強腐蝕地區(qū)的大氣環(huán)境對輸電設(shè)施的腐蝕影響
2021-05-11 02:04:57
hualin
腐蝕，這一全人類共同面對的問題，涉及資源消耗、環(huán)境污染、人類健康等諸多問題。腐蝕產(chǎn)生的重金屬離子會污染土壤、植物、水，同時還會威脅人類健康。據(jù)統(tǒng)計，2014年由于腐蝕引起的經(jīng)濟損失約占各國每年GDP的3%~5%，我國腐蝕總成本約為GDP的3.34%，腐蝕代價大于所有自然災(zāi)害損失的總和。隨著我國大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，這一數(shù)據(jù)仍會不斷上升。
近年來，我國電力事業(yè)不斷發(fā)展，承載電力輸送任務(wù)的輸電網(wǎng)線路建設(shè)里程也快速增長，為使輸電設(shè)施具有輕自重和高支撐強度的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)件多采用鍍鋅鋼、碳鋼、鋁線等金屬材料，但這些設(shè)施多暴露于戶外露天環(huán)境中，常年遭受不同自然條件的侵蝕。輸電網(wǎng)線路各部件的腐蝕與損耗較為廣泛，且很難進行全天候管理，這嚴重威脅了輸電設(shè)施的運行安全，嚴重時甚至?xí)斐扇藛T傷亡。
不同于內(nèi)陸地區(qū)，我國南方沿海地區(qū)由于特殊的氣候原因，導(dǎo)致該地區(qū)的大氣環(huán)境濕度和溫度相對較高，且隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，逐漸形成了典型濕熱工業(yè)的強腐蝕環(huán)境，使該地區(qū)的金屬構(gòu)件較易發(fā)生嚴重腐蝕。
在內(nèi)陸干旱地區(qū)，由于大氣中的水含量較低，輸電設(shè)施的腐蝕較為緩慢，加之防護手段的作用，其有效服役時長一般可達20年。但在一些強腐蝕地區(qū)，尤其是沿海重污染地區(qū)，腐蝕條件惡劣得多，大氣中水蒸氣含量較高，且含有較高濃度的酸性離子和鹽，較易穿透防護層對基材造成快速侵蝕，這極大地縮短了構(gòu)件的服役期限。
強腐蝕地區(qū)的大氣環(huán)境
隨著國民經(jīng)濟的增長，工業(yè)生產(chǎn)的日益頻繁和居民生活排污的增加，導(dǎo)致大氣中SO2?NO2?H2S等氣體的含量增加，加速了大氣腐蝕。在沿海地區(qū)，溫度、濕度及鹽分對大氣腐蝕也有顯著影響。另外，大氣中的塵土粉體顆粒等固體污染物也是加速大氣腐蝕的一個重要因素。近些年，資源型經(jīng)濟地區(qū)由于資源過度消耗，致使當?shù)丨h(huán)境遭到前所未有的破壞，重污染天氣指數(shù)呈直線上升趨勢，具有持續(xù)時間長、影響范圍廣等特點。因此，各地區(qū)針對其大氣污染的監(jiān)控和防治工作也受到了廣泛關(guān)注，并逐漸開展了監(jiān)測研究。
有研究針對2016年濟南市大氣重污染期間的空氣質(zhì)量及其污染物組分特征進行了分析，結(jié)果表明，濟南市受工業(yè)污染影響，市轄區(qū)空氣污染物濃度是清潔對照組的三倍，污染程度較高，水溶性離子濃度由高到低依次為：SO42- >NO3- >NH4+ >Cl- >K+ >Na+ >Ca2+ >F-，且大氣中SO2和NO2的二次氧化程度較高。
也有研究人員對2016年南昌市主要的大氣污染過程及其污染物（PM2.5）進行了綜合分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)重污染時段PM2.5主要組成為SO4- ?NO3-以及NH4+，三者濃度占比高達42.1%，大氣污染物中有機碳（OC）的質(zhì)量分數(shù)為4.73%，wNO3-/wSO42-均值為0.85，明顯高于正常的0.56，重污染期間各污染物具體質(zhì)量濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）如圖1所示。
