輸電線路桿塔熱浸滲技術(shù)課件

輸電鐵塔鍍鋅及鍍鋁的最新發(fā)展指導老師前言

隨著我國輸電線路電壓等級的提高和大縱深大跨越輸電工程的開展，對輸電線路桿塔提出了更高的要求。輸電鐵塔是輸、變電系統(tǒng)中重要的結(jié)構(gòu)裝置，由于鋼制鐵塔的薄殼結(jié)構(gòu)和它處在較復雜的使用環(huán)境中，會受到嚴重的腐蝕，故在實際環(huán)境中均要求它在惡劣條件下具有良好的適應(yīng)性能和預(yù)期的使用壽命，以避免環(huán)境侵蝕的影響造成鐵塔受損并且增加固體廢棄物。輸電鐵塔的腐蝕破壞除對生活環(huán)境產(chǎn)生影響外，還將直接影響到輸電系統(tǒng)的可靠性和用電網(wǎng)絡(luò)的安全保障。因此，輸電鐵塔的腐蝕研究和防護技術(shù)的開發(fā)，已成為電力部門和環(huán)保部門重視的熱點課題。

目前有效的方法是鐵塔的熱浸滲鋅，但對于沿海地區(qū)和高腐蝕地區(qū)鍍鋁替代鍍鋅。熱浸滲技術(shù)的最新進展狀況的研究是非常有意義的。本論文通過對熱浸滲技術(shù)的討論和研究，具體闡述了輸電線路鐵塔熱浸滲鍍鋅和鍍鋁技術(shù)的原理和發(fā)展。

國外已經(jīng)采用了比我國強度高的多的鋼材。日本在1992年至1999年建成四段同塔雙回路共425Km的1000Kv線路，主材采用屈服強度392MPa的鋼管；到現(xiàn)在，設(shè)計規(guī)范又將鋼材屈服強度提高到440MPa。歐美國家大多采用屈服強度為450MPa的鋼材。歐美、日本等國家的500Kv及以上電壓等級輸電線路鐵塔基本用高強鋼，特別是新建線路鐵塔。俄羅斯的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中所列鋼材的強度等級已達到578MPa。我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的最高強度等級為420MPa（Q420鋼材），《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定》中的最高強度等級只有390MPa（Q390鋼材）。從各國的設(shè)計規(guī)范選材范圍及工程實際應(yīng)用情況來看，我國的高強度鋼使用水平已落后于發(fā)達國家。輸電鐵塔的腐蝕（一）輸電鐵塔腐蝕的特點

輸電鐵塔鋼結(jié)構(gòu)部件銹蝕狀況主要表現(xiàn)為以下2種情況。（1）局部銹蝕部分構(gòu)件表面有鍍鋅層，部分完好，部分有白色鋅銹，某些局部區(qū)域或別塔件有銹蝕現(xiàn)象。塔腳部分容易積灰，而且處于地表環(huán)境，濕度較大，容易被腐蝕，因此在塔腳部分容易產(chǎn)生局部銹蝕；當個別塔件鍍鋅層存在漏鍍、麻點、傷痕等缺陷時，該薄弱部位抵抗外部腐蝕能力差，容易產(chǎn)生局部銹蝕。

（2）整體銹蝕

大部分塔件的鍍鋅層完全腐蝕，基體鋼材銹蝕嚴重。整塔銹蝕主要出現(xiàn)在鹽霧濃度大的沿海地區(qū)或酸雨嚴重的工業(yè)區(qū)，在這些地區(qū)由于環(huán)境惡劣，輸電鐵塔投入運行3～4年后，便銹跡斑斑，之后再經(jīng)過1～2年便逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎P蝕。

（二）輸電鐵塔腐蝕的成因

新的輸電鐵塔通常采用熱鍍鋅的方法來進行防腐，在內(nèi)陸空氣干躁、純凈或腐蝕不嚴重的環(huán)境中，熱鍍鋅可以起到很好的防護作用，防護時間可達幾年甚至十幾年。但是，在重污染的工業(yè)區(qū)或尾氣排放量較高的市區(qū)，由于二氧化硫濃度高，在潮濕的環(huán)境中可與鋅發(fā)生反應(yīng)生成可溶鋅。生成可溶鋅后，鋅層便失去了它的防護作用，而且二氧化硫污染越重，鋅層腐蝕越嚴重。在二氧化硫濃度一定的情況下，環(huán)境濕度越高，鋅層腐蝕越快；環(huán)境溫度越高，鋅層腐蝕越快。例如，在北京地區(qū)，由于城區(qū)和公路附近二氧化硫濃度較高，這2個地區(qū)附近輸電鐵塔鍍鋅層狀況明顯不如位于河道、農(nóng)田區(qū)域的鐵塔。日本熱鍍鋅協(xié)會經(jīng)過10年熱鍍鋅大氣試驗，得到熱鍍鋅的耐用年限如表1

