李辛庚 国网山东省电力公司电力科学研究院首席专家

    为了使相关科技工作者了解目前输变电工程中腐蚀防护的一些关键问题，利于探索电网防腐新技术、新材料的未来创新方向，记者特邀请到国网山东省电力公司电力科学研究院李辛庚教授做相关方面的精彩解读。

    李辛庚，国网山东省电力公司电力科学研究院首席专家，国家电网公司电工新材料技术实验室（山东）负责人、国网公司电网金属材料腐蚀与防护科技攻关团队带头人、中国腐蚀与防护学会企业分会副主任委员，多次荣获省部级科技奖励。

    近20 年来，我国电网建设获得了高速发展。尤其是在特高压输变电技术方面取得的重大突破，则代表了现代输变电工程的主要发展方向。电网覆盖区域的扩大，超大容量、特高参数和超长距离输电线路的产生，并与电网基本功能属性要求相伴随而来的是对工程安全保障提出了更高要求。输变电设备的腐蚀防护则是电网安全保障的重要技术环节之一。

    由于我国幅员辽阔、环境复杂多变等不利因素，为做好电网设备的腐蚀防护带来了诸多不利条件，加大了环境腐蚀问题研究的广度和深度，为新型防护技术开发与应用提出了更高要求。为了使相关科技工作者了解目前输变电工程中腐蚀防护的一些关键问题，利于探索电网防腐新技术、新材料的未来创新方向，记者特邀请到国网山东省电力公司电力科学研究院李辛庚教授做相关方面的精彩解读。

    李辛庚，国网山东省电力公司电力科学研究院首席专家，国家电网公司电工新材料技术实验室（山东）负责人、国网公司电网金属材料腐蚀与防护科技攻关团队带头人、中国腐蚀与防护学会企业分会副主任委员，多次荣获省部级科技奖励。

    电网构件的腐蚀与防护是电网安全的重要保障

    近年来，随着经济社会快速发展，电网规模不断扩大，电网设备数量不断增加。目前由于设备设计缺陷、制造成本制约、运维手段落后等因素的制约，电网设备还存在着使用寿命短和相关联设备使用寿命匹配性不高等问题，制约了输变电工程质量和电网经营效益的提高。腐蚀破坏给输电线路的安全可靠性和使用寿命造成潜在的威胁，受到了世界各国输电行业的高度重视。美国电力科学研究院（EPRI）和加拿大电力技术研究机构（如 Power Tech Lab 等）把输电网的腐蚀评估、控制与防护等腐蚀管理问题列为输电网管理的重要研究课题，我国也正在对输电线路的腐蚀评估和防护等问题展开全面研究，并取得了一定进展。

    我国已是世界第二大经济体，每年投入建设的输变电工程数量庞大。由于输变电工程构件的服役特征和应用环境的特性，主要构件几乎全部涉及环境腐蚀与防护问题。不合理的防腐材料选择或引导不但不能取得理想的防腐效果，还会造成巨大的资源浪费。据了解，目前国家电网公司对输变电工程主要一次设备使用寿命要求达到 40 年以上，主要二次设备使用寿命要求达到 20 年以上。就目前我国的输变电设备的腐蚀防护技术水平来说，还不能在工程初建时的设备制造和安装中一次性满足这些要求，需要在运行中加以多次维护。这不但增加了电网运维成本，还降低了设备运行安全水平。

    李教授表示，对于长期工作在自然环境中的输变电工程来说，需要重点加以防腐保护的典型构件主要有钢结构（杆塔、支撑构架）、导体与连接（接续）金具、设备箱体、开关中的接触部件、有机外绝缘部件、基础、接地系统等。从腐蚀机理来看，这些部件除受到自然环境的作用之外，还受到电网构件本身服役特性的影响。上世纪 90 年代之前，电网行业对于构件的腐蚀防护并不十分重视。在 2000 年之后，由于输变电工程建设规模的迅速扩大，电压等级和输电容量的大幅度提升，社会对电网安全等级也提出了更高要求；大量输变电设备建在偏远地区和环境腐蚀性的变化等因素影响使得电网构件材料的平均自然环境腐蚀明显加速，腐蚀失效相关的事故比例上升、用于防腐维护投入显著升高等原因使得腐蚀防护技术开始受到业内的高度重视。“重视电网行业研究，开发、运用新型长效防腐技术，确保电网长期安全运行，降低日常运行中用于防腐维护的成本。这些是必然趋势，也是必行之路。”李教授强调说。

