广东省电力线路器材厂有限公司 广东广州 510450
摘要：锈蚀现象是输电铁塔服役过程中经常出现的问题。本文结合广东沿海地区的环境特征，对该地区输电铁塔的锈蚀锈蚀机理进行分析，对国内外输电杆塔腐蚀防腐技术进行探究，从而为进一步提高该区域输电铁塔的防锈蚀工作提供一定的参考。
关键词：输电铁塔；锈蚀；沿海地区；防腐技术
1 广东沿海地区环境特征
由于海水的蒸发，沿海地区具有大气相对湿度大且盐分含量高的特点。当降水量大或者湿度较大时容易使铁塔表面积水，并形成较厚的水膜，腐蚀速度会明显加快。根据有关数据统计，广东沿海地区全年相对湿度在 75%左右，其中广州、汕尾、阳江等地相对湿度超过 80%，各地的平均温度大多在21℃左右，日降水量平均200mm左右。
广东沿海地区作为我国改革开放的门户地区，其经济发展速度快，居民人口和工业密集程度高。因此，该类地区的工业生产、城市交通和日常生活所造成的废气排放常常使其面临着严重的空气污染问题。根据统计数据，近年来广东各地SO2的排放量均在0.015 mg/m3以上，佛山地区的SO2排量排量最大，达到0.04mg/m3以上。
我国输电铁塔主材为 16Mn，辅材为 Q235，防腐蚀方式主要采用热镀锌方式。广东沿海地区潮湿多盐的气象因素与工业发展造成的空气污染等环境因素容易加速输电铁塔的腐蚀现象，从而明显缩短该类地区的输电铁塔的耐用年限。
2 输电铁塔锈蚀机理分析
大气锈蚀基本上属于电化学性腐蚀范围，是一种液膜下的电化学腐蚀。由于金属表面上潮湿的大气中吸附了一层很薄的水膜，当水膜达到20～30 分子厚度时，就变成电化学腐蚀所必须的电解膜而产生锈蚀。
一般铁塔使用的基材为碳钢，碳钢是碳含量小于2.11％，并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。因其含有许多不同杂质，各有不同的电位，如果有水汽存在，就会形成锈蚀微电池。铁在潮湿的空气中形成铁碳原电池，发生阳极反应，与氧气和水一起形成氢氧化亚铁。氢氧化亚铁进一步被氧化氢氧化铁，脱水形成锈蚀。反应式如下：
Fe→Fe2+ +2e（1）
2H2O+2e→H2↑+2OH -
或2H2O+O2 +4e→4OH -（2）
Fe2+ +2OH - →Fe（OH）2（3）
4Fe（OH）2 +2H2O+O2 →4Fe（OH）3（4）
2Fe（OH）3 →Fe2O3 ⋅ 3H2O（5）
在沿海地区因为海风中含有盐分，如果盐分沉积在铁塔上，将会增大表面液膜的电导作用，加速了锈蚀过程。其化学反应如下：
Fe+2Cl- →FeCl2 +2e（6）
2H2O+4Na+ +O2 +4e→4NaOH（7）
4FeCl2 +4NaOH+2O2 →2Fe2O3 ⋅ H2O+4NaCl（8）
由于金属锌的电化学反应比铁要活泼，可采用热镀锌方式对输电铁塔进行防锈蚀保护。当水分子覆盖这铁塔上时，锌镀层作为阳极先被腐蚀，从而对铁塔的钢材进行保护。其电化学反应如下：
Zn→Fe2+ +2e（9）
2H2O+2e→H2↑+2OH -
或2H2O+O2 +4e→4OH -（10）
Zn2+ +2OH - →Zn（OH）2（11）
Zn（OH）2 →ZnO+H2O（12）
另一方面，由于工业发展造成的环境污染，使大气中含有一定的SO2成分，也会造成输电铁塔的锈蚀。其锈蚀机理是：一部分SO2在高空中能直接氧化成SO3并溶于水后生成H2SO4，另一部分SO2被吸附在金属表面上与铁起作用生成易溶的FeSO4。FeSO4会进一步氧化并由于水解作用变成H2SO4后侵蚀铁变成Fe2O3•H2O。
3 国内外输电杆塔腐蚀防腐技术
