01 导读  

近期小编观察发现国网、南网科技项目中均涉及耐候钢在输变电工程中的应用，特此在学术数据库中查找最先研究这项技术的论文，发现较早应用研究的就是我们国网基建部的领导，并在2016年就已经开始推广应用，特转发此论文，供大家学习参考：

1国网关于耐候钢应用项目

2南网关于耐候钢应用项目

贵州院成功中标耐候钢输电铁塔综合性能研究科技项目    2019年6月19日，中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司成功中标贵州电科院 2019 年第一批科技项目集中招标——耐候钢输电铁塔综合性能研究科技项目。该科技项目的成功中标，标志着耐候钢这种绿色、高强产品在贵州电网乃至整个南网范围内的推广使用又迈进了一步。

耐候钢简介

定义|耐候钢，即耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，不改变冶炼方法，不改变钢材机械性能，材料生产简便，应用便利。

特点|具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳等特性；同时，与热浸锌钢材相比，它具有良好的耐锈性，构件抗腐蚀延寿、减薄降耗，省工节能等特点，能够有效地减少环境污染，加快制造流程，减少转运次数，节约造价。

用途|耐候钢主要用于铁道、车辆、桥梁等长期暴露在大气中使用的钢结构，以及集装箱、铁道车辆、石油井架、海港建筑、采油平台及化工石油设备中含硫化氢腐蚀介质的容器等结构件，在输电铁塔中却鲜有使用。如若在输电铁塔中应用成功，可省去其在恶劣环境中的涂装维护费用，同时减少热镀锌等环节对环境的污染，是符合钢铁绿色发展的环保产品。

该科技项目的研究目标为：自合同签订之日起，至2020年9月，通过对耐候钢的耐候性、耐蚀性、力学性能、连接性能和生产加工特性等方面开展研究测试，验证耐候钢铁塔的综合性能，最终使耐候角钢替代传统镀锌角钢作为输电铁塔材料。

具体包括：

（1）现有输电铁塔锈蚀机理与原因分析；（2）自保护氧化层对钢材强度和稳定性的影响研究；（3）耐候钢连接措施研究；（4）耐候钢输电铁塔加工制造工艺要求研究；（5）耐候钢输电铁塔真型试验；（6）全寿命周期内耐候钢铁塔经济性分析研究。

耐候钢输电铁塔综合性能研究科技项目的成功实施，将进一步提升我公司综合科研能力，同时对推动我国耐候钢输电铁塔和耐候钢的发展起到了积极的促进作用。

论文摘要      

输电铁塔耐候钢在不同大气环境下的腐蚀行为  

作者：葛兆军1，张强1，黄耀2，韩军科2

（1. 国家电网公司，北京100031；2. 中国电力科学研究院，北京100192）    

摘要：为推广耐候钢在输电杆塔中的应用，试制了输电铁塔用高强高韧型耐候钢。该型钢具有优异的力学性能：屈服强度高达510 MPa， 抗拉强度达568 MPa， 总伸长率大于27.5%， -40 ℃低温冲击功在89~176 J。采用SEM、XRD、EIS 等手段综合评价了输电铁塔耐候钢在4 个不同地方的耐腐蚀性能， 研究了耐候钢在不同大气环境中的腐蚀行为及其耐蚀机理。结果表明：输电铁塔耐候钢锈层电阻随暴晒时间增加而逐渐增大，锈层腐蚀产物主要由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4及一些非晶态腐蚀产物组成。河北曹妃甸地区耐候钢保护性锈层最稳定，输电铁塔耐候钢适合在河北曹妃甸、北京良乡和福建永泰地区使用， 暂不适合在福建平潭地区使用。

