李辛庚 國網山東省電力公司電力科學研究院首席專家

    為了使相關科技工作者了解目前輸變電工程中腐蝕防護的一些關鍵問題，利于探索電網防腐新技術、新材料的未來創新方向，記者特邀請到國網山東省電力公司電力科學研究院李辛庚教授做相關方面的精彩解讀。

    李辛庚，國網山東省電力公司電力科學研究院首席專家，國家電網公司電工新材料技術實驗室（山東）負責人、國網公司電網金屬材料腐蝕與防護科技攻關團隊帶頭人、中國腐蝕與防護學會企業分會副主任委員，多次榮獲省部級科技獎勵。

    近20 年來，我國電網建設獲得了高速發展。尤其是在特高壓輸變電技術方面取得的重大突破，則代表了現代輸變電工程的主要發展方向。電網覆蓋區域的擴大，超大容量、特高參數和超長距離輸電線路的產生，并與電網基本功能屬性要求相伴隨而來的是對工程安全保障提出了更高要求。輸變電設備的腐蝕防護則是電網安全保障的重要技術環節之一。

    由于我國幅員遼闊、環境復雜多變等不利因素，為做好電網設備的腐蝕防護帶來了諸多不利條件，加大了環境腐蝕問題研究的廣度和深度，為新型防護技術開發與應用提出了更高要求。為了使相關科技工作者了解目前輸變電工程中腐蝕防護的一些關鍵問題，利于探索電網防腐新技術、新材料的未來創新方向，記者特邀請到國網山東省電力公司電力科學研究院李辛庚教授做相關方面的精彩解讀。

    李辛庚，國網山東省電力公司電力科學研究院首席專家，國家電網公司電工新材料技術實驗室（山東）負責人、國網公司電網金屬材料腐蝕與防護科技攻關團隊帶頭人、中國腐蝕與防護學會企業分會副主任委員，多次榮獲省部級科技獎勵。

    電網構件的腐蝕與防護是電網安全的重要保障

    近年來，隨著經濟社會快速發展，電網規模不斷擴大，電網設備數量不斷增加。目前由于設備設計缺陷、制造成本制約、運維手段落后等因素的制約，電網設備還存在著使用壽命短和相關聯設備使用壽命匹配性不高等問題，制約了輸變電工程質量和電網經營效益的提高。腐蝕破壞給輸電線路的安全可靠性和使用壽命造成潛在的威脅，受到了世界各國輸電行業的高度重視。美國電力科學研究院（EPRI）和加拿大電力技術研究機構（如 Power Tech Lab 等）把輸電網的腐蝕評估、控制與防護等腐蝕管理問題列為輸電網管理的重要研究課題，我國也正在對輸電線路的腐蝕評估和防護等問題展開全面研究，并取得了一定進展。

    我國已是世界第二大經濟體，每年投入建設的輸變電工程數量龐大。由于輸變電工程構件的服役特征和應用環境的特性，主要構件幾乎全部涉及環境腐蝕與防護問題。不合理的防腐材料選擇或引導不但不能取得理想的防腐效果，還會造成巨大的資源浪費。據了解，目前國家電網公司對輸變電工程主要一次設備使用壽命要求達到 40 年以上，主要二次設備使用壽命要求達到 20 年以上。就目前我國的輸變電設備的腐蝕防護技術水平來說，還不能在工程初建時的設備制造和安裝中一次性滿足這些要求，需要在運行中加以多次維護。這不但增加了電網運維成本，還降低了設備運行安全水平。

    李教授表示，對于長期工作在自然環境中的輸變電工程來說，需要重點加以防腐保護的典型構件主要有鋼結構（桿塔、支撐構架）、導體與連接（接續）金具、設備箱體、開關中的接觸部件、有機外絕緣部件、基礎、接地系統等。從腐蝕機理來看，這些部件除受到自然環境的作用之外，還受到電網構件本身服役特性的影響。上世紀 90 年代之前，電網行業對于構件的腐蝕防護并不十分重視。在 2000 年之后，由于輸變電工程建設規模的迅速擴大，電壓等級和輸電容量的大幅度提升，社會對電網安全等級也提出了更高要求；大量輸變電設備建在偏遠地區和環境腐蝕性的變化等因素影響使得電網構件材料的平均自然環境腐蝕明顯加速，腐蝕失效相關的事故比例上升、用于防腐維護投入顯著升高等原因使得腐蝕防護技術開始受到業內的高度重視。“重視電網行業研究，開發、運用新型長效防腐技術，確保電網長期安全運行，降低日常運行中用于防腐維護的成本。這些是必然趨勢，也是必行之路。”李教授強調說。