国内外对钢结构或钢构件的防腐蚀处理通常是采用热浸镀锌，锌镀层以它的屏蔽作用和阴极保护作用对钢材进行保护。实践表明，热浸镀锌是一种耐腐蚀性、耐久性佳且经济的防腐蚀方法。然而，对于处于沿海、重工业污染地区的钢结构，传统的热浸镀锌技术难以满足其长效防腐的要求，即无法让钢结构达到设计使用寿命。为了进一步提高热镀锌层的防腐蚀寿命，目前市场上已开发及应用了一些新型合金镀层和高性能防腐涂料。下面对对常用的输电杆塔腐蚀防腐技术进行研究分析。
3.1 热浸镀锌技术
热镀锌作为钢铁覆盖保护材料越来越受到人们的重视。一直以来，人们通过往锌浴中添加合金元素来改善锌的流动性、粘附性等解决热浸镀锌问题，提高镀层抗腐蚀性和镀件成型性，如在锌浴中添加 Al、Ni、Mg、Si、Re 等元素。随着热镀锌产品应用的多样化发展，对其性能提出了更高的要求，为此，开发各种高性能、高适用性的热镀锌合金镀层成为了当务之急。
研究表明添加相关元素特性表现如下：
（1）添加Mg、Al元素：添加Mg 元素可以明显的提升涂层的耐蚀性能，添加 Mg、Al 可以提升热浸锌涂层的微观组织及性能。Zn-Mg-Al 热浸涂层中Mg 元素在 0.5% ～ 2.0% 的含量范围内，Zn-5%Al ～ 1.5%Mg 涂层的耐蚀性能最好，盐雾腐蚀试验结果表明，Zn-Mg-Al 涂层的耐蚀性能要优于纯锌涂层及 Zn-5%Al 涂层。添加Mg 元素在 Al-Zn-Si 热浸涂层的微观形貌表现为：由于在枝晶间形成Mg2Si 和MgZn2相，Al-Zn-Si-xMg（x=0，1.25%，3%，4%）涂层的耐蚀性能大大提升。将 Zn-Mg-Al 涂层的耐蚀能与传统的热浸锌涂层、电镀锌涂层、锌扩散涂层以及 galfan 涂层进行了系统的比较。Zn-Mg-Al涂层的耐蚀性能取决于试验条件和样品结构。在中性盐雾试验中，Zn-Mg-Al 涂层的耐蚀性能要远好于其他传统的涂层。
（2）添加 Si元素和稀土元素：添加稀土元素可以提升 Zn-6Al-3Mg 热浸涂层的晶粒均匀性。添加 Si 元素和稀土元素可以抑制 Zn5（OH）8Cl2•H2O 向 Zn5（OH）6（CO3）2 的分解，增强腐蚀产物的紧实度，抑制晶间及点状腐蚀。Zn-6Al-3Mg-0.1Si-0.1RE 涂层的耐蚀性能优于 Zn-6Al-3Mg 热浸涂层。在锌浴中添加纳米级 TiO2，CeO2-TiO2以及Al2O3-ZrO2的氧化物颗粒可以得到高性能的热浸锌涂层。
（3）添加 Al2O3-ZrO2 混合氧化物：添加 Al2O3-ZrO2 混合氧化物可以得到富铝热浸锌涂层，其摩擦磨损性能很好，并且在腐蚀液中的稳定性也很好。纳米 TiO2 粉可以促进磷化并且提升粘附性。添加有 CeO2-TiO2 的热浸锌涂层具有耐蚀性能好，可以有效阻碍腐蚀介质，良好的防污特性以及光洁的涂层表面等优点。
3.2 热喷涂技术
热喷涂指利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，赋予基体表面特殊功能的目的。可使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减 磨和密封等性能。常用的热喷涂方法包括等离子喷涂、火焰喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂和爆炸喷涂等。
钢铁构件暴露在大气中，要求其保护涂层具有抵抗风雨、阳光或其他恶劣气候的能力。在工业大气环境中，涂层应能抵抗烟尘沉积、酸雨的腐蚀。热喷金属涂层在大气环境中防腐蚀性能较为突出。在大气环境下，特别是在工业大气和海洋大气环境中，热喷涂防腐蚀涂层与涂料封闭的合理结合是保护钢铁结构件的最佳方案之一。
