01 導讀  

近期小編觀察發現國網、南網科技項目中均涉及耐候鋼在輸變電工程中的應用，特此在學術數據庫中查找最先研究這項技術的論文，發現較早應用研究的就是我們國網基建部的領導，并在2016年就已經開始推廣應用，特轉發此論文，供大家學習參考：

1國網關于耐候鋼應用項目

2南網關于耐候鋼應用項目

貴州院成功中標耐候鋼輸電鐵塔綜合性能研究科技項目    2019年6月19日，中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司成功中標貴州電科院 2019 年第一批科技項目集中招標——耐候鋼輸電鐵塔綜合性能研究科技項目。該科技項目的成功中標，標志著耐候鋼這種綠色、高強產品在貴州電網乃至整個南網范圍內的推廣使用又邁進了一步。

耐候鋼簡介

定義|耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼系列，耐候鋼由普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素而成，不改變冶煉方法，不改變鋼材機械性能，材料生產簡便，應用便利。

特點|具有優質鋼的強韌、塑延、成型、焊割、磨蝕、高溫、抗疲勞等特性；同時，與熱浸鋅鋼材相比，它具有良好的耐銹性，構件抗腐蝕延壽、減薄降耗，省工節能等特點，能夠有效地減少環境污染，加快制造流程，減少轉運次數，節約造價。

用途|耐候鋼主要用于鐵道、車輛、橋梁等長期暴露在大氣中使用的鋼結構，以及集裝箱、鐵道車輛、石油井架、海港建筑、采油平臺及化工石油設備中含硫化氫腐蝕介質的容器等結構件，在輸電鐵塔中卻鮮有使用。如若在輸電鐵塔中應用成功，可省去其在惡劣環境中的涂裝維護費用，同時減少熱鍍鋅等環節對環境的污染，是符合鋼鐵綠色發展的環保產品。

該科技項目的研究目標為：自合同簽訂之日起，至2020年9月，通過對耐候鋼的耐候性、耐蝕性、力學性能、連接性能和生產加工特性等方面開展研究測試，驗證耐候鋼鐵塔的綜合性能，最終使耐候角鋼替代傳統鍍鋅角鋼作為輸電鐵塔材料。

具體包括：

（1）現有輸電鐵塔銹蝕機理與原因分析；（2）自保護氧化層對鋼材強度和穩定性的影響研究；（3）耐候鋼連接措施研究；（4）耐候鋼輸電鐵塔加工制造工藝要求研究；（5）耐候鋼輸電鐵塔真型試驗；（6）全壽命周期內耐候鋼鐵塔經濟性分析研究。

耐候鋼輸電鐵塔綜合性能研究科技項目的成功實施，將進一步提升我公司綜合科研能力，同時對推動我國耐候鋼輸電鐵塔和耐候鋼的發展起到了積極的促進作用。

論文摘要        

輸電鐵塔耐候鋼在不同大氣環境下的腐蝕行為  

作者：葛兆軍1，張強1，黃耀2，韓軍科2

（1. 國家電網公司，北京100031；2. 中國電力科學研究院，北京100192）    

摘要：為推廣耐候鋼在輸電桿塔中的應用，試制了輸電鐵塔用高強高韌型耐候鋼。該型鋼具有優異的力學性能：屈服強度高達510 MPa， 抗拉強度達568 MPa， 總伸長率大于27.5%， -40 ℃低溫沖擊功在89~176 J。采用SEM、XRD、EIS 等手段綜合評價了輸電鐵塔耐候鋼在4 個不同地方的耐腐蝕性能， 研究了耐候鋼在不同大氣環境中的腐蝕行為及其耐蝕機理。結果表明：輸電鐵塔耐候鋼銹層電阻隨暴曬時間增加而逐漸增大，銹層腐蝕產物主要由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4及一些非晶態腐蝕產物組成。河北曹妃甸地區耐候鋼保護性銹層最穩定，輸電鐵塔耐候鋼適合在河北曹妃甸、北京良鄉和福建永泰地區使用， 暫不適合在福建平潭地區使用。