    我国目前所采取的防腐措施虽然取得了明显的效果，但对整个输变电工程的腐蚀管理和控制问题，李教授认为关键应做好以下几个方面。

    1、钢构件的腐蚀与防护

    从重量来说，在电网构件中，用量最大的是钢结构，主要是杆塔和支撑构架。大体估算我国每年用于电网建设的新增钢构件总重量约为百万吨量级，这类构件几乎全部使用热镀锌来防腐。

    近 200 年的使用经验表明，热镀锌钢在大气自然环境中具有优秀的 “广谱”防腐性能，至今仍然可以找到使用 80 年以上仍然保持良好状态的热镀锌钢构件。热镀锌具有加工成本低，易于大规模高效率生产，性价比高等优点，特别是对超大尺寸工件具有其它工艺难以比拟的优势。热镀锌的另一个技术优势是具有创伤自愈合修复性能。从工厂生产后运到现场，再到安装完成的过程中，难免出现磕磕碰碰给涂层带来的损伤。对划痕类缺陷， 由于热镀锌的牺牲阳极特性，可以使划伤部位在经过一段时间之后锌涂层会自我修复，损伤部位不会出现明显的腐蚀。油漆涂料类，或者是锌含量较低的富锌涂层却不具有这个特性。

    热镀锌的主要问题是在生产过程中产生的污染排放很难彻底治理。随着国家环保政策的趣紧，热镀锌工业的生产和发展受到相当严格的限制。预计不久的将来，本土的热镀锌制品会明显减少。从建设绿色电网的企业愿景来看，寻找热镀锌替代技术，以减少热镀锌钢构件在输变电工程中的用量占比，已经成为目前相当紧迫的技术开发任务。

    从用户角度来看，世界范围内的腐蚀数据统计表明，在自然大气环境中热镀锌的平均腐蚀速率约为0.2-2.0m/a。以国家标准中规定的钢构件镀锌厚度大于 85m 计算，凡是满足标准要求的热镀锌构件至少有 40 年以上的使用寿命，无需加以维护。但是，近 10 年在电网行业的输变电工程中的普查结果却显示，最长有效周期约为 30 年，平均首次维护的周期仅有 10 年。造成目前热镀锌钢构件防腐周期显著缩短的主要原因，除质量控制不当之外，还有环境变化的影响，节点（焊缝、紧固连接、与异种材料的接触部位等）集中腐蚀等问题没有得到较好解决；涂层选择和防腐设计不当也是目前较为突出的问题，这是指在有些地区（如重酸雨地区）选择热镀锌防腐未必合适。

    在实际工程中，因腐蚀导致的构件失效形式主要是集中腐蚀，多由节点局部腐蚀引起。换句话说，就是结构的大部分没有问题，而节点的强烈、快速的腐蚀损坏之后，不得不做局部甚至是整体更换。在沿海地区的潮差、浪溅区也多出现这种情况。

    统计显示，输变电钢构件防腐维护成本约占全部防腐投入的 50%，约相当于钢构件全寿命周期成本的 50%。特别是投入运行较短时间后就需要进行防腐维护、维修、甚至更换部件，导致电网运营维护成本明显增加，安全可靠性降低。在人烟稀少或极端困难地区，易造成维护的缺失使防护涂层失效，导致材料的快速腐蚀，杆塔构件强度降低，抵御大风、冰灾、舞动等附加载荷的能力下降，易造成倒塔事故。

    腐蚀与防护科技工作者一般注重材料本身或防护涂层性能的提高，实验室中的多数研究工作，注重提高材料的耐腐蚀性能，评价方法也对针对于标准板型试样，很少关注具体部件。但针对于实际构件（包括形状、服役状态等）在实验室中快速评价方法的开发和研究，着力解决实际构件的具体腐蚀问题，对工程需求更为重要。

