0 引言

电网输、变、配电设备中大量使用金属材料，在工业污染重、潮湿恶劣环境中服役的金属设备，如果防护不当，材料的腐蚀速度会加快。这些金属部件一旦腐蚀失效就会影响电网设备的正常使用，危及电网的安全运行。因此，金属材料的腐蚀防护对保证电网安全稳定、经济运行尤为重要。

镀锌作为提高钢铁材料耐腐蚀性最经济有效的技术手段之一，广泛应用于电网设备钢铁零部件的腐蚀防护中^[1]。由于恶劣的服役环境以及锌层质量等原因，每年都有大量的镀锌钢铁部件腐蚀失效。本文通过对镀锌钢铁部件的腐蚀失效进行分析，评定腐蚀失效形式，分析腐蚀原因并提出防护措施，为镀锌钢铁部件的运行维护提供依据。

1 镀锌钢铁部件腐蚀失效案例分析 1.1 220 kV输电铁塔塔材腐蚀失效分析

巡检发现某220 kVⅠ回线路的第21号输电铁塔（以下简称Ⅰ-21铁塔）及某220 kVⅢ回线路的第21号输电铁塔（以下简称Ⅲ-21铁塔）的塔脚部位浸泡于腐蚀介质中，塔腿和混凝土基础保护帽损伤严重。输电铁塔均采用热镀锌进行防腐。该线路位于重化工工业园区，紧邻高污染排放的重化工企业，附近土壤、水源及空气长年污染严重。

1.1.1 宏观检查

经宏观检查，Ⅰ-21铁塔腐蚀损伤的可见部位主要为基础保护帽及其上方600 mm范围内的塔材。4只塔脚的混凝土保护帽均有不同程度的开裂、酥化和局部脱落现象，损伤严重。保护帽上方600 mm的塔脚钢板、塔腿角钢主材、斜拉材、连接螺栓和接地线均被腐蚀损伤，腐蚀以麻点状尖锐凹坑形式扩展至相互串连，形成大面积的腐蚀减薄。Ⅲ-21铁塔的腐蚀损伤可见部位主要为基础保护帽及其上方约300 mm范围内的塔材。基础保护帽上方300 mm范围内的塔脚钢板、塔腿角钢主材、斜拉材、连接螺栓和接地线均被严重腐蚀损伤，塔脚钢板和塔腿角钢主材已严重腐蚀减薄，斜拉材已腐蚀至局部缺失，接地扁铁已腐蚀至断裂。斜拉材局部发生严重变形，说明铁塔已存在一定程度地倾斜。

为了评估铁塔钢材腐蚀损伤程度，使用绝对原点数显游标卡尺对各腐蚀铁塔相关规格塔材的尺寸进行测量，结果见表 1所示。

1.1.2 镀锌层检测与分析

为了评估腐蚀铁塔塔材的镀锌层质量，使用MiniTest 740涂层测厚仪（探头FN1.5）对腐蚀最为严重的Ⅲ-21铁塔相关规格塔材的表层镀锌层厚度进行测量，结果如表 2所示。可以看出，塔材主材的镀锌层最小厚度满足要求，但厚度不均匀；斜拉材的镀锌层最小厚度低于标准要求且厚度不均匀；塔脚钢板由于腐蚀损伤严重，其表面镀锌层已全部脱落，无法进行镀锌层测量。

1.1.3 腐蚀介质分析

利用能谱分析技术（EDS）和扫描电子显微镜（SEM）对取自Ⅰ-21铁塔和Ⅲ-21铁塔基础部位的土壤介质进行分析，土壤SEM形貌如图 1所示，土壤各元素质量分数见表 3。由表 3可知，Ⅰ-21铁塔和Ⅲ-21铁塔基础部位的土壤介质中S质量分数高达8%~11%，并含有其他质量分数较高的Pb（铅）、Pd（钯）、Ge（锗）、K（钾）等重金属元素。

自腐蚀损伤铁塔塔脚取样的污水分析结果如表 4所示。可以看出，塔脚污水的酸性很强（pH值为2），硫酸盐质量浓度较高。

1.2 220 kV变电站隔离开关及断路器接线板连接螺栓腐蚀失效分析

某电业局在220 kV变电站巡检过程中，发现站内多个电气设备的连接螺栓出现锈蚀现象，其中2016隔离开关及201断路器接线板连接螺栓锈蚀情况尤为严重。

1.2.1 宏观检查

对腐蚀的2016隔离开关及201断路器接线板连接螺栓进行宏观形貌检查，大部分螺栓表面镀锌层已完全脱落并发生锈蚀，锈蚀部位呈红褐色，此外螺栓外表面局部区域存在白色粉末状腐蚀产物，个别螺栓螺杆直径已经明显变小（如图 2所示）。

1.2.2 镀锌层检测与分析

为了评估接线板连接螺栓的镀锌层质量，使用MiniTest 740涂层测厚仪（探头FN1.5）对部分镀锌层保存较为完好的2016隔离开关及201断路器接线板连接螺栓的镀锌层厚度进行测量，检测结果见表 5。结果表明，连接螺栓的镀锌层平均厚度均在10~ 20 μm，局部区域的最小镀锌层厚度仅为3.6 μm，远低于标准要求的45 μm^[3]。