    我國目前所采取的防腐措施雖然取得了明顯的效果，但對整個輸變電工程的腐蝕管理和控制問題，李教授認為關鍵應做好以下幾個方面。

    1、鋼構件的腐蝕與防護

    從重量來說，在電網構件中，用量最大的是鋼結構，主要是桿塔和支撐構架。大體估算我國每年用于電網建設的新增鋼構件總重量約為百萬噸量級，這類構件幾乎全部使用熱鍍鋅來防腐。

    近 200 年的使用經驗表明，熱鍍鋅鋼在大氣自然環境中具有優秀的 “廣譜”防腐性能，至今仍然可以找到使用 80 年以上仍然保持良好狀態的熱鍍鋅鋼構件。熱鍍鋅具有加工成本低，易于大規模高效率生產，性價比高等優點，特別是對超大尺寸工件具有其它工藝難以比擬的優勢。熱鍍鋅的另一個技術優勢是具有創傷自愈合修復性能。從工廠生產后運到現場，再到安裝完成的過程中，難免出現磕磕碰碰給涂層帶來的損傷。對劃痕類缺陷， 由于熱鍍鋅的犧牲陽極特性，可以使劃傷部位在經過一段時間之后鋅涂層會自我修復，損傷部位不會出現明顯的腐蝕。油漆涂料類，或者是鋅含量較低的富鋅涂層卻不具有這個特性。

    熱鍍鋅的主要問題是在生產過程中產生的污染排放很難徹底治理。隨著國家環保政策的趣緊，熱鍍鋅工業的生產和發展受到相當嚴格的限制。預計不久的將來，本土的熱鍍鋅制品會明顯減少。從建設綠色電網的企業愿景來看，尋找熱鍍鋅替代技術，以減少熱鍍鋅鋼構件在輸變電工程中的用量占比，已經成為目前相當緊迫的技術開發任務。

    從用戶角度來看，世界范圍內的腐蝕數據統計表明，在自然大氣環境中熱鍍鋅的平均腐蝕速率約為0.2-2.0m/a。以國家標準中規定的鋼構件鍍鋅厚度大于 85m 計算，凡是滿足標準要求的熱鍍鋅構件至少有 40 年以上的使用壽命，無需加以維護。但是，近 10 年在電網行業的輸變電工程中的普查結果卻顯示，最長有效周期約為 30 年，平均首次維護的周期僅有 10 年。造成目前熱鍍鋅鋼構件防腐周期顯著縮短的主要原因，除質量控制不當之外，還有環境變化的影響，節點（焊縫、緊固連接、與異種材料的接觸部位等）集中腐蝕等問題沒有得到較好解決；涂層選擇和防腐設計不當也是目前較為突出的問題，這是指在有些地區（如重酸雨地區）選擇熱鍍鋅防腐未必合適。

    在實際工程中，因腐蝕導致的構件失效形式主要是集中腐蝕，多由節點局部腐蝕引起。換句話說，就是結構的大部分沒有問題，而節點的強烈、快速的腐蝕損壞之后，不得不做局部甚至是整體更換。在沿海地區的潮差、浪濺區也多出現這種情況。

    統計顯示，輸變電鋼構件防腐維護成本約占全部防腐投入的 50%，約相當于鋼構件全壽命周期成本的 50%。特別是投入運行較短時間后就需要進行防腐維護、維修、甚至更換部件，導致電網運營維護成本明顯增加，安全可靠性降低。在人煙稀少或極端困難地區，易造成維護的缺失使防護涂層失效，導致材料的快速腐蝕，桿塔構件強度降低，抵御大風、冰災、舞動等附加載荷的能力下降，易造成倒塔事故。