關鍵詞： 輸電鐵塔； 耐候鋼； 銹層電阻； 腐蝕產物

概述  

中國輸電線路長期暴露在大氣中， 塔材腐蝕較為嚴重， 雖然采用鍍鋅鋼能緩解大氣腐蝕危害，但存在鍍鋅成本高、鍍鋅工藝污染環境和鍍鋅鐵塔后期需維護等問題， 因此亟須尋找新型防腐材料替代鍍鋅鋼。美國、日本、德國等在20 世紀60 年代已將耐候鋼應用到輸電鐵塔中。美國曾于1961 年將無噴涂型耐候鋼材用于馬塞諸塞州Pittsfield 近郊輸電線路的鋼管桿上。1962 年， 在賓夕法尼亞的Brookville 建成2 座輸電鐵塔， 其后弗吉尼亞電力公司在一條560 km 長的輸電線路鐵塔中全部使用了耐候鋼。這些線路已經投運50 年以上， 目前運行狀況良好。日本也曾于1975 年在77 kV 雙回路角鋼試驗塔中應用SMA 系列耐候鋼， 最大角鋼規格為L150×15， 該塔于10 年后拆除并進行了耐腐蝕性能和機械性能試驗。2000年， 日本還在33 kV 雙回路鋼管塔中應用SMA 系列耐候鋼， 最大鋼管規格為D139.8×3.5， 最大角鋼規格為L130×10， 連接螺栓均采用熱鍍鋅防腐。運行結果顯示， 在工業大氣、海洋大氣和酸雨環境中， 耐候鋼的耐蝕性能均優于普通碳鋼， 但耐候鋼構件的接頭和基礎連接等節點處的腐蝕較為明顯。維蒙特工業有限公司在1998—2013 年為美國100 多條輸電線路工程供應了A871 耐候鋼輸電桿塔。耐候鋼輸電線鐵塔在美國取得了較為廣泛的應用。

耐候鋼在中國的輸電鐵塔方面的應用研究較少。中國電力科學研究院在2006—2007 年采用濟鋼JT 系列耐候鋼完成了單片耐腐蝕性能和焊接性能試驗， 但受冶金質量的影響試樣的耐腐蝕性能未能達到預期效果。2009 年， 中國電力科學研究院完成了耐候冷彎角鋼鐵塔在廈門220 kV 梧侶—內官線路的試點應用， 為耐候鋼板材的工程應用基本解決了材料供應、冷彎加工等環節的主要技術問題。但輸電鐵塔耐候鋼均采用噴鋅工藝進行防腐， 未裸露使用， 在使用三四年后， 底部存在繡液流掛嚴重等問題， 且非裸露使用， 阻礙了耐候鋼表面銹層的穩定化形成過程。為進一步提高中國輸電線路的節能環保性，推廣耐候鋼在輸電線路的應用， 開展新型耐候鋼在中國典型地區的大氣暴露試驗， 對新型耐候鋼的耐腐蝕性能進行綜合評價， 對提高中國電網防腐技術水平和提高輸電線路安全性具有重要意義。

1 實驗材料及方法  

傳統耐候鋼和新型耐候鋼的化學成分如表1所示。

傳統耐候鋼主要采用添加Cu、P、Cr 和Ni等抗腐蝕性元素進行耐候設計， 而新型耐候鋼主要采用低碳低磷微合金化的成分設計思路。新型耐候鋼在不降低耐候性能的同時， 可以顯著提高鋼的強度（Nb 微合金化彌補C 降低引起鋼強度下降）和韌性（低P 和低S 成分可以顯著提高鋼的韌性）。在2250 生產線上試制了2 卷Q420 耐候鋼，試制軋制參數控制如表2 所示。

試制后的耐候鋼為6.0 mm 厚的板材， 將板材冷彎成L90×6 規格角鋼， 用角鋼搭建成1.2 m 高的電力鐵塔模型， 分別放置于河北曹妃甸（北方海洋大氣）、北京良鄉（北方鄉村大氣）、福建平潭（南方沿海環境） 和福建永泰梧桐（南方鄉村大氣）4 處。需要對出廠的耐候鋼進行力學性能（GB/T228—2002）、沖擊性能（GB/T 1591—2008）和彎曲性能（GB/T 232—2010） 指標檢驗， 檢驗合格才可制成小型電力鐵塔。對暴露的新型耐候鋼電力塔架， 分別在第3、6、9 和15 個月時采用人工鋸切的方式在電力鐵塔的頂部和底部進行取樣， 采用掃描電鏡（SEM）、電化學裝置（EIS）和X 射線衍射儀（XRD）對耐候鋼的抗大氣腐蝕行為進行綜合分析評估。銹層形貌分析過程為：在電力鐵塔上切取金相試樣， 用5%（體積分數）濃度的硝酸酒精進行超聲波清洗， 以ZEISS ULTRA 55 場發射掃描電鏡觀察銹層表面和截面形貌。