关键词： 输电铁塔； 耐候钢； 锈层电阻； 腐蚀产物

概述  

中国输电线路长期暴露在大气中， 塔材腐蚀较为严重， 虽然采用镀锌钢能缓解大气腐蚀危害，但存在镀锌成本高、镀锌工艺污染环境和镀锌铁塔后期需维护等问题， 因此亟须寻找新型防腐材料替代镀锌钢。美国、日本、德国等在20 世纪60 年代已将耐候钢应用到输电铁塔中。美国曾于1961 年将无喷涂型耐候钢材用于马塞诸塞州Pittsfield 近郊输电线路的钢管杆上。1962 年， 在宾夕法尼亚的Brookville 建成2 座输电铁塔， 其后弗吉尼亚电力公司在一条560 km 长的输电线路铁塔中全部使用了耐候钢。这些线路已经投运50 年以上， 目前运行状况良好。日本也曾于1975 年在77 kV 双回路角钢试验塔中应用SMA 系列耐候钢， 最大角钢规格为L150×15， 该塔于10 年后拆除并进行了耐腐蚀性能和机械性能试验。2000年， 日本还在33 kV 双回路钢管塔中应用SMA 系列耐候钢， 最大钢管规格为D139.8×3.5， 最大角钢规格为L130×10， 连接螺栓均采用热镀锌防腐。运行结果显示， 在工业大气、海洋大气和酸雨环境中， 耐候钢的耐蚀性能均优于普通碳钢， 但耐候钢构件的接头和基础连接等节点处的腐蚀较为明显。维蒙特工业有限公司在1998—2013 年为美国100 多条输电线路工程供应了A871 耐候钢输电杆塔。耐候钢输电线铁塔在美国取得了较为广泛的应用。

耐候钢在中国的输电铁塔方面的应用研究较少。中国电力科学研究院在2006—2007 年采用济钢JT 系列耐候钢完成了单片耐腐蚀性能和焊接性能试验， 但受冶金质量的影响试样的耐腐蚀性能未能达到预期效果。2009 年， 中国电力科学研究院完成了耐候冷弯角钢铁塔在厦门220 kV 梧侣—内官线路的试点应用， 为耐候钢板材的工程应用基本解决了材料供应、冷弯加工等环节的主要技术问题。但输电铁塔耐候钢均采用喷锌工艺进行防腐， 未裸露使用， 在使用三四年后， 底部存在绣液流挂严重等问题， 且非裸露使用， 阻碍了耐候钢表面锈层的稳定化形成过程。为进一步提高中国输电线路的节能环保性，推广耐候钢在输电线路的应用， 开展新型耐候钢在中国典型地区的大气暴露试验， 对新型耐候钢的耐腐蚀性能进行综合评价， 对提高中国电网防腐技术水平和提高输电线路安全性具有重要意义。

1 实验材料及方法  

传统耐候钢和新型耐候钢的化学成分如表1所示。

传统耐候钢主要采用添加Cu、P、Cr 和Ni等抗腐蚀性元素进行耐候设计， 而新型耐候钢主要采用低碳低磷微合金化的成分设计思路。新型耐候钢在不降低耐候性能的同时， 可以显着提高钢的强度（Nb 微合金化弥补C 降低引起钢强度下降）和韧性（低P 和低S 成分可以显着提高钢的韧性）。在2250 生产线上试制了2 卷Q420 耐候钢，试制轧制参数控制如表2 所示。

试制后的耐候钢为6.0 mm 厚的板材， 将板材冷弯成L90×6 规格角钢， 用角钢搭建成1.2 m 高的电力铁塔模型， 分别放置于河北曹妃甸（北方海洋大气）、北京良乡（北方乡村大气）、福建平潭（南方沿海环境） 和福建永泰梧桐（南方乡村大气）4 处。需要对出厂的耐候钢进行力学性能（GB/T228—2002）、冲击性能（GB/T 1591—2008）和弯曲性能（GB/T 232—2010） 指标检验， 检验合格才可制成小型电力铁塔。对暴露的新型耐候钢电力塔架， 分别在第3、6、9 和15 个月时采用人工锯切的方式在电力铁塔的顶部和底部进行取样， 采用扫描电镜（SEM）、电化学装置（EIS）和X 射线衍射仪（XRD）对耐候钢的抗大气腐蚀行为进行综合分析评估。锈层形貌分析过程为：在电力铁塔上切取金相试样， 用5%（体积分数）浓度的硝酸酒精进行超声波清洗， 以ZEISS ULTRA 55 场发射扫描电镜观察锈层表面和截面形貌。