    发展热镀锌替代技术，有以下几个有望实用化的发展方向。

    第一是发展免涂装防腐技术。某些钢构件材料，其本身就具有较好的氧化膜稳定特性，大气腐蚀速率较低，可以直接在大气中使用，如耐候钢。即使是普通碳钢，在干燥和较为洁净的大气环境中，其腐蚀速率约为 0.02mm ～ 0.03mm/a，如无涂装直接使用 40 年，仅需增大 1 ~ 2mm的厚度设计余量（双面）。从当前钢材价格来看，增加这个厚度的成本也低于热镀锌的加工费用。这种免涂装腐蚀防护设计的可行性，主要取决于开发早期快速稳定化技术和节点等局部防腐处理技术的解决。此外，在配电网等级中采用有机复合材料（玻璃钢）电杆、新型高强水泥电杆替代钢管电杆的工作也已经取得了一定的进展。

    第二个是开发适于现场涂装的新型高性能涂层材料来替代热镀锌涂层。待设备安装完毕之后，再以现场涂装方式对钢构件做防腐处理，也是未来替代热镀锌的一个重要方向。目前市场上在售的具有优秀防腐性能的各类涂料产品很多，但在多数现场条件下却不能很好地利用，主要问题是这些涂料的涂装工艺对底面处理要求较高，一般都要达到St2.5 级以上，这在现场很难做到。涂层质量的控制与保证也是不能实现现场规模化涂装的主要障碍。因此，降低涂料对底面处理洁净度的要求，开发适于现场大规模施工的工艺技术，降低涂装成本等，是涂料替代热镀锌的重要研究方向。低表面处理涂料成为目前的研究热点也是基于这一方面的需求。

    第三是防腐设计问题。目前，在电网行业的输变电设计规范中，所包含的防腐条款较少，一般都是泛泛地列出“应采用热镀锌防腐处理”等较少条款，引用执行国家或行业标准来控制热镀锌质量，通常不对防腐做针对性设计或特殊要求。这在多数情况下是有效的。在少数环境优良地区可以达到40年以上的防腐寿命要求，但在重腐蚀地区，如高温高湿、重工业酸雨地区等却不能满足要求， 有效寿命过短，一般不会超过 10 年。这说明，即使是钢构件，初建时的防腐设计，应依照环境腐蚀性的评估结果采取针对性设计，选择可以达到全寿命防腐周期的有效技术手段，不能“一镀了之”。

    具备实现对工程地环境腐蚀性快速、准确的评估技术和具体备选材料在工程地址的腐蚀数据，是实现针对性防腐设计的前提条件。目前我国在这方面所具备的数据空缺较大。依照 ISO9223标准中取环境质量（温湿度、硫分、盐分等）参数对大气环境腐蚀性的评估结果需要大量的试验和数据收集工作，一般很难做到。具体材料的腐蚀数据则需要开展暴露试验或经年运行以后才能获得；采用国家有关自然环境腐蚀的标准暴露数据，则与具体工程材料的实际需求差异过大：一是我国国土面积太大，试验站太少，所获数据的站点位置与工程地址距离太远，数据相关性较低。特别是对于具有百公里甚至千公里距离的窄长输电线路通道，较难获得全面的有效数据；二是环境变化与数据获得周期的差异，即数据所获时间段和材料种类与工程建设时间的环境和材料不能相符，即数据获得周期与环境变化和材料种类的更新速度不能相匹配。

    第四是在役钢构件腐蚀防护管理方面的问题。在钢构件腐蚀安全保障方面，电网企业目前采用的方法是依据人工巡线检查的结果和经验，判断构件热镀锌或涂层还是否有效， 是否出现了明显腐蚀现象，来决定是否实施防腐维护（一般是刷涂富锌涂料）。由于缺乏对在役涂层状态的评价技术标准和手段，人为判断所得结论不能准确反映防腐涂层的工作状态，往往出现“过维护”或“欠维护”。“过维护”则造成巨大浪费，或“欠维护”则给设备留下了防腐安全隐患。

