冷喷锌应用在变电站构支架中的可行性研究

摘 要：变电站构支架长期处于露天环境中，大气腐蚀会造成变电站安全运行的隐患。现阶段对于构支架的防腐主要有有机涂层防腐、无机非金属涂层防腐及金属覆盖层防腐。金属锌覆盖层防腐应用更为广泛，其包括热镀锌工艺和冷喷锌工艺。文章通过对比冷喷锌与其他防腐方式，并对全寿命周期成本进行分析，探讨其在变电站构支架防腐中应用的可行性。

关键词：变电站构支架；大气腐蚀；热镀锌；冷喷锌；全寿命周期成本

引言

目前对钢材的防腐主要有有机涂层防腐、无机非金属涂层防腐及金属覆盖层防腐，其中金属覆盖层防腐以锌保护为主，包括热镀锌和冷喷锌。在各种腐蚀条件下，大气腐蚀是造成钢构件腐蚀的主要因素。文章将通过调研及对比分析的方式，探讨冷喷锌在变电站构支架防腐中应用的可行性。

1 大气腐蚀

变电站构支架暴露在外部环境中，属于典型的大气腐蚀。大气腐蚀对金属的危害比其他腐蚀因素更严重，其造成的变电站腐蚀已经成为影响电网安全运行的重大隐患。

影响大气腐蚀的因素可以概括为气候条件、大气腐蚀性组分、表面因素三类。气候条件包括湿度、温度、日照量和降水量等，不同气候条件对腐蚀影响各有利弊；气腐蚀性组分主要以干、湿两种沉降方式传输到材料表面，从而导致电化学腐蚀；表面因素包括腐蚀产物和表面状态，促进了腐蚀的进行。

2 变电站构支架的腐蚀类型

在露天环境中，大气腐蚀对变电站构支架的腐蚀形态很多，大体可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀。

2.1 均匀腐蚀

均匀腐蚀的腐蚀作用是均匀地发生在整个金属表面上，并在平面上逐步地使金属腐蚀并降低其各项性能，一般均匀腐蚀发生时间相对缓慢。

2.2 局部腐蚀

局部腐蚀的程度与变电站周边环境和构支架自身的防腐性能有直接关联。

点蚀是大多数内部腐蚀形态的一种，可以形成大大小小的孔眼，腐蚀疲劳是钢铁在交变应力作用和腐蚀介质的共同作用下产生的腐蚀。

缝隙腐蚀一般发生在处于腐蚀液体中的金属表面或其它屏蔽部位，是一种严重的局部腐蚀。几乎所有的腐蚀性介质，包括淡水，都能引起金属的缝隙腐蚀，根据经验缝隙腐蚀的敏感宽度为0.02-1 mm，最易发生在螺栓等连接部位。

焊缝腐蚀也是构支架容易出现的的一种腐蚀现象，构件除缝隙处易发生集中腐蚀外，在焊缝处的腐蚀问题也比较突出，调查发现焊缝腐蚀基本不扩散，腐蚀集中。常见的构支架腐蚀还有电偶腐蚀、应力腐蚀、镀锌层缺陷腐蚀、涂层缺陷腐蚀、摩擦腐蚀等。

3 变电站构支架常用的防腐方式

目前钢结构常用的防腐蚀方法有有机涂层防腐、无机非金属涂层防腐及金属（锌）覆盖层防腐蚀。

3.1 有机（无机）涂层防腐

有机（无机）涂层防腐是一种常用的钢结构防腐蚀方法，以环氧富锌漆[3]为主，在我国工业与民用建筑工程中应用广泛。由于涂料体系本身防护原理限制，防腐年限一般5～10年，难以满足变电工程50年的使用寿命。期间，维修次数多，维修难度大，维修成本高，且不利于变电站持续工作，影响经济效益。

3.2 金属（锌）覆盖层防腐

锌有很好的耐蚀性能，在空气或pH值6～12的水中长期使用不腐蚀，在海水中的腐蚀速度也较慢。常用的锌防腐方法包括热镀锌和冷喷锌。

3.2.1 热镀锌防腐。热镀锌作为一种传统的防腐方式，分为美钢联法、森吉米尔法、气刀法等，其防腐蚀性能较高，有效解决了涂料防腐体系的使用寿命短等缺点，防腐年限一般可达30年，在变电工程中有广泛应用。但是热镀锌会带来高污染、高能耗，且施工要求比较高，国家已在逐步立法限制热镀锌的发展。

3.2.2 冷喷锌防腐。冷喷锌与热镀锌防腐原理相同，但是其施工要求更低，能耗更低，属于环保材料，特别是在变电站构支架防腐方面，用冷喷锌防腐年限长达30～50年。国内的国家重点工程如国家大剧院、平果二500kV变电站、苏通大桥等，都使用了冷喷锌技术进行防腐，有效地解决了防腐周期短及其他缺陷问题。

4 变电站构支架常用防腐方式技术对比

4.1 涂层防腐防护技术及对比

涂层防腐主要以非金属元素氧化物或金属与非金属元素生成的氧化物为主体构成覆盖层进行防腐。目前，涂层防腐材料以环氧富锌漆为主，包括无机富锌漆和有机富锌漆，涂料中的锌粉可起到与热浸镀锌层类似的阴极保护作用。但是，涂层防腐存在以下问题：（1）防腐年限短；（2）施工要求高，施工周期长；（3）维修难度大，成本高，兼容性差；（4）具有一定污染，经济效益较低。