    腐蝕與防護科技工作者一般注重材料本身或防護涂層性能的提高，實驗室中的多數研究工作，注重提高材料的耐腐蝕性能，評價方法也對針對于標準板型試樣，很少關注具體部件。但針對于實際構件（包括形狀、服役狀態等）在實驗室中快速評價方法的開發和研究，著力解決實際構件的具體腐蝕問題，對工程需求更為重要。

    發展熱鍍鋅替代技術，有以下幾個有望實用化的發展方向。

    第一是發展免涂裝防腐技術。某些鋼構件材料，其本身就具有較好的氧化膜穩定特性，大氣腐蝕速率較低，可以直接在大氣中使用，如耐候鋼。即使是普通碳鋼，在干燥和較為潔凈的大氣環境中，其腐蝕速率約為 0.02mm ～ 0.03mm/a，如無涂裝直接使用 40 年，僅需增大 1 ~ 2mm的厚度設計余量（雙面）。從當前鋼材價格來看，增加這個厚度的成本也低于熱鍍鋅的加工費用。這種免涂裝腐蝕防護設計的可行性，主要取決于開發早期快速穩定化技術和節點等局部防腐處理技術的解決。此外，在配電網等級中采用有機復合材料（玻璃鋼）電桿、新型高強水泥電桿替代鋼管電桿的工作也已經取得了一定的進展。

    第二個是開發適于現場涂裝的新型高性能涂層材料來替代熱鍍鋅涂層。待設備安裝完畢之后，再以現場涂裝方式對鋼構件做防腐處理，也是未來替代熱鍍鋅的一個重要方向。目前市場上在售的具有優秀防腐性能的各類涂料產品很多，但在多數現場條件下卻不能很好地利用，主要問題是這些涂料的涂裝工藝對底面處理要求較高，一般都要達到St2.5 級以上，這在現場很難做到。涂層質量的控制與保證也是不能實現現場規模化涂裝的主要障礙。因此，降低涂料對底面處理潔凈度的要求，開發適于現場大規模施工的工藝技術，降低涂裝成本等，是涂料替代熱鍍鋅的重要研究方向。低表面處理涂料成為目前的研究熱點也是基于這一方面的需求。

    第三是防腐設計問題。目前，在電網行業的輸變電設計規范中，所包含的防腐條款較少，一般都是泛泛地列出“應采用熱鍍鋅防腐處理”等較少條款，引用執行國家或行業標準來控制熱鍍鋅質量，通常不對防腐做針對性設計或特殊要求。這在多數情況下是有效的。在少數環境優良地區可以達到40年以上的防腐壽命要求，但在重腐蝕地區，如高溫高濕、重工業酸雨地區等卻不能滿足要求， 有效壽命過短，一般不會超過 10 年。這說明，即使是鋼構件，初建時的防腐設計，應依照環境腐蝕性的評估結果采取針對性設計，選擇可以達到全壽命防腐周期的有效技術手段，不能“一鍍了之”。

    具備實現對工程地環境腐蝕性快速、準確的評估技術和具體備選材料在工程地址的腐蝕數據，是實現針對性防腐設計的前提條件。目前我國在這方面所具備的數據空缺較大。依照 ISO9223標準中取環境質量（溫濕度、硫分、鹽分等）參數對大氣環境腐蝕性的評估結果需要大量的試驗和數據收集工作，一般很難做到。具體材料的腐蝕數據則需要開展暴露試驗或經年運行以后才能獲得；采用國家有關自然環境腐蝕的標準暴露數據，則與具體工程材料的實際需求差異過大：一是我國國土面積太大，試驗站太少，所獲數據的站點位置與工程地址距離太遠，數據相關性較低。特別是對于具有百公里甚至千公里距離的窄長輸電線路通道，較難獲得全面的有效數據；二是環境變化與數據獲得周期的差異，即數據所獲時間段和材料種類與工程建設時間的環境和材料不能相符，即數據獲得周期與環境變化和材料種類的更新速度不能相匹配。

    第四是在役鋼構件腐蝕防護管理方面的問題。在鋼構件腐蝕安全保障方面，電網企業目前采用的方法是依據人工巡線檢查的結果和經驗，判斷構件熱鍍鋅或涂層還是否有效， 是否出現了明顯腐蝕現象，來決定是否實施防腐維護（一般是刷涂富鋅涂料）。由于缺乏對在役涂層狀態的評價技術標準和手段，人為判斷所得結論不能準確反映防腐涂層的工作狀態，往往出現“過維護”或“欠維護”。“過維護”則造成巨大浪費，或“欠維護”則給設備留下了防腐安全隱患。