電化學分析過程為：采用4 通道的METEK 儀器設備， 典型三電極系統進行電化學分析。鉑片作為對電極， 飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，帶銹鋼基體為工作電極。分別測量樣品的極化曲線和交流阻抗譜。在0.5%（質量分數）NaCl 水溶液中分別測試極化曲線（掃描速度為5 mV/min）和交流阻抗（振幅為10 mV， 頻率范圍10-2~106 Hz）。銹層成分分析過程為：對從電力塔架頂部和底部銹刮下來的銹層粉末， 采用X 射線衍射儀（XRD）進行物相分析， 2θ 的范圍是10°~60°， 掃描速度為2.0°/min， 靶材為銅靶， ZnO 作為內標物， ZnO 與腐蝕產物的質量比為3∶7， 以此測出腐蝕產物中α-FeOOH， β-FeOOH， γ-FeOOH 以及Fe3O4的相對質量分數。

2 實驗結果

2.1 力學性能    

傳統耐候鋼的力學性能指標分別為：屈服強度345~450 MPa， 抗拉強度390~510 MPa， 總伸長率在20%~28%， -40 ℃沖擊功≤30 J。新型耐候鋼力學性能檢測結果如表3 所示， 不同位置的板材彎曲性能合格， 從力學性能指標來看， 新型耐候鋼板具有優越的高強高韌性能。

2.2 銹層形貌觀察    

輸電鐵塔服役場所特征的不同， 使得輸電鐵塔不同位置不同結構的耐候鋼材料腐蝕存在一致性差異， 也存在銹層穩定化周期長短不一的情況。為了解輸電鐵塔不同位置材料的一致性， 利用掃描電鏡觀察河北曹妃甸地區耐候鋼頂部和底部的截面銹層， 發現頂部和頂部的截面銹層有差異，經統計分析發現， 15 個月后， 河北曹妃甸地區耐候鋼頂部銹層的厚度約為337 μm， 底部銹層厚度約為381 μm， 說明輸電鐵塔底部的腐蝕速率稍快于頂部區域， 具體截面形貌如圖1 所示。

分析頂部與底部兩者的差異在44 μm， 這種差異率會隨著暴曬時間的延長而逐漸減少， 在耐候鋼鐵塔關鍵設計中， 會預留毫米級的腐蝕厚度， 因此， 耐候鋼不同位置不同結構微米級的腐蝕差異對輸電鐵塔耐候鋼的通用性不會造成工程上的使用困難。觀察四地塔架銹層微觀形貌， 發現不同地域銹層形貌幾乎相同， 都是由條狀、球狀不同形貌的銹顆粒組成， 不同形貌的銹可填充銹層之間的縫隙，使銹層更加致密， 對水有一定的隔絕作用。

2.3 電化學測試    

為了分析輸電鐵塔不同部位耐腐蝕效果的差異， 對取自不同地區的塔頂和底部的試樣采用電化學工作站分別進行極化曲線和交流阻抗測試。電化學交流阻抗譜的數據用ZSimpwin 軟件擬合，擬合電路如圖2 所示。

其中， Rs為電解液的電阻；Rr為銹層電阻；Cr為銹層與體系溶液構成的電容；Cd為鋼基體與深入銹層的電解液構成的電容；Rt為鋼基體溶解反應的電荷傳遞電阻；Rw為Warburg 阻抗。電化學測試結果如圖3 所示。

由圖3 可知，輸電鐵塔腐蝕在良鄉、曹妃甸和永泰， 在暴曬3個月、6 個月、9 個月和15 個月取樣進行電化學分析， 發現頂部耐候鋼輸電鐵塔頂部的銹層電阻都大于底部的銹層電阻， 表明頂部的銹層要比底部更加致密， 這是因為頂部位置受陽光、雨水的侵蝕更加充分和均勻， 因此均勻化腐蝕可以提高耐候鋼耐蝕性能。良鄉和平潭耐候鋼銹層電阻值差別較小， 這是因為兩地的腐蝕環境較為和緩，腐蝕程度較小， 形成的銹層的差別也較小。平潭地區在前期（3~6 個月）， 底部電阻大于頂部電阻，在后期（9~15 個月）， 頂部電阻大于底部電阻， 底部電阻出現了下降趨勢， 說明穩定銹層在逐漸被破壞。15 個月時， 曹妃甸地區的耐候鋼電阻為40~55 Ω， 平潭地區耐候鋼電阻為10~23 Ω， 良鄉地區耐候鋼電阻為13~17 Ω， 永泰耐候鋼電阻為9~11 Ω， 從電阻的變化趨勢， 可以看出不同地區環境對電力鐵塔耐候鋼的腐蝕變化行為。