Zn-Al 合金涂层在自然环境中的耐蚀性既接近铝涂层，而电化学性能又与锌相同，因此其对钢的保护效果比单纯的锌、铝涂层更佳。而在涂层成分上可以通过改变 Al 的含量以及加入少量的 Mg，稀土等金属元素来提高涂层的耐腐蚀性能。研究表明常用的涂层特点表现如下：
（1）Zn-15Al 涂层：热喷涂 Zn涂层在自然环境中的稳定性明显低于Zn-15Al 涂层，热喷涂 Al 涂层具有很高的稳定性，这是由于金属铝受空气中氧作用，表面生成致密的 Al2O3 连续薄膜。然而 Al2O3 膜的导电性差，致使铝涂层在自然环境中腐蚀电位变正，因而其电化学保护性能逊于 Zn-15Al 合金涂层。热喷涂 Zn-15Al 合金涂层的耐腐蚀性接近喷 Al 涂层，而明显优于热 Zn 涂层。阴极保护作用与 Zn 涂层接近而优于热喷 Al 涂层。
（2）Al-Zn-Si-Re 涂层：该图层主要由富铝相，富锌相，Al0.403Zn0.597相和Al9Si相成。Al-Zn-Si-Re涂层以物理阻碍和牺牲阳极的形式对基体进行保护，其中腐蚀产物的自封闭特性对耐蚀性能的提升很明显。
（3）Zn-Al-Mg-Re-Si 涂层：在 Zn-Al-Mg-Re 线材中添加 Si 元素，可以在涂层外表面形成非常耐蚀的非晶态化合物，并且可以减小涂层的孔隙率。Zn-Al-Mg- Re-3Si 涂层的耐蚀性能优于 Zn-Al-Mg-Re 涂层。
3.3 冷喷涂技术
冷喷涂技术由前苏联科学院理论与应用力学 研究所的专家们发明，世界发达国家如俄罗斯、美国、日本及欧共体一直在努力研究用这种与热喷涂不同的独特喷涂方法制备各类涂层，并已经取得了很大的进展。国内中国科学院金属研究所在冷喷涂应用方面开展了大量研究，所研究的抗海水腐蚀涂层和耐高温氧化涂层均已在海洋工程和航天工业得到应用。随着冷喷涂技术的不断发展，在腐蚀防护方面，因获得的涂层致密性高、涂层成分和相组成更接近原始喷涂材料，且成本低适合现场使用，冷喷涂已成为热喷涂技术最强 有力的竞争对手，且在二次修复方面优于热喷涂，成为该领域应用的首选。
国内外众多学者 利用冷喷涂技术，制备了含有不同Zn含量的Zn-Al合金涂层。并详细研究了工艺参数，Al2O3添加量对涂层结合强度，耐蚀性能的影响。结果表明，冷喷涂 Zn-Al 涂层孔隙率非常低（可以达到小于 1%），没有明显的氧 化现象，具有明显高于热喷涂 Zn-Al 涂层的结合 强度，具有比热喷涂 Zn-Al 合金涂层更负的自腐 蚀电位，对基体具有明显的阴极保护效应。在长 期的盐雾腐蚀后，冷喷涂 Zn-Al 涂层表面完好，无鼓泡或颗粒脱落现象，且有腐蚀产物的封孔作用，具有更长的防护寿命。
4 结束语
广东沿海地区高温、潮湿、多雨，且工业发达地，受工业排放、大气污染、汽车尾气、酸雨以及滨海盐雾的影响，输电铁塔腐蚀情况严峻。传统的热镀锌防护技术已不能满足使用寿命的要求，并且热浸镀技术对环境污染严重，迫切需要发展新的防腐技术。在纯锌涂层的基础上添加 Al、Mg、Si、Re 等元素可以明显提升涂层的耐蚀性能，并降低全寿命周期成本。冷喷涂锌铝基合金涂层致密性高、涂层成分和相组成更接近原始喷涂材料，且成本低适合现场使用，具有明显高于热喷涂锌铝基合金涂层的结合强度，具有比热喷涂锌铝基合金涂层更负的自腐蚀电位，对基体具有明显的阴极保护效应。具有更长的防护寿命。因此，冷喷涂锌铝基合金涂层是在重工业污染和海洋气候地区取代热浸镀锌工艺最简单，也是最有效的手段之一。但具体采用哪一种防腐技术还得根据地区特点、企业实际、成本预算等因素综合确定。
参考文献：
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