    因此，開發適于工程現場的腐蝕安全狀態評價方法，制定評價技術規范是實現有效管理的基礎。在這兩個方面目前都非常欠缺。

    2、導體構件的腐蝕與防護

    輸變電工程中導體部件是實現電力輸送的關鍵部件。主要有架空導線（地線）、接續金具、開關觸頭、管母線、母排、 電纜等。 另外還應包括接地網 （極）和在大氣環境中工作的測量設備。

    （1）架空導線的大氣腐蝕

    架空導線的導體部分由純鋁或鋁合金單絲絞制而成，長期通過 10kV 至1000kV 電壓的百安級電流，承受架設拉應力和環境附加應力，額定工作溫度一般為 60℃～ 75℃，極限情況下有超過100℃的短期工作溫度（高溫合金導線的極限工作溫度可達到 200℃以上）。受自然環境條件（風、雨、冰、雪）等附加載荷的影響，處于“永動”的循環復雜應力狀態。它的腐蝕行為較為復雜，大體是由應力腐蝕、電化學腐蝕、微動磨損腐蝕等多種腐蝕現象交叉、復合作用的結果，目前的研究還不深入，機理和影響因素不清。

    架空導線的腐蝕是非常值得腐蝕科技工作者深入研究的問題之一。一是目前對于鋁型材的腐蝕機理研究還沒有一個令人信服的結論，尤其是鋁型材在大氣中易出現點蝕和集中腐蝕問題的解釋；二是關于鋁型材表面鈍化膜的破壞與不能自修復的機制，導線表面普遍存在的“鋁灰”成分的不確定性是一個佐證；三是在電場、溫升和機械載荷聯合作用下，形變鋁的大氣腐蝕行為問題。

    在工程方面，經常采用的方法有防腐油脂（涂抹、預絞制）、合金化等，但效果都不太理想。開發適合于絞線的腐蝕防護技術，是一個難度較高的題目。在考慮解決導線腐蝕問題的同時，主要顧及到不能對導線本身的電導率和散熱性能帶來負面影響。

    由于強電的原因，導線表面附近區域不可避免地存在電暈現象，它對腐蝕具有很強的加速作用，是在實驗室中難以模擬的腐蝕影響因素之一。此外，連接金具與導線之間的電位差形成的電化學腐蝕、節點連接應力腐蝕等在實際工程失效案例中占有一定比例。

    架空地線的失效主要因環境腐蝕所致，選型設計之初也考慮了這部分余量，在一般干燥潔凈地區滿足 40 年以上的服役壽命要求，但在重腐蝕環境下因腐蝕而導致壽命明顯縮短， 甚至短于10年。

    架空地線目前采用的材料有鍍鋅鋼絞線、鋁包鋼絞線、鋁包（骨架）光纖復合架空地線（OPGW），在重腐蝕環境地區的腐蝕失效較為嚴重。主要原因是架空地線在局部著雷之后造成架空地線表面的燒傷，和通過系統故障、雷擊大電流通過之后地線表面防護涂層的大范圍過熱，會引起抗腐蝕性能的顯著下降。高張力架設的 OPGW 等包覆鋁線材易出現縱向開裂與加工狀態、應力腐蝕等有關。另外，由于架空地線的位置與導線距離較近，腐蝕與電場影響是否有關目前還不清楚。

    （2）接續金具和導電排

    耐張接續金具是導線與絕緣子連接的部件，通常采用的形式是套管壓接。導線與鋁套管之間連接面的電遷移腐蝕是引起金具異常溫升和早期松弛失效的主要原因之一。采用合金化方式雖然可以提高抗高溫松弛性能，但是，在電流作用下鋁合金第二相的形成和長大，對連接部位的導電性能及安全會帶來負面影響，不能從根本上解決這一問題。強烈的電暈也是加速接續金具腐蝕損傷的重要影響因素。