    因此，开发适于工程现场的腐蚀安全状态评价方法，制定评价技术规范是实现有效管理的基础。在这两个方面目前都非常欠缺。

    2、导体构件的腐蚀与防护

    输变电工程中导体部件是实现电力输送的关键部件。主要有架空导线（地线）、接续金具、开关触头、管母线、母排、 电缆等。 另外还应包括接地网 （极）和在大气环境中工作的测量设备。

    （1）架空导线的大气腐蚀

    架空导线的导体部分由纯铝或铝合金单丝绞制而成，长期通过 10kV 至1000kV 电压的百安级电流，承受架设拉应力和环境附加应力，额定工作温度一般为 60℃～ 75℃，极限情况下有超过100℃的短期工作温度（高温合金导线的极限工作温度可达到 200℃以上）。受自然环境条件（风、雨、冰、雪）等附加载荷的影响，处于“永动”的循环复杂应力状态。它的腐蚀行为较为复杂，大体是由应力腐蚀、电化学腐蚀、微动磨损腐蚀等多种腐蚀现象交叉、复合作用的结果，目前的研究还不深入，机理和影响因素不清。

    架空导线的腐蚀是非常值得腐蚀科技工作者深入研究的问题之一。一是目前对于铝型材的腐蚀机理研究还没有一个令人信服的结论，尤其是铝型材在大气中易出现点蚀和集中腐蚀问题的解释；二是关于铝型材表面钝化膜的破坏与不能自修复的机制，导线表面普遍存在的“铝灰”成分的不确定性是一个佐证；三是在电场、温升和机械载荷联合作用下，形变铝的大气腐蚀行为问题。

    在工程方面，经常采用的方法有防腐油脂（涂抹、预绞制）、合金化等，但效果都不太理想。开发适合于绞线的腐蚀防护技术，是一个难度较高的题目。在考虑解决导线腐蚀问题的同时，主要顾及到不能对导线本身的电导率和散热性能带来负面影响。

    由于强电的原因，导线表面附近区域不可避免地存在电晕现象，它对腐蚀具有很强的加速作用，是在实验室中难以模拟的腐蚀影响因素之一。此外，连接金具与导线之间的电位差形成的电化学腐蚀、节点连接应力腐蚀等在实际工程失效案例中占有一定比例。

    架空地线的失效主要因环境腐蚀所致，选型设计之初也考虑了这部分余量，在一般干燥洁净地区满足 40 年以上的服役寿命要求，但在重腐蚀环境下因腐蚀而导致寿命明显缩短， 甚至短于10年。

    架空地线目前采用的材料有镀锌钢绞线、铝包钢绞线、铝包（骨架）光纤复合架空地线（OPGW），在重腐蚀环境地区的腐蚀失效较为严重。主要原因是架空地线在局部着雷之后造成架空地线表面的烧伤，和通过系统故障、雷击大电流通过之后地线表面防护涂层的大范围过热，会引起抗腐蚀性能的显著下降。高张力架设的 OPGW 等包覆铝线材易出现纵向开裂与加工状态、应力腐蚀等有关。另外，由于架空地线的位置与导线距离较近，腐蚀与电场影响是否有关目前还不清楚。

    （2）接续金具和导电排

    耐张接续金具是导线与绝缘子连接的部件，通常采用的形式是套管压接。导线与铝套管之间连接面的电迁移腐蚀是引起金具异常温升和早期松弛失效的主要原因之一。采用合金化方式虽然可以提高抗高温松弛性能，但是，在电流作用下铝合金第二相的形成和长大，对连接部位的导电性能及安全会带来负面影响，不能从根本上解决这一问题。强烈的电晕也是加速接续金具腐蚀损伤的重要影响因素。

