強腐蝕地區的大氣環境對輸電設施的腐蝕影響
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、環境污染、人類健康等諸多問題。腐蝕產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。據統計，2014年由于腐蝕引起的經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害損失的總和。隨著我國大型基礎設施建設的快速發展，這一數據仍會不斷上升。
近年來，我國電力事業不斷發展，承載電力輸送任務的輸電網線路建設里程也快速增長，為使輸電設施具有輕自重和高支撐強度的優點，結構件多采用鍍鋅鋼、碳鋼、鋁線等金屬材料，但這些設施多暴露于戶外露天環境中，常年遭受不同自然條件的侵蝕。輸電網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施的運行安全，嚴重時甚至會造成人員傷亡。
不同于內陸地區，我國南方沿海地區由于特殊的氣候原因，導致該地區的大氣環境濕度和溫度相對較高，且隨著工業的不斷發展，逐漸形成了典型濕熱工業的強腐蝕環境，使該地區的金屬構件較易發生嚴重腐蝕。
在內陸干旱地區，由于大氣中的水含量較低，輸電設施的腐蝕較為緩慢，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，尤其是沿海重污染地區，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，這極大地縮短了構件的服役期限。
強腐蝕地區的大氣環境
隨著國民經濟的增長，工業生產的日益頻繁和居民生活排污的增加，導致大氣中SO2?NO2?H2S等氣體的含量增加，加速了大氣腐蝕。在沿海地區，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，資源型經濟地區由于資源過度消耗，致使當地環境遭到前所未有的破壞，重污染天氣指數呈直線上升趨勢，具有持續時間長、影響范圍廣等特點。因此，各地區針對其大氣污染的監控和防治工作也受到了廣泛關注，并逐漸開展了監測研究。
有研究針對2016年濟南市大氣重污染期間的空氣質量及其污染物組分特征進行了分析，結果表明，濟南市受工業污染影響，市轄區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，結果發現重污染時段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）的質量分數為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量濃度和空氣質量指數（AQI）如圖1所示。
（a） 污染物濃度
（b） AQI
圖1 污染物濃度及AQI監測數據
也有研究人員采用被動式多軸差分吸收光譜技術（MAX-DOAS）對長三角地區大氣污染物，開展了持續數年的監測研究，分析了其時空分布和演變規律。結果表明長三角地區由于工業發達，污染排放也相對較重，大氣環境中的酸堿性氧化物如NO2?SO2等濃在長江流域主要工業園的下風位置，這是因為該地區排放的污染物在下風地區積聚。
大氣污染物對輸電設施的腐蝕影響
上述大氣污染物的存在加劇了重污染地區腐蝕環境的惡劣程度，對該地區的鋼結構、金屬設施等構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、貴州等地區輸電線路的建設情況，選取了城市、工業污染、海洋及鄉村4種大氣環境，開展了為期一年的實地輸電線路大氣腐蝕行為研究，結果顯示，工圖2 茂名和云浮兩地的腐蝕情況統計結果
另有技術人員采用循環干/濕模擬腐蝕增重試驗、電化學試驗等研究了SO2對鋼結構腐蝕行為的影響。結果表明，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物，形成孔洞，使腐蝕介質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物轉化為較為致密的γ-FeOOH，腐蝕減緩，但隨時間的推移
為研究重工業污染和城市環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級污區大氣環境中基材的腐蝕情況進行評價。結果顯示，塔材的表面形貌不一，說明鐵塔在強腐蝕環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，完全腐蝕區基材已全部裸露，需要進行維護。
還有技術人員采用力學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、曹妃甸、平潭及永泰四地的腐蝕行為，結果表明，耐候鋼試樣在北方地區的腐蝕情況較為輕微，這是因為該地區大氣污染物主要為SO2等酸性物質，在腐蝕過程中會形成新的保護層；而南方沿海地區的大氣中Cl-濃度較高，這使耐候鋼失去自修復能力，短時間內即發生快速腐蝕。
工業污染環境的形成主要是煉化企業等高污染企業在工業生產過程中持續性排放積聚廢氣和粉塵等污染物。相較于普通大氣環境，重污染大氣腐蝕環境更為惡劣，該區域輸電設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，南方工業污染地區，尤其是濱海地區輸電設施的腐蝕廣泛且嚴重。