    電氣設備中大量使用的導電母排，由于與其他異種材料部件的連接，以及受到安裝工藝因素的影響，尤其是在直流場合，不可避免地出現電偶腐蝕。

    （3）接地材料

    埋設在土壤中的接地網（極）材料腐蝕與防護是目前關于電網部件材料腐蝕研究較多的問題，但至目前還沒有得到很好的解決。

    在接地方面使用較多的材料有鍍鋅鋼、純銅、銅包鋼、鋁包鋼等。運行經驗表明，純銅是用作接地體材料最為理想的材料，可靠壽命超過 60 年。但由于國家土壤環境質量環保方面的要求，大量使用銅材料埋入地中已經受到相當嚴格的限制。

    由于成本原因，鍍鋅鋼仍然是目前使用最多的接地材料。對我國接地事故和接地運行狀況的調查中發現，鍍鋅鋼接地網保持完好（或輕微腐蝕）的時間周期平均不超過 6 年，因腐蝕嚴重導致更換的平均時間約為 15 年。對實際構件和失效樣品的分析結果表明，用作接地的鍍鋅層腐蝕速率與普通低碳鋼的腐蝕速率非常接近，也就是說，在土壤中鍍鋅層的防腐效果并不明顯。

    銅包鋼是作為純銅的低成本替代材料，在我國電力系統也具有了超過 10年的運行經驗，初建材料成本可比純銅降低 30%。主要問題在于包覆層和焊接接頭質量保證中不能存在明顯的缺陷，否則銅與鋼組成腐蝕電偶，心部的鋼成為犧牲陽極，腐蝕消耗很快。它的使用也會受到環保方面的限制。

    接地體的作用是向大地泄除電網中的故障電流、雷擊電流、系統中存在的雜散電流等，還為供電系統提供零電位。由于腐蝕導致的接地網失效可引發電網重大事故，現代電網系統對于接地網的可靠性能要求很高，接地網的腐蝕是威脅電網安全的重要因素之一。接地網的焊接接頭、土壤與地面空氣界面區、埋設不均處、使用降阻劑等都會加劇接地網的局部腐蝕。交流輸變電工程對接地體的要求，是能夠耐受千安級短時沖擊電流后而不發生明顯的性能改變；在直流輸變電系統中，接地網還有承擔單極運行時的工作極任務，在這種情況下，會有幾千安培直流電流通過接地網泄入大地，且時間較長，因此，電解腐蝕是直流系統接地網的主要問題。

    接地網材料的腐蝕與孤立的土壤暴露腐蝕差異較大。由于接地網的土壤腐蝕問題有其特殊性，輸變電工程行業非常需要形成專門用于接地材料土壤腐蝕性能的可靠評價試驗方法和數據用于接地網設計。

    為了提高接地材料在土壤中的耐腐蝕性能，國內開發了一些防腐導電涂料，但目前還沒有能夠通過電流沖擊試驗的導電防腐涂料產品出現。采用碳（石墨）材、導電水泥等非金屬類的導電接地模塊等作為接地材料埋入土壤之中，可以實現部分替代銅材料，但從電力系統的固有屬性方面來看還是存在一些弊端，如跨步電壓較高、易水解、抗沖擊能力差等。

    （3）電接觸材料

    電接觸部件的腐蝕問題主要是指表面鍍膜在工作中出現的失效。為了降低開關、線夾等部件與其它導體之間的接觸電阻，經常使用銀、錫、鉛及其合金等軟基良導體材料鍍膜，在開關過程中所產生的電弧會引起膜層的損傷。這些膜層除了有電遷移腐蝕之外，在含硫、酸雨等腐蝕性介質的大氣中易出現快速硫化問題，使接觸電阻升高，導通性能下降。采用合金化或添加顆粒物增強等方法，是提高這類膜層性能的主要研究方向。

    3、絕緣部件的老化與防護

    輸變電工程中大量使用了由有機材料制造的合成絕緣子，其結構一般由高分子聚合物、橡膠類材料的傘裙護套、玻璃鋼芯棒、金屬材料制作的端部連接金具三部分組成。傘裙護套材料中使用最多的是硅橡膠，近年來為了防止鳥啄損傷還開發了硬度較高的環氧類復合傘裙。

