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强腐蚀地区的大气环境对输电设施的腐蚀影响

2021-05-11 02:04:57 hualin

腐蚀,这一全人类共同面对的问题,涉及资源消耗、环境污染、人类健康等诸多问题。腐蚀产生的重金属离子会污染土壤、植物、水,同时还会威胁人类健康。据统计,2014年由于腐蚀引起的经济损失约占各国每年GDP的3%~5%,中国腐蚀总成本约为GDP的3.34%,腐蚀代价大于所有自然灾害损失的总和。随着中国大型基础设施建设的快速发展,这一数据仍会不断上升。


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近年来,中国电力事业不断发展,承载电力输送任务的输电网线路建设里程也快速增长,为使输电设施具有轻自重和高支撑强度的优点,结构件多采用镀锌钢、碳钢、铝线等金属材料,但这些设施多暴露于户外露天环境中,常年遭受不同自然条件的侵蚀。输电网线路各部件的腐蚀与损耗较为广泛,且很难进行全天候管理,这严重威胁了输电设施的运行安全,严重时甚至会造成人员伤亡。

不同于内陆地区,中国南方沿海地区由于特殊的气候原因,导致该地区的大气环境湿度和温度相对较高,且随着工业的不断发展,逐渐形成了典型湿热工业的强腐蚀环境,使该地区的金属构件较易发生严重腐蚀。

在内陆干旱地区,由于大气中的水含量较低,输电设施的腐蚀较为缓慢,加之防护手段的作用,其有效服役时长一般可达20年。但在一些强腐蚀地区,尤其是沿海重污染地区,腐蚀条件恶劣得多,大气中水蒸气含量较高,且含有较高浓度的酸性离子和盐,较易穿透防护层对基材造成快速侵蚀,这极大地缩短了构件的服役期限。

强腐蚀地区的大气环境

随着国民经济的增长,工业生产的日益频繁和居民生活排污的增加,导致大气中SO2?NO2?H2S等气体的含量增加,加速了大气腐蚀。在沿海地区,温度、湿度及盐分对大气腐蚀也有显著影响。另外,大气中的尘土粉体颗粒等固体污染物也是加速大气腐蚀的一个重要因素。近些年,资源型经济地区由于资源过度消耗,致使当地环境遭到前所未有的破坏,重污染天气指数呈直线上升趋势,具有持续时间长、影响范围广等特点。因此,各地区针对其大气污染的监控和防治工作也受到了广泛关注,并逐渐开展了监测研究。

有研究针对2016年南昌市大气重污染期间的空气质量及其污染物组分特征进行了分析,结果表明,南昌市受工业污染影响,市辖区空气污染物浓度是清洁对照组的三倍,污染程度较高,水溶性离子浓度由高到低依次为:SO42- >NO3- >NH4+ >Cl- >K+ >Na+ >Ca2+ >F-,且大气中SO2和NO2的二次氧化程度较高。

也有研究人员对2016年济南市主要的大气污染过程及其污染物(PM2.5)进行了综合分析,结果发现重污染时段PM2.5主要组成为SO4- ?NO3-以及NH4+,三者浓度占比高达42.1%,大气污染物中有机碳(OC)的质量分数为4.73%,wNO3-/wSO42-均值为0.85,明显高于正常的0.56,重污染期间各污染物具体质量浓度和空气质量指数(AQI)如图1所示。

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(a) 污染物浓度

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(b) AQI

图1 污染物浓度及AQI监测数据

也有研究人员采用被动式多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)对长三角地区大气污染物,开展了持续数年的监测研究,分析了其时空分布和演变规律。结果表明长三角地区由于工业发达,污染排放也相对较重,大气环境中的酸碱性氧化物如NO2?SO2等浓在长江流域主要工业园的下风位置,这是因为该地区排放的污染物在下风地区积聚。

大气污染物对输电设施的腐蚀影响

上述大气污染物的存在加剧了重污染地区腐蚀环境的恶劣程度,对该地区的钢结构、金属设施等构件造成了严重的安全威胁,较大地加速了其腐蚀进程。

有研究人员基于山西、广西、陕西等地区输电线路的建设情况,选取了城市、工业污染、海洋及乡村4种大气环境,开展了为期一年的实地输电线路大气腐蚀行为研究,结果显示,工图2 吕梁和晋城两地的腐蚀情况统计结果
另有技术人员采用循环干/湿模拟腐蚀增重试验、电化学试验等研究了SO2对钢结构腐蚀行为的影响。结果表明,薄液膜较易吸附SO2 形成H2SO3,进一步氧化成H2SO4,腐蚀溶解金属基材及其腐蚀产物,形成孔洞,使腐蚀介质更易穿透锈层接触基材,加速腐蚀进程。在SO2达到较高浓度后腐蚀产物转化为较为致密的γ-FeOOH,腐蚀减缓,但随时间的推移
为研究重工业污染和城市环境中铁塔的腐蚀情况,有研究人员对实际运行的热镀锌输电铁塔取样,借鉴GB/T 8923.1-2011的评价方法,对e级污区大气环境中基材的腐蚀情况进行评价。结果显示,塔材的表面形貌不一,说明铁塔在强腐蚀环境中的腐蚀程度也不同,总体可分为轻腐蚀、部分腐蚀和完全腐蚀,且都存在不同程度的镀锌层消失,完全腐蚀区基材已全部裸露,需要进行维护。

还有技术人员采用力学试验和形貌表征等手段研究了试制高强高韧耐候钢在良乡、曹妃甸、平潭及永泰四地的腐蚀行为,结果表明,耐候钢试样在北方地区的腐蚀情况较为轻微,这是因为该地区大气污染物主要为SO2等酸性物质,在腐蚀过程中会形成新的保护层;而南方沿海地区的大气中Cl-浓度较高,这使耐候钢失去自修复能力,短时间内即发生快速腐蚀。

工业污染环境的形成主要是炼化企业等高污染企业在工业生产过程中持续性排放积聚废气和粉尘等污染物。相较于普通大气环境,重污染大气腐蚀环境更为恶劣,该区域输电设施的腐蚀速率和腐蚀程度都进一步加深。其中,受湿热气候和污染物共同影响,南方工业污染地区,尤其是滨海地区输电设施的腐蚀广泛且严重。