电化学分析过程为：采用4 通道的METEK 仪器设备， 典型三电极系统进行电化学分析。铂片作为对电极， 饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极，带锈钢基体为工作电极。分别测量样品的极化曲线和交流阻抗谱。在0.5%（质量分数）NaCl 水溶液中分别测试极化曲线（扫描速度为5 mV/min）和交流阻抗（振幅为10 mV， 频率范围10-2~106 Hz）。锈层成分分析过程为：对从电力塔架顶部和底部锈刮下来的锈层粉末， 采用X 射线衍射仪（XRD）进行物相分析， 2θ 的范围是10°~60°， 扫描速度为2.0°/min， 靶材为铜靶， ZnO 作为内标物， ZnO 与腐蚀产物的质量比为3∶7， 以此测出腐蚀产物中α-FeOOH， β-FeOOH， γ-FeOOH 以及Fe3O4的相对质量分数。

2 实验结果

2.1 力学性能    

传统耐候钢的力学性能指标分别为：屈服强度345~450 MPa， 抗拉强度390~510 MPa， 总伸长率在20%~28%， -40 ℃冲击功≤30 J。新型耐候钢力学性能检测结果如表3 所示， 不同位置的板材弯曲性能合格， 从力学性能指标来看， 新型耐候钢板具有优越的高强高韧性能。

2.2 锈层形貌观察    

输电铁塔服役场所特征的不同， 使得输电铁塔不同位置不同结构的耐候钢材料腐蚀存在一致性差异， 也存在锈层稳定化周期长短不一的情况。为了解输电铁塔不同位置材料的一致性， 利用扫描电镜观察河北曹妃甸地区耐候钢顶部和底部的截面锈层， 发现顶部和顶部的截面锈层有差异，经统计分析发现， 15 个月后， 河北曹妃甸地区耐候钢顶部锈层的厚度约为337 μm， 底部锈层厚度约为381 μm， 说明输电铁塔底部的腐蚀速率稍快于顶部区域， 具体截面形貌如图1 所示。

分析顶部与底部两者的差异在44 μm， 这种差异率会随着暴晒时间的延长而逐渐减少， 在耐候钢铁塔关键设计中， 会预留毫米级的腐蚀厚度， 因此， 耐候钢不同位置不同结构微米级的腐蚀差异对输电铁塔耐候钢的通用性不会造成工程上的使用困难。观察四地塔架锈层微观形貌， 发现不同地域锈层形貌几乎相同， 都是由条状、球状不同形貌的锈颗粒组成， 不同形貌的锈可填充锈层之间的缝隙，使锈层更加致密， 对水有一定的隔绝作用。

2.3 电化学测试    

为了分析输电铁塔不同部位耐腐蚀效果的差异， 对取自不同地区的塔顶和底部的试样采用电化学工作站分别进行极化曲线和交流阻抗测试。电化学交流阻抗谱的数据用ZSimpwin 软件拟合，拟合电路如图2 所示。

其中， Rs为电解液的电阻；Rr为锈层电阻；Cr为锈层与体系溶液构成的电容；Cd为钢基体与深入锈层的电解液构成的电容；Rt为钢基体溶解反应的电荷传递电阻；Rw为Warburg 阻抗。电化学测试结果如图3 所示。

由图3 可知，输电铁塔腐蚀在良乡、曹妃甸和永泰， 在暴晒3个月、6 个月、9 个月和15 个月取样进行电化学分析， 发现顶部耐候钢输电铁塔顶部的锈层电阻都大于底部的锈层电阻， 表明顶部的锈层要比底部更加致密， 这是因为顶部位置受阳光、雨水的侵蚀更加充分和均匀， 因此均匀化腐蚀可以提高耐候钢耐蚀性能。良乡和平潭耐候钢锈层电阻值差别较小， 这是因为两地的腐蚀环境较为和缓，腐蚀程度较小， 形成的锈层的差别也较小。平潭地区在前期（3~6 个月）， 底部电阻大于顶部电阻，在后期（9~15 个月）， 顶部电阻大于底部电阻， 底部电阻出现了下降趋势， 说明稳定锈层在逐渐被破坏。15 个月时， 曹妃甸地区的耐候钢电阻为40~55 Ω， 平潭地区耐候钢电阻为10~23 Ω， 良乡地区耐候钢电阻为13~17 Ω， 永泰耐候钢电阻为9~11 Ω， 从电阻的变化趋势， 可以看出不同地区环境对电力铁塔耐候钢的腐蚀变化行为。