    电气设备中大量使用的导电母排，由于与其他异种材料部件的连接，以及受到安装工艺因素的影响，尤其是在直流场合，不可避免地出现电偶腐蚀。

    （3）接地材料

    埋设在土壤中的接地网（极）材料腐蚀与防护是目前关于电网部件材料腐蚀研究较多的问题，但至目前还没有得到很好的解决。

    在接地方面使用较多的材料有镀锌钢、纯铜、铜包钢、铝包钢等。运行经验表明，纯铜是用作接地体材料最为理想的材料，可靠寿命超过 60 年。但由于国家土壤环境质量环保方面的要求，大量使用铜材料埋入地中已经受到相当严格的限制。

    由于成本原因，镀锌钢仍然是目前使用最多的接地材料。对我国接地事故和接地运行状况的调查中发现，镀锌钢接地网保持完好（或轻微腐蚀）的时间周期平均不超过 6 年，因腐蚀严重导致更换的平均时间约为 15 年。对实际构件和失效样品的分析结果表明，用作接地的镀锌层腐蚀速率与普通低碳钢的腐蚀速率非常接近，也就是说，在土壤中镀锌层的防腐效果并不明显。

    铜包钢是作为纯铜的低成本替代材料，在我国电力系统也具有了超过 10年的运行经验，初建材料成本可比纯铜降低 30%。主要问题在于包覆层和焊接接头质量保证中不能存在明显的缺陷，否则铜与钢组成腐蚀电偶，心部的钢成为牺牲阳极，腐蚀消耗很快。它的使用也会受到环保方面的限制。

    接地体的作用是向大地泄除电网中的故障电流、雷击电流、系统中存在的杂散电流等，还为供电系统提供零电位。由于腐蚀导致的接地网失效可引发电网重大事故，现代电网系统对于接地网的可靠性能要求很高，接地网的腐蚀是威胁电网安全的重要因素之一。接地网的焊接接头、土壤与地面空气界面区、埋设不均处、使用降阻剂等都会加剧接地网的局部腐蚀。交流输变电工程对接地体的要求，是能够耐受千安级短时冲击电流后而不发生明显的性能改变；在直流输变电系统中，接地网还有承担单极运行时的工作极任务，在这种情况下，会有几千安培直流电流通过接地网泄入大地，且时间较长，因此，电解腐蚀是直流系统接地网的主要问题。

    接地网材料的腐蚀与孤立的土壤暴露腐蚀差异较大。由于接地网的土壤腐蚀问题有其特殊性，输变电工程行业非常需要形成专门用于接地材料土壤腐蚀性能的可靠评价试验方法和数据用于接地网设计。

    为了提高接地材料在土壤中的耐腐蚀性能，国内开发了一些防腐导电涂料，但目前还没有能够通过电流冲击试验的导电防腐涂料产品出现。采用碳（石墨）材、导电水泥等非金属类的导电接地模块等作为接地材料埋入土壤之中，可以实现部分替代铜材料，但从电力系统的固有属性方面来看还是存在一些弊端，如跨步电压较高、易水解、抗冲击能力差等。

    （3）电接触材料

    电接触部件的腐蚀问题主要是指表面镀膜在工作中出现的失效。为了降低开关、线夹等部件与其它导体之间的接触电阻，经常使用银、锡、铅及其合金等软基良导体材料镀膜，在开关过程中所产生的电弧会引起膜层的损伤。这些膜层除了有电迁移腐蚀之外，在含硫、酸雨等腐蚀性介质的大气中易出现快速硫化问题，使接触电阻升高，导通性能下降。采用合金化或添加颗粒物增强等方法，是提高这类膜层性能的主要研究方向。

    3、绝缘部件的老化与防护

    输变电工程中大量使用了由有机材料制造的合成绝缘子，其结构一般由高分子聚合物、橡胶类材料的伞裙护套、玻璃钢芯棒、金属材料制作的端部连接金具三部分组成。伞裙护套材料中使用最多的是硅橡胶，近年来为了防止鸟啄损伤还开发了硬度较高的环氧类复合伞裙。

