本都处于位置较为偏僻的郊区和乡镇，且所处城市基本没有较大的大气污染源，故工业气体对构架腐蚀的影响较小，构架的腐蚀主要与变电站所处地区的地理气候环境有关。钢架构和镀锌钢构架暴露在大气中，在空气中水蒸气及O2的作用下发生腐蚀，最终的腐蚀产物为铁锈（Fe2O3·H2O）。在干燥空气中，锌镀层具有良好的保护性能，但在沿海等潮湿环境中，锌表面会生成一层氢氧化锌，在二氧化碳作用下生成碱式碳酸锌，俗称＂白锈＂。海南平均相对湿度大于85%，在这种的环境中，变电站内设备很容易发生腐蚀。

腐蚀的实质是基体表面与所处环境中的介质发生化学或电化学作用的结果。钢构支架中锌和铁作为阳极溶解，阳极反应如下：

在水、大气和土壤中都会发生吸氧腐蚀，并且无论酸、碱还是中性介质中也都会有吸氧腐蚀，阴极反应如下：

碱性、中性条件下：

酸性条件下：

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，外层是容易脱落的疏松附着层；内层则附着牢固，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，即锈层内发生Fe3+→Fe2+的还原反应。而当锈层干燥时，锈层中的Fe3O4又被由大气渗入锈层的氧重新氧化为Fe2O3。

从现场采集了几个变电站基体的锈蚀产物，产物外观为发黑的氧化物，用研钵将产物研成粉末，如图8，粉末经X射线衍射分析（XRD）得知产物均为自然生成的Fe3O4，说明不同变电站取样测试后的成分相同，只是强度不同，PDF卡片的卡号为75～1607。

图8　锈蚀产物的XRD分析谱图Fig.8 XRD patterns of corrosion products

4 结论

（1）对17个地区共计33个变电站的防护涂层进行了现场考察，发现海口和东线的文昌、琼海、万宁、陵水的变电站发生了严重的腐蚀，西线和其他东线的变电站腐蚀比较轻微，腐蚀形式都是比较常见的涂层脱落腐蚀、缝隙腐蚀、焊缝腐蚀等。

（2）现场涂层有很多缺陷，施工人员必须严格按照严格的施工工艺、规范操作。

（3）现场采集的涂层样品做SEM测试可知，涂层有单涂层、双涂层、三涂层、多涂层多种形式，厚度范围大，EDS能谱分析显示所用涂层中含有颜填料二氧化钛TiO2，重钙CaCO3、高岭土Al2O3·2SiO2· 2H2O、滑石粉3MgO·4SiO2·H2O、Al浆、Zn粉、氧化铁红Fe2O3、磷酸锌Zn3（PO4）2·（2～4）H2O等成分。

（4）XRD测试可知，虽然各个地区环境略有不同，但变电站基体的锈蚀产物成分相同，均为大气腐蚀产物Fe3O4。

参考文献：

［1］王昊昊，李碧君，徐泰山，等.互联电网应对极端外部灾害的调度防御技术的评述［J］.华东电力，2012，40 （1）：35-40.

［2］王振尧，陈鸿川，于国才.海南省的大气腐蚀性调查［J］.中国腐蚀与防护学报，1996，16（3）：225-229.

［3］李天富.海南岛酸雨分析研究［J］.广东气象，2002，（3）：14-17.

［4］孙心利，高剑峰，董暖.220 k V变电站金属材料腐蚀原因分析［J］.河北电力技术，2009，28（4）：1-2，34.

［5］石鑫跃，陈颖敏，孙心利.220 k V变电站铜材腐蚀原因分析与对策［J］.全面腐蚀控制，2011，12（25）：16-18.

［6］高赞，董庆友，张广平，等.甘肃变电钢构架腐蚀类型调查与分析［J］.腐蚀科学与防护技术，2014，26（1）：95-98.

［7］刘勇，李风雷，刘建秋.变电站户外钢构支架的腐蚀和防护研究［J］.工业建筑，2012（42）：249-251.