1.2.3 腐蚀产物分析

为了分析连接螺栓上白色腐蚀产物的成分及其成因，利用SEM及EDS对2016隔离开关连接螺栓表层的白色腐蚀产物进行分析。如图 3所示，白色腐蚀产物呈颗粒状分散在螺栓基底上。经能谱分析，白色腐蚀产物中Al原子分数百分比为41.78%，O原子分数百分比为58.22%。由此可见，白色腐蚀产物为铝的氧化物，应为铝合金接线板腐蚀所致。

2 镀锌金属构件腐蚀原因分析及解决措施 2.1 高硫气氛下镀锌钢塔材腐蚀 2.1.1 原因分析

Ⅰ-21和Ⅲ-21铁塔立于重化工工业园区，经以上分析可知，铁塔周边土壤及大气中S元素质量分数较高。SO₂的溶解过程会产生H⁺，H⁺作为去极化剂参与阴极反应，从而加快镀锌层的腐蚀速度。同时，在大气腐蚀环境中，镀锌层腐蚀会产生碱式碳酸锌致密薄膜，可阻止水分渗入，从而减缓后续腐蚀的发生。然而在S质量分数较高的环境中，碱式碳酸锌薄膜会与SO₂反应生成ZnSO₄，不同于难溶于水的碱式碳酸锌，ZnSO₄是可溶性盐，可被雨水冲走，导致锌层暴露，加快镀锌层腐蚀速度^[4]。当镀锌层全部被腐蚀破坏，塔材开始腐蚀，在高硫气氛下，钢制塔材很快就会腐蚀失效。

2.1.2 解决措施

热镀锌适用于一般大气环境下的防腐，但在高硫的土壤污水环境下，热镀锌层已经不能起到有效的防腐作用。在含硫气氛中，镀锌层的腐蚀速度可达一般大气环境下的6~7倍。

为了解决Ⅰ-21铁塔和Ⅲ-21铁塔腐蚀失效问题，建议将原Ⅰ-21号铁塔和Ⅲ-21号铁塔迁址至S质量分数低的地区，并对新的热镀锌铁塔涂刷涂料进行防腐，体系宜采用30 μm环氧磷酸锌底漆+80 μm环氧云铁中间漆+50 μm丙烯酸聚氨酯面漆^[5]。热浸镀铝具有更好的抗硫化物腐蚀的能力，若无法迁址，建议将原铁塔更换为热浸镀铝铁塔，镀铝层厚度不低于86 μm，并对新塔涂刷涂料进行防腐。

2.2 接线板连接螺栓腐蚀 2.2.1 原因分析

在铝制接线板使用过程中，雨水和雪水渗入螺栓与接线板之间的缝隙中形成电解液环境，由于铝制接线板与螺栓镀锌层异种金属接触，形成腐蚀电偶，发生电偶腐蚀。异种金属发生电偶腐蚀时，两种金属构成宏电池，产生电偶电流，腐蚀电位较低的金属（阳极）溶解速度加快，电位较高的金属（阴极）溶解速度减慢。有研究表明，在盐水和雪水环境下，Zn、Al、Fe的腐蚀电位依次增大。在接线板连接螺栓服役初始时，螺栓镀锌层完好，锌层作为阳极，对铝接线板和螺栓本体能够起到保护作用。但由于螺栓镀锌层厚度（3~20 μm）远低于标准要求（45 μm），镀锌层就会因腐蚀而失去保护作用，裸露的钢制螺栓本体与铝制接线板直接接触，铝制接线板成为阳极对螺栓提供保护，加快了铝制接线板的腐蚀速度，从而在螺栓表面形成大量银白色的氧化铝产物。在异种金属接触条件下，螺栓的镀锌层腐蚀失效不仅会导致螺栓腐蚀，还会由于原电池作用加速铝制接线板的腐蚀。

2.2.2 防范措施

（1）防止腐蚀介质渗入。涂抹防腐蚀油脂可以有效防止雨水、雪水的渗入，可延长连接螺栓与接线板的使用寿命，因此可以在钢芯铝绞线中涂抹防腐油脂，以防由于钢芯镀锌层失效造成的铝绞线腐蚀。

（2）提高镀锌层厚度及附着量。锌作为阳极可有效保护铝接线板和钢制螺栓，在镀锌层完好的情况下，锌层可以先于铝制接线板及钢制螺栓腐蚀，镀锌层的厚度和附着量与其寿命成正比。经研究，镀锌层在重工业地区腐蚀率约为6.4 μm/a，20 μm以下的镀锌层仅能有效防护3~4 a。一般来说，电网设备中的镀锌金属构件要求热镀锌，相对于冷镀锌，热镀锌可以形成更厚的镀锌层，从而能够在更长的时间内对金属构件起到防腐作用。而接线板连接螺栓均采用冷镀锌技术进行防腐，且厚度小于20 μm，其镀锌层很快就会腐蚀消耗，起不到应有的防腐蚀作用。因此，在安装前应对电网设备的接线板连接螺栓镀锌层质量与厚度进行检测和控制，延长其防护时间，提高其服役寿命。

3 结论

（1）镀锌层在S质量分数较高的腐蚀介质中腐蚀速度快，无法起到对基材的保护作用，因此在S质量分数较高的工业大气氛围或者工业园区附近，应定期检查周边镀锌金属构件的镀层，并适当提高其镀层厚度，或换用镀铝层或镀铝锌合金层。

（2）电网设备金属构件一般应使用热镀锌，这是因为热镀锌可以提供更厚的镀层；在安装前应对镀锌构件的镀锌层质量和厚度进行检测和控制，以防由于镀锌层质量及厚度不符合标准引发的腐蚀失效。