    硅橡胶材料具有良好的憎水性和憎水迁移性，与电瓷、玻璃绝缘子相比，复合绝缘子具有绝缘强度高、抗污（湿）闪性能好，重量轻，运行安装方便等优点。在大气环境中，复合绝缘子受日光照射、温度和湿度的循环作用、表面放电作用以及机械应力作用等影响下，硅橡胶材料逐渐老化，出现伞裙变硬、龟裂、粉化、蚀损、憎水性下降等特征。我国的运行经验表明，性能出现明显衰退的时间大约在 15 年左右。室温硫化硅橡胶防污闪涂料（RTV），是为了解决用于需要高强度耐张电磁（玻璃）绝缘子串憎水性能低，易发生污闪问题而开发的产品，现已被广泛使用，在上世纪 90 年代后的一段时期中，为降低污闪事故发生概率发挥了显著作用。但在使用中发现，在光照较强地区，这种涂料的憎水性能衰退周期很短，一般不超过 5 年时间就需要复涂。这些问题都属于高分子材料的老化问题，需要重视。

    由于硅橡胶类绝缘材料存在的一些问题，目前正在开展其它类高分子绝缘材料使用的可能性试验研究，并在进一步提高材料耐环境老化、获得超憎水性等方面取得了一定的进展。新型绝缘材料产品的开发周期都很长，这一问题的主要难点在于材料性能指标非常复杂，例如在电力行业标准《绝缘子用常温固化硅橡胶防污闪涂料》（DL/T627-2012）中的规定指标多达22项， 这对于材料科技工作者来说，很难在新材料开发中全部顾及。因而，研究外绝缘材料的本征要求和关键影响因素，分辨其中的关键和独立指标；在提高耐环境老化、机械性能的同时，必须保证电气绝缘性能的诸多要求，是目前研究中的一个难点。

    此外，开发新的有效、快速的环境老化评价方法也是加快新型绝缘材料开发的一个重要方面。这是因为在电网工程中，评价绝缘材料的耐老化性能时，一般是参照 IEC 62217 2005/FDIS 标准推荐的加速老化试验方法，在试验过程中同时加入电压、湿热、紫外、盐雾、振动疲劳等多个老化因素，连续试验 5000h后考察材料性能的变化。这种试验耗时过长，工程实用性不强，使一种新型绝缘材料的开发周期变得过分漫长。

    未来电网设备防腐技术的发展关键在于创新

    李教授表示，近年来，国家电网公司加强基建设计和运维技术管理方面，积极推进“两型一化”变电站和“两型三新”线路建设，积极应用新技术、新材料，减少工程建设对自然环境的影响，并积极推行项目建设、运行、报废的全寿命周期管理，其核心内容之一是实现全寿命周期成本（LCC）的最小化。腐蚀防护技术是这些要求的重要组成部分之一。采用新型防腐材料和防腐技术，大幅度提高电网部件材料的防腐性能，延长使用寿命或维护周期，以合理成本实现输变电钢构件全寿命周期免防腐维护，是当前防腐技术开发的热点问题之一，也是建设“坚强智能电网”的重要需求。从电网工程运行状态所反映出的实际腐蚀问题来看，做好电网设备腐蚀防护的关键，是掌握电网构件的服役特征，重点解决评价（环境、材料）、关键节点、关键部件的防腐技术，做出针对具体工程的有效防腐设计。在解决上述要求的技术之后，再给出相对完整和专业的工业防腐技术标准体系，是实现工程应用的基础。

    后记：

    电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源，成为现代能源体系的重要组成部分，电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。做好电力工业的腐蚀与防护是推动国家经济发展的保障！

    人物简介

    李辛庚，材料学博士，教授／高工，国网山东省电力公司电力科学研究院首席专家，“电网材料腐蚀与防护技术实验室”技术负责人和国网公司电网金属材料腐蚀与防护科技公关团队带头人。山东大学合作博士生导师，享受国务院特殊津贴专家，中国电机工程学会高级会员，中国腐蚀与防护学会企业分会副主任委员，高温腐蚀专委会委员。多次荣获省部级的科技奖励，并荣膺“山东省首批有突出贡献的中青年专家”。发表论文 40 余篇，获国家发明专利授权 17 项。