3 分析及讨论

3.1 环境特征分析    

耐候钢的腐蚀主要与大气环境有关， 影响大气腐蚀的因素主要为气候因素和环境污染因素。河北曹妃甸、北京良乡、福建平潭和福建永泰梧桐4 处的气候特征如图4 所示。

2014 年6 月—2015 年12 月， 良乡和曹妃甸变化较为接近， 最低温度都在0 ℃及以下， 最高月平均温度在25~28 ℃；福建平潭和永泰两地的温度较高， 最低温度都在0 ℃以上， 月平均最低温度为10~15 ℃， 月平均最高温度为27~30 ℃。一般而言， 较高的温度有加速腐蚀的影响。表面锈层的湿润时间是长期的大气腐蚀的最重要的影响因素， 影响锈层湿润的所有环境因素都对长期的大气腐蚀有影响。对四地的相对湿度统计如图5 所示。

可以看出， 良乡的相对湿度最低， 气候较为干燥， 曹妃甸比良乡略微湿润， 而平潭和永泰的湿度最高， 平潭因为处于海边， 湿度比永泰略高。湿度较高会导致腐蚀更为严重。空气中的SO2会加速钢基体的腐蚀， 钢的腐蚀速率和大气中的SO2的浓度几乎呈直线关系，随着相对湿度的增加， SO2的腐蚀促进作用更为明显。

由图6 可以看出， 曹妃甸地区的SO2浓度最高（高达80 μg/m3）， 其次为良乡地区（35~70 μg/m3）， 而福建两地相对较低（4~7 μg/m3）。

3.2 锈层物相分析    

利用X 射线衍射仪对锈层粉末的分析结果如图7 所示， 四地锈层主要由Fe3O4、α-FeOOH 和γ-FeOOH 组成。除了曹妃甸和平潭的锈层中含有少量的β-FeOOH， 其余两地都没有明显的β-FeOOH 的衍射峰出现。为了分析暴晒时间和大气环境对耐候钢腐蚀性能的影响，表4 列出了四地耐候钢暴晒6 个月和15 个月时的锈层成分中α-FeOOH 和γ-FeOOH的检测结果以及两者的相对含量的比值α/γ。有研究表明， 在大气环境中暴晒5~10 年后α/γ 的值约为1， 当暴晒时间超过10 年α/γ 的值大于2，并且α/γ 的值随暴晒时间的延长呈线性增加， α/γ越大耐候钢的稳定性和保护性能越好。暴晒15 个月后， 曹妃甸、良乡、永泰和平潭地方耐候钢α/γ 比值均小于1， 说明各地暴露的耐候钢铁塔均未达到稳定状态。

3.3 讨论    

耐候钢锈层的生成是一个循序渐进的复杂过程。在大气腐蚀初始阶段， Fe 溶解生成Fe2+， 水解成FeOH+， 随后在空气中氧化沉淀生成活性γ-FeOOH， 随着干湿交替进行， γ-FeOOH 逐渐溶解沉淀生成非晶态羟基氧化铁FeOx（OH）3-2x或α-FeOOH。锈层在转变过程中， 非晶态羟基氧化铁FeOx（OH）3-2x中含有相当数量的结合水。宏观上， 结合水能促进锈层颗粒之间的凝聚， 且当大气干湿交替或温度变化时， 可对锈层间的颗粒体积变化其缓冲作用， 避免产生裂纹；微观上，结合水可以促进活性γ-FeOOH 向非晶态羟基氧化铁和α-FeOOH 转变， 修补锈层孔洞和缝隙。

考虑到锈层保护性系数λ 需要较长的暴晒时间才能准确反映锈层稳定程度， 因此，主要考虑α-FeOOH 和γ-FeOOH 锈层的总体含量来评判耐候钢在不同地区的保护锈层生成情况。由表4 可知， 随时间延长， 四地的α-FeOOH 和γ-FeOOH 含量均有所升高， 仅是增加的程度有区别， 具体表现为： 腐蚀环境温和地区（北京良乡、河北曹妃甸）的α-FeOOH 和γ-FeOOH 含量增加较多， 其α+γ 总含量由6 个月时的7.97%和8.78%增加至13.61%和13.08%（15 个月时）， 而永泰α+γ 总含量增加偏少， 由8.31%增加至11.82%， 但是平潭地区， α+γ 总含量出现减少的趋势， 说明平潭地区的耐候钢的保护性锈层生成并不理想。当暴晒15 个月时， 永泰和平潭地区的α-FeOOH含量依然偏低， 而曹妃甸含量最高， 其次为良乡地区， 这说明就保护性的锈层来说， 曹妃甸地区锈层保护性好于良乡地区， 良乡地区好于永泰地区， 平潭锈层保护性最差。活性的γ-FeOOH 含量随着时间、地点的变化表明， 良乡和曹妃甸地区保护性锈层含量逐渐升高， 随着时间的延长， 耐候钢可以逐渐生成稳定、保护性良好的致密锈层。