［8］陈云，强春媚，王国刚，等.输电铁塔的腐蚀与防护［J］.电力建设，2010，33（8）：55-58.

［9］EMAD S I.Corrosion control in electric power systems［J］.Electric Power Systems Research，1999，52 （1）：9-17.

［10］默增禄，程志云.输电线路杆塔的腐蚀与防治对策［J］.电力建设，2004，25（1）：22-23.

［11］张成涛，刘宗林，唐小辉.输配电铁塔的腐蚀与防护［J］.全面腐蚀控制，1998，12（3）：11-15.

［12］王平，孙心利，马东伟，等.输变电设备大气腐蚀情况调查与分析［J］.腐蚀科学与防护技术，2012，24（6）：525-526.

［13］陈军君，李明，王军，等.变电站金属构件的常见腐蚀形式及解决措施［J］.内蒙古电力技术，2013，31（1）：7-11.

［14］ALBRECHT P，HALL J T T.Atmospheric corrosion resistance of structural steels［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2003（15）：2-24.

［15］梁佶，林书明.钢结构的大气腐蚀模型［J］.空间结构，2004，10（4）：60-63.

［16］梁彩凤，侯文泰.环境因素对钢的大气腐蚀的影响［J］.中国腐蚀与防护学报，1998，18（1）：1-6.

［17］胡骞.缝隙腐蚀的电化学噪声特征及机理研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［18］陈东旭，吴欣强，韩恩厚.缝隙腐蚀研究进展及核电材料的缝隙腐蚀问题［J］.中国腐蚀与防护学报，2014，34（4）：295-299.

［19］SHU H K，FAQEER F M，PICKERING H W.Pitting on the crevice wall prior to crevice corrosion［J］.Electrochimica Acta，2011（56）：1719-1728.

［20］KENNELL G F，EVITTS R W，HEPPNER K L.A critical crevice solution and IR drop crevice corrosion model［J］.Corrosion Science，2008（50）：1716-1725.

［21］FORCE B D，PICKERING H W.A clearer view of how crevice corrosion occurs［J］.Journal Minerals Metals and Materials Society，1995（47）：22-27.

［22］黄安国，王永生，李志远，等.针状铁素体焊缝金属腐蚀行为的研究［J］.材料保护，1999，35（10）：6-8.

［23］黄安国，李志远，余圣甫，等.低合金钢焊缝金属的腐蚀行为［J］.焊接学报，2005，26（11）：31-34.

［24］赖春晓.焊缝腐蚀的原因和解决方法［J］.全面腐蚀控制，2004，18（6）：10.

应用技术

失效分析

Service Conditions of Protective Coatings of Grid Substations in Hainan Province

YANG Da-ning1，ZHAO Shu-yan2，FU Chuan-fu1，LIU Fu-chun2，CHEN Lin-cong1，HAN En-hou2
（1.Hainan Electric Power Research Institute，Haikou 570100，China；2.Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment，Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

Abstract：The corrosion phenomena of 33 substation facilities within 17 cities in Hainan province were analyzed，the failure reasons of coatings and metals in substations in high temperature，high humidity and high salt conditions in Hainan were investigated，and the problems existing in the coatings were summarized.It is found that the levels of corrosion were different in different substations.The corrosion types of the coatings include general corrosion and localized corrosion.The purpose of this research was to provide a basis for the study of new anti-corrosion coatings in Hainan environments.

Key words：power coating failure；grid substation；steel structure；corrosion；special environment

通信作者：刘福春（1966-），研究员，博士，从事纳米复合涂料和防腐蚀涂层，15371861880，fcliu@imr.ac.cn

基金项目：中国南方电网公司科技项目（K-HN2013-001）

收稿日期：2015-03-24

DOI：10.11973/fsyfh-201603014

中图分类号：TG172

文献标志码：B

文章编号：1005-748X（2016）03-0249-06