3 分析及討論

3.1 環境特征分析    

耐候鋼的腐蝕主要與大氣環境有關， 影響大氣腐蝕的因素主要為氣候因素和環境污染因素。河北曹妃甸、北京良鄉、福建平潭和福建永泰梧桐4 處的氣候特征如圖4 所示。

2014 年6 月—2015 年12 月， 良鄉和曹妃甸變化較為接近， 最低溫度都在0 ℃及以下， 最高月平均溫度在25~28 ℃；福建平潭和永泰兩地的溫度較高， 最低溫度都在0 ℃以上， 月平均最低溫度為10~15 ℃， 月平均最高溫度為27~30 ℃。一般而言， 較高的溫度有加速腐蝕的影響。表面銹層的濕潤時間是長期的大氣腐蝕的最重要的影響因素， 影響銹層濕潤的所有環境因素都對長期的大氣腐蝕有影響。對四地的相對濕度統計如圖5 所示。

可以看出， 良鄉的相對濕度最低， 氣候較為干燥， 曹妃甸比良鄉略微濕潤， 而平潭和永泰的濕度最高， 平潭因為處于海邊， 濕度比永泰略高。濕度較高會導致腐蝕更為嚴重?？諝庵械腟O2會加速鋼基體的腐蝕， 鋼的腐蝕速率和大氣中的SO2的濃度幾乎呈直線關系，隨著相對濕度的增加， SO2的腐蝕促進作用更為明顯。

由圖6 可以看出， 曹妃甸地區的SO2濃度最高（高達80 μg/m3）， 其次為良鄉地區（35~70 μg/m3）， 而福建兩地相對較低（4~7 μg/m3）。

3.2 銹層物相分析    

利用X 射線衍射儀對銹層粉末的分析結果如圖7 所示， 四地銹層主要由Fe3O4、α-FeOOH 和γ-FeOOH 組成。除了曹妃甸和平潭的銹層中含有少量的β-FeOOH， 其余兩地都沒有明顯的β-FeOOH 的衍射峰出現。為了分析暴曬時間和大氣環境對耐候鋼腐蝕性能的影響，表4 列出了四地耐候鋼暴曬6 個月和15 個月時的銹層成分中α-FeOOH 和γ-FeOOH的檢測結果以及兩者的相對含量的比值α/γ。有研究表明， 在大氣環境中暴曬5~10 年后α/γ 的值約為1， 當暴曬時間超過10 年α/γ 的值大于2，并且α/γ 的值隨暴曬時間的延長呈線性增加， α/γ越大耐候鋼的穩定性和保護性能越好。暴曬15 個月后， 曹妃甸、良鄉、永泰和平潭地方耐候鋼α/γ 比值均小于1， 說明各地暴露的耐候鋼鐵塔均未達到穩定狀態。

3.3 討論    

耐候鋼銹層的生成是一個循序漸進的復雜過程。在大氣腐蝕初始階段， Fe 溶解生成Fe2+， 水解成FeOH+， 隨后在空氣中氧化沉淀生成活性γ-FeOOH， 隨著干濕交替進行， γ-FeOOH 逐漸溶解沉淀生成非晶態羥基氧化鐵FeOx（OH）3-2x或α-FeOOH。銹層在轉變過程中， 非晶態羥基氧化鐵FeOx（OH）3-2x中含有相當數量的結合水。宏觀上， 結合水能促進銹層顆粒之間的凝聚， 且當大氣干濕交替或溫度變化時， 可對銹層間的顆粒體積變化其緩沖作用， 避免產生裂紋；微觀上，結合水可以促進活性γ-FeOOH 向非晶態羥基氧化鐵和α-FeOOH 轉變， 修補銹層孔洞和縫隙。

考慮到銹層保護性系數λ 需要較長的暴曬時間才能準確反映銹層穩定程度， 因此，主要考慮α-FeOOH 和γ-FeOOH 銹層的總體含量來評判耐候鋼在不同地區的保護銹層生成情況。由表4 可知， 隨時間延長， 四地的α-FeOOH 和γ-FeOOH 含量均有所升高， 僅是增加的程度有區別， 具體表現為： 腐蝕環境溫和地區（北京良鄉、河北曹妃甸）的α-FeOOH 和γ-FeOOH 含量增加較多， 其α+γ 總含量由6 個月時的7.97%和8.78%增加至13.61%和13.08%（15 個月時）， 而永泰α+γ 總含量增加偏少， 由8.31%增加至11.82%， 但是平潭地區， α+γ 總含量出現減少的趨勢， 說明平潭地區的耐候鋼的保護性銹層生成并不理想。當暴曬15 個月時， 永泰和平潭地區的α-FeOOH含量依然偏低， 而曹妃甸含量最高， 其次為良鄉地區， 這說明就保護性的銹層來說， 曹妃甸地區銹層保護性好于良鄉地區， 良鄉地區好于永泰地區， 平潭銹層保護性最差?；钚缘?gamma;-FeOOH 含量隨著時間、地點的變化表明， 良鄉和曹妃甸地區保護性銹層含量逐漸升高， 隨著時間的延長， 耐候鋼可以逐漸生成穩定、保護性良好的致密銹層。