4.2 金属（锌）覆盖层腐蚀防护技术及对比

4.2.1 热镀锌工艺。热镀锌工艺，就是把金属构件表面经过预处理后全浸入熔融金属溶液，熔融金属与构件表面结合形成金属覆盖层达到防腐目的。热镀锌金属工艺一般分为溶剂法和氧化还原法（森吉米尔法），溶剂法又分为湿法和干法。溶剂干法可以使金属覆盖层和基层良好结合，但存在以下问题：（1）预处理过程产生污染，涂层易脱落；（2）高温加工后易变形；（3）构件尺寸受限制；（4）施工要求高，兼容性差；（5）能耗高，施工周期较长。

4.2.2 冷喷锌工艺。冷喷锌工艺近年来发展极为迅速，其属于一种涂膜镀锌。冷喷锌的干膜金属锌含量可高达96%以上，由超细锌粉、有机树脂和挥发性溶剂组成，以涂装方式把锌粉镀覆在基体材料表面上达到防腐目的。其保护原理类似电镀锌，具有主动阴极保护和屏障保护双重作用。

冷喷锌的工艺流程：钢材前处理―焊缝及转角预涂锌层―冷喷锌2道―喷涂金属封闭漆一道―检查涂装质量―交付验收―现场安装―破损修补锌层―整体或局部喷涂金属封闭漆一道。相比于热镀锌及富锌涂料，冷喷锌有如下特点和优势：（1）锌粉纯度高，结合能力好；（2）孔隙率低，耐酸雨；（3）表面处理要求低，只需达到GB8923-88 Sa2.5级标准；（4）施工方便，周期短，兼容性好；（5）环保，符合BS6920英国标准；（6）维修成本低，经济效益好。

4.2.3 冷喷锌技术的应用与推广。国外生产冷喷锌的企业，如比利时的Zinga、日本的ROVAL、美国的ZRC、德国的WURTH等都成功将冷喷锌工艺应用于钢结构防腐，近年来，国内相关冷喷锌的企业以锌盾科技公司为首，将冷喷锌技术进行推广应用，冷喷锌技术具有节能、环保、施工方便、经济效益高等优点，能够很好地贯彻“两型一化”变电站设计理念，具有广阔的应用前景。

5 变电站构支架防腐经济性对比分析

目前，国际上普遍采用全寿命周期成本（Life Cycle Cost-LCC）来评价工程设计的合理性，LCC系指一个系统或设备在全寿命周期内，为购置它和维持其正常运行所需支付的全部费用，包括设计、研究开发、制造、使用、维修和保障直至报废所需的费用之和。

相比于其他防腐方式，冷喷锌防腐在30年内LCC经济效益最好，而其对环境无污染，施工便捷，防腐性能更好，故更具应用前景。

同样，对冷喷锌与热镀锌的防腐进可以通过LCC分析其经济性指标，具体见表1。

由表1可知，冷喷锌防腐方案的初期投入比热镀锌多，但是后期的维修投入很少，综合考虑冷喷锌的防腐性能更好，更经济。

6 变电站构支架腐蚀情况现场调研

传统的镀锌管件在管体上留有通气孔，这会加剧腐蚀。现普遍采用的是封堵的方式，阻断腐蚀条件，热镀锌主要应用于输变电钢构件的防腐，工艺成熟，镀锌层的厚度、韧性和表面状态都能控制。在空气洁净地区镀锌层能维持30年以上，而在大气腐蚀严重的环境中腐蚀很快，10年内就能完全腐蚀。

（1）热镀锌处理。220kV佟圩变电站位于连云港临港产业区内，于2010年投运，构支架均为热镀锌构件。通过调研发现，部分变电站构支架已出现不同程度的腐蚀。

佟圩变电站周边环境相对清洁，但是变电站构支架还是出现了一定的腐蚀，以大气腐蚀为主。管件表面出现部分腐蚀，节点连接处，由于缝隙或孔洞也已经部分锈蚀，法兰连接处螺栓也产生一定的锈蚀。主要原因包括施工产生的缺陷，也与热镀锌材料自身防腐性能有关。

（2）冷喷锌处理。锦屏-苏南800kV直流输电工程是目前世界上电压最高的直流输电工程。其位于安宁河断陷河谷西岸，采用冷喷锌技术对钢结构部分进行防腐处理。

现场调研发现，钢构支架基本没有出现腐蚀，节点连接处喷锌层良好，也没有出现皱邹或断裂，法兰连接处螺栓锌层完好。只有极少部分出现腐蚀，主要由于施工操作不当造成。总体来说，该主流输电站采用冷喷锌防腐效果很好。

7 结束语

环氧富锌涂料和热镀锌作为传统的防腐方法可以对变电站构支架进行一定的防腐，前者防腐年限短，施工要求高，且维修次数和成本高，对环境有一定的污染；后者防腐年限相对较长，但是工艺复杂，施工周期长，且对环境污染较大，经济效益稍好。而冷喷锌作为环保方法材料，其综合了富锌涂料和热镀锌的优势，施工要求低，周期短，防腐年限长，耐酸雨等多种恶劣环境，LCC效益最高。今后，随着可持续发展战略的继续推进，冷喷锌技术将会有更好的应用前景。

参考文献

[1]陈传新，程超，等.变电工程钢结构防腐蚀方法选择[J].电力建设，2009，30（10）：20-22.

[2]黄聪，钟华洁.海滨电厂空间钢结构的防腐[J].电力建设，2000，7：59-61.

[3]游运通，冯汉民.自干型氟碳改性环氧富锌涂料在电力铁塔上的应用[J].涂料与应用，2007，37（2）：24-25.