曹妃甸地区的耐候钢锈层腐蚀速率较快， 形成稳定化锈层较为理想， 这主要由曹妃甸地区工业大气环境和近北方海洋环境决定的。曹妃甸地区的SO2浓度最高， 最高可达80 μg/m3， 耐候钢受SO2和Cl-双重腐蚀作用。在SO2大气环境下，潮湿SO2常常降低水的pH 值， 使锈层潮湿， 溶解最初的腐蚀产物γ-FeOOH， 并且促使γ-FeOOH 向非晶态羟基氧化铁和α-FeOOH 转变。因为近海环境， Cl-会促进耐候钢生成中间产物β-FeOOH， 在与铁接触条件下的β-FeOOH 会被还原成Fe3O4，加速耐候钢腐蚀。而福建平潭地区的腐蚀主要是Cl-腐蚀， 且含量偏高， 研究表明， 溶解的Fe2+和大量的Cl - 是β-FeOOH 产生的必要条件，β-FeOOH 含量增多， 会破坏耐候钢锈层结构， 降低耐候钢耐蚀性能， 因此， 平潭地区耐候钢的α/γ 和α+γ 含量偏低主要受南方海洋环境Cl-含量偏高影响， 稳定保护锈层不易生成。良乡和永泰地区的环境特征为乡村大气环境， 耐候钢的腐蚀主要受温度、湿度和CO2影响， 经物相分析表明，乡村大气环境腐蚀产物主要为α-FeOOH、γ-FeOOH 和Fe3O4， 且γ-FeOOH 和Fe3O4含量偏高， 由大气腐蚀速度与金属表面上水膜层厚度变化规律可知， 永泰地区相对温度和湿度高于北京良乡地区， 耐候钢腐蚀速率稍微偏高， 因此，暴晒至15 个月时， 永泰耐候钢锈层α/γ 值（0.44）高于北京良乡地区（0.35）。

4 结论 

（1） 锈层腐蚀产物主要由α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4及一些非晶态腐蚀产物（（FeOx（OH）3-2x， x=0~1））组成。其中， 曹妃甸和平潭地区耐候钢锈层有β-FeOOH。

（2） 暴晒15 个月后， 曹妃甸、良乡、永泰和平潭地方耐候钢α/γ 比值分别为0.82、0.35、0.44和0.56， 其中， 曹妃甸、良乡和永泰地区的α+γ含量均在9.86 以上， 而福建平潭地区的α+γ 平均含量下降至6.4， 耐候钢输电铁塔适合在北方乡村（良乡和永泰）和工业大气环境（曹妃甸）使用。

附：相关应用情况

安徽首条220千伏耐候钢铁塔线路启动送电    

2019年7月11日，安徽阜阳500千伏阜三（原鹿）变220千伏配套工程第二条线路，220千伏阜白线路送电成功，这是安徽地区第一个大量使用耐候钢铁塔成功送电的220千伏输电线路。    耐候钢铁塔与镀锌铁塔相比，耐候钢表面高度氧化，塔材电阻大、导电性能差，故铁塔组立后，每一基铁塔需装设四根专用接地线沿铁塔四根主材引接至基础接地线，与大地形成良好的防雷接地通道。    

该工程全线单、双回路混合架设，新建杆塔100基，其中耐候钢铁塔66基，合计新建220千伏线路路径全长27.375km，线路沿途经过阜南县张寨镇、焦坡镇、黄岗镇、柳沟镇、田集镇、鹿城镇、阜南经济开发区。涉及220千伏吕白线、220千伏邢白线在220千伏白果变侧构架进线间隔调整，拆除旧塔8基。

该线路工程于2018年9月3日基础工程正式开工，截至送电投产，历时312天。该线路工程投运后将进一步优化阜阳电网结构，提高电网输电能力和供电可靠性，满足阜阳电网迎峰度夏用电负荷增长需求。