曹妃甸地區的耐候鋼銹層腐蝕速率較快， 形成穩定化銹層較為理想， 這主要由曹妃甸地區工業大氣環境和近北方海洋環境決定的。曹妃甸地區的SO2濃度最高， 最高可達80 μg/m3， 耐候鋼受SO2和Cl-雙重腐蝕作用。在SO2大氣環境下，潮濕SO2常常降低水的pH 值， 使銹層潮濕， 溶解最初的腐蝕產物γ-FeOOH， 并且促使γ-FeOOH 向非晶態羥基氧化鐵和α-FeOOH 轉變。因為近海環境， Cl-會促進耐候鋼生成中間產物β-FeOOH， 在與鐵接觸條件下的β-FeOOH 會被還原成Fe3O4，加速耐候鋼腐蝕。而福建平潭地區的腐蝕主要是Cl-腐蝕， 且含量偏高， 研究表明， 溶解的Fe2+和大量的Cl - 是β-FeOOH 產生的必要條件，β-FeOOH 含量增多， 會破壞耐候鋼銹層結構， 降低耐候鋼耐蝕性能， 因此， 平潭地區耐候鋼的α/γ 和α+γ 含量偏低主要受南方海洋環境Cl-含量偏高影響， 穩定保護銹層不易生成。良鄉和永泰地區的環境特征為鄉村大氣環境， 耐候鋼的腐蝕主要受溫度、濕度和CO2影響， 經物相分析表明，鄉村大氣環境腐蝕產物主要為α-FeOOH、γ-FeOOH 和Fe3O4， 且γ-FeOOH 和Fe3O4含量偏高， 由大氣腐蝕速度與金屬表面上水膜層厚度變化規律可知， 永泰地區相對溫度和濕度高于北京良鄉地區， 耐候鋼腐蝕速率稍微偏高， 因此，暴曬至15 個月時， 永泰耐候鋼銹層α/γ 值（0.44）高于北京良鄉地區（0.35）。

4 結論 

（1） 銹層腐蝕產物主要由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4及一些非晶態腐蝕產物（（FeOx（OH）3-2x， x=0~1））組成。其中， 曹妃甸和平潭地區耐候鋼銹層有β-FeOOH。

（2） 暴曬15 個月后， 曹妃甸、良鄉、永泰和平潭地方耐候鋼α/γ 比值分別為0.82、0.35、0.44和0.56， 其中， 曹妃甸、良鄉和永泰地區的α+γ含量均在9.86 以上， 而福建平潭地區的α+γ 平均含量下降至6.4， 耐候鋼輸電鐵塔適合在北方鄉村（良鄉和永泰）和工業大氣環境（曹妃甸）使用。

附：相關應用情況

安徽首條220千伏耐候鋼鐵塔線路啟動送電    

2019年7月11日，安徽阜陽500千伏阜三（原鹿）變220千伏配套工程第二條線路，220千伏阜白線路送電成功，這是安徽地區第一個大量使用耐候鋼鐵塔成功送電的220千伏輸電線路。    耐候鋼鐵塔與鍍鋅鐵塔相比，耐候鋼表面高度氧化，塔材電阻大、導電性能差，故鐵塔組立后，每一基鐵塔需裝設四根專用接地線沿鐵塔四根主材引接至基礎接地線，與大地形成良好的防雷接地通道。    

該工程全線單、雙回路混合架設，新建桿塔100基，其中耐候鋼鐵塔66基，合計新建220千伏線路路徑全長27.375km，線路沿途經過阜南縣張寨鎮、焦坡鎮、黃崗鎮、柳溝鎮、田集鎮、鹿城鎮、阜南經濟開發區。涉及220千伏呂白線、220千伏邢白線在220千伏白果變側構架進線間隔調整，拆除舊塔8基。

該線路工程于2018年9月3日基礎工程正式開工，截至送電投產，歷時312天。該線路工程投運后將進一步優化阜陽電網結構，提高電網輸電能力和供電可靠性，滿足阜陽電網迎峰度夏用電負荷增長需求。