    硅橡膠材料具有良好的憎水性和憎水遷移性，與電瓷、玻璃絕緣子相比，復合絕緣子具有絕緣強度高、抗污（濕）閃性能好，重量輕，運行安裝方便等優點。在大氣環境中，復合絕緣子受日光照射、溫度和濕度的循環作用、表面放電作用以及機械應力作用等影響下，硅橡膠材料逐漸老化，出現傘裙變硬、龜裂、粉化、蝕損、憎水性下降等特征。我國的運行經驗表明，性能出現明顯衰退的時間大約在 15 年左右。室溫硫化硅橡膠防污閃涂料（RTV），是為了解決用于需要高強度耐張電磁（玻璃）絕緣子串憎水性能低，易發生污閃問題而開發的產品，現已被廣泛使用，在上世紀 90 年代后的一段時期中，為降低污閃事故發生概率發揮了顯著作用。但在使用中發現，在光照較強地區，這種涂料的憎水性能衰退周期很短，一般不超過 5 年時間就需要復涂。這些問題都屬于高分子材料的老化問題，需要重視。

    由于硅橡膠類絕緣材料存在的一些問題，目前正在開展其它類高分子絕緣材料使用的可能性試驗研究，并在進一步提高材料耐環境老化、獲得超憎水性等方面取得了一定的進展。新型絕緣材料產品的開發周期都很長，這一問題的主要難點在于材料性能指標非常復雜，例如在電力行業標準《絕緣子用常溫固化硅橡膠防污閃涂料》（DL/T627-2012）中的規定指標多達22項， 這對于材料科技工作者來說，很難在新材料開發中全部顧及。因而，研究外絕緣材料的本征要求和關鍵影響因素，分辨其中的關鍵和獨立指標；在提高耐環境老化、機械性能的同時，必須保證電氣絕緣性能的諸多要求，是目前研究中的一個難點。

    此外，開發新的有效、快速的環境老化評價方法也是加快新型絕緣材料開發的一個重要方面。這是因為在電網工程中，評價絕緣材料的耐老化性能時，一般是參照 IEC 62217 2005/FDIS 標準推薦的加速老化試驗方法，在試驗過程中同時加入電壓、濕熱、紫外、鹽霧、振動疲勞等多個老化因素，連續試驗 5000h后考察材料性能的變化。這種試驗耗時過長，工程實用性不強，使一種新型絕緣材料的開發周期變得過分漫長。

    未來電網設備防腐技術的發展關鍵在于創新

    李教授表示，近年來，國家電網公司加強基建設計和運維技術管理方面，積極推進“兩型一化”變電站和“兩型三新”線路建設，積極應用新技術、新材料，減少工程建設對自然環境的影響，并積極推行項目建設、運行、報廢的全壽命周期管理，其核心內容之一是實現全壽命周期成本（LCC）的最小化。腐蝕防護技術是這些要求的重要組成部分之一。采用新型防腐材料和防腐技術，大幅度提高電網部件材料的防腐性能，延長使用壽命或維護周期，以合理成本實現輸變電鋼構件全壽命周期免防腐維護，是當前防腐技術開發的熱點問題之一，也是建設“堅強智能電網”的重要需求。從電網工程運行狀態所反映出的實際腐蝕問題來看，做好電網設備腐蝕防護的關鍵，是掌握電網構件的服役特征，重點解決評價（環境、材料）、關鍵節點、關鍵部件的防腐技術，做出針對具體工程的有效防腐設計。在解決上述要求的技術之后，再給出相對完整和專業的工業防腐技術標準體系，是實現工程應用的基礎。

    后記：

    電網已經為人類供應了大約四分之一的終端能源，成為現代能源體系的重要組成部分，電力在終端能源消費結構中的比例已經成為一個國家發達程度的標志之一。做好電力工業的腐蝕與防護是推動國家經濟發展的保障！

    人物簡介

    李辛庚，材料學博士，教授／高工，國網山東省電力公司電力科學研究院首席專家，“電網材料腐蝕與防護技術實驗室”技術負責人和國網公司電網金屬材料腐蝕與防護科技公關團隊帶頭人。山東大學合作博士生導師，享受國務院特殊津貼專家，中國電機工程學會高級會員，中國腐蝕與防護學會企業分會副主任委員，高溫腐蝕專委會委員。多次榮獲省部級的科技獎勵，并榮膺“山東省首批有突出貢獻的中青年專家”。發表論文 40 余篇，獲國家發明專利授權 17 項。