（a） 污染物濃度
（b） AQI
圖1 污染物濃度及AQI監(jiān)測數(shù)據(jù)
也有研究人員采用被動式多軸差分吸收光譜技術(shù)（MAX-DOAS）對長三角地區(qū)大氣污染物，開展了持續(xù)數(shù)年的監(jiān)測研究，分析了其時空分布和演變規(guī)律。結(jié)果表明長三角地區(qū)由于工業(yè)發(fā)達，污染排放也相對較重，大氣環(huán)境中的酸堿性氧化物如NO2?SO2等濃在長江流域主要工業(yè)園的下風(fēng)位置，這是因為該地區(qū)排放的污染物在下風(fēng)地區(qū)積聚。
大氣污染物對輸電設(shè)施的腐蝕影響
上述大氣污染物的存在加劇了重污染地區(qū)腐蝕環(huán)境的惡劣程度，對該地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)、金屬設(shè)施等構(gòu)件造成了嚴重的安全威脅，較大地加速了其腐蝕進程。
有研究人員基于廣東、廣西、貴州等地區(qū)輸電線路的建設(shè)情況，選取了城市、工業(yè)污染、海洋及鄉(xiāng)村4種大氣環(huán)境，開展了為期一年的實地輸電線路大氣腐蝕行為研究，結(jié)果顯示，工圖2 茂名和云浮兩地的腐蝕情況統(tǒng)計結(jié)果
另有技術(shù)人員采用循環(huán)干/濕模擬腐蝕增重試驗、電化學(xué)試驗等研究了SO2對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，薄液膜較易吸附SO2 形成H2SO3，進一步氧化成H2SO4，腐蝕溶解金屬基材及其腐蝕產(chǎn)物，形成孔洞，使腐蝕介質(zhì)更易穿透銹層接觸基材，加速腐蝕進程。在SO2達到較高濃度后腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為較為致密的γ-FeOOH，腐蝕減緩，但隨時間的推移
為研究重工業(yè)污染和城市環(huán)境中鐵塔的腐蝕情況，有研究人員對實際運行的熱鍍鋅輸電鐵塔取樣，借鑒GB/T 8923.1-2011的評價方法，對e級污區(qū)大氣環(huán)境中基材的腐蝕情況進行評價。結(jié)果顯示，塔材的表面形貌不一，說明鐵塔在強腐蝕環(huán)境中的腐蝕程度也不同，總體可分為輕腐蝕、部分腐蝕和完全腐蝕，且都存在不同程度的鍍鋅層消失，完全腐蝕區(qū)基材已全部裸露，需要進行維護。
還有技術(shù)人員采用力學(xué)試驗和形貌表征等手段研究了試制高強高韌耐候鋼在良鄉(xiāng)、曹妃甸、平潭及永泰四地的腐蝕行為，結(jié)果表明，耐候鋼試樣在北方地區(qū)的腐蝕情況較為輕微，這是因為該地區(qū)大氣污染物主要為SO2等酸性物質(zhì)，在腐蝕過程中會形成新的保護層；而南方沿海地區(qū)的大氣中Cl-濃度較高，這使耐候鋼失去自修復(fù)能力，短時間內(nèi)即發(fā)生快速腐蝕。
工業(yè)污染環(huán)境的形成主要是煉化企業(yè)等高污染企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)過程中持續(xù)性排放積聚廢氣和粉塵等污染物。相較于普通大氣環(huán)境，重污染大氣腐蝕環(huán)境更為惡劣，該區(qū)域輸電設(shè)施的腐蝕速率和腐蝕程度都進一步加深。其中，受濕熱氣候和污染物共同影響，南方工業(yè)污染地區(qū)，尤其是濱海地區(qū)輸電設(shè)施的腐蝕廣泛且嚴重。