所示，日本的熱鍍鋅耐用年限試驗證明了上述結(jié)果。

在沿海地區(qū)，空氣中有大量鹽類顆粒很容易粘附在金屬表面，特別是NaCl、MgCl2等氯化物具有很強的吸濕性，在空氣濕度較大的情況下極易在鋅層表面形成水膜，這層水膜實質(zhì)上是一層含有溶解鹽的電解液膜。鍍鋅層表面在電解液膜的存在下，發(fā)生電化學腐蝕。離海岸越近，鹽霧離子的濃度越高，腐蝕也越嚴重。試驗表明，在臨近海岸的青島地區(qū)，熱鍍鋅的腐蝕速率為3.7μm/a，遠大于內(nèi)陸的武漢地區(qū)（腐蝕速率為1.4μm/a）。沙漠干旱地區(qū)雖然相對濕度低，但輸電鐵塔腐蝕依然很嚴重，這主要是由于高能量的風沙流和高鹽分的沙塵對桿塔的腐蝕，風速越大，腐蝕越嚴重。對于輸電桿塔，不同高度，腐蝕程度也不同，研究表明：地表的腐蝕最大，在1-9m高度內(nèi)腐蝕率有明顯下降，9-25m高度內(nèi)腐蝕率的下降幅度很小，說明隨高度增加大氣腐蝕的影響逐漸減弱。（二）熱鍍鋅層對鋼鐵防腐蝕的作用熱鍍鋅層對鋼鐵的保護效果比油漆或塑料層好的多。熱鍍鋅時，鋅與鋼鐵之間發(fā)生擴散，生成鋅鐵金屬間化合物層，即合金層。合金層與鋼鐵以及鋅之間均為冶金結(jié)合，比漆類與鋼的結(jié)合更牢固。暴露在大氣環(huán)境中的熱鍍鋅層數(shù)十年也不會脫落，直至完全自然腐蝕。鍍鋅層有小的裂紋或損壞時，鋅將以犧牲陽極的形式繼續(xù)防止裂紋或損壞處的鋼鐵生銹，這是鍍鋅層比其他涂鍍層優(yōu)越的主要特點。鐵鋅合金層含鋅在90%以上，對鋼鐵有與鋅近似的電化學保護作用；而且鐵鋅合金層硬度比純鋅高得多，因而鍍層抵抗碰撞和刮損的能力更高。由于鋅能溶解于酸和強堿，熱鍍鋅層只能適用于一般大氣和天然水環(huán)境中。鍍鋅層在接觸空氣和水時，會產(chǎn)生輕微的電化學腐蝕。在鄉(xiāng)村和空氣比較清潔的地區(qū)，鍍鋅層能維持很多年，而在工業(yè)污染區(qū)和海岸地區(qū)，鍍鋅層的耐用年限就較短。此外鍍層越厚，耐用年限越長，耐用年限與厚度幾乎成正比。（三）熱浸滲鍍鋅實現(xiàn)方法熱鍍鋅層形成過程是鐵基體與最外面的純鋅層之間形成鐵-鋅合金的過程，工件表面再熱浸鍍時形成鐵-鋅合金層，才使得鐵與純鋅之間很好結(jié)合，其過程可簡單地敘述為：當鐵工件浸入熔融的鋅液時，首先在界面上形成鋅與α鐵固溶體。這是基體金屬鐵在固體狀態(tài)下溶有鋅原子所形成一種晶體，兩種金屬原子之間是融合，原子之間引力比較小。因此，當鋅在固溶體中達到飽和后，鐵鋅兩種元素相互擴散，擴散到鐵基體中的鋅原子在基體晶格中遷移，逐漸與鐵形成合金，而擴散到熔融的鋅液中的鐵就與鋅形成金屬間化合物FeZn13，沉入熱鍍鋅鍋底，即為鋅渣。當工件從浸鋅液中移出時表面形成純鋅層，為六方晶體。其含鐵量不大于0.003%。（四）熱浸鍍鋅的工藝過程及相關(guān)說明

1、工藝過程工件→脫脂→水洗→酸洗→水洗→浸助鍍?nèi)軇娓深A(yù)熱→熱鍍鋅→整理→冷卻→鈍化→漂洗→干燥→檢驗2、有關(guān)工藝相關(guān)說明（1）脫脂可采用化學去油或水基金屬脫脂清洗劑去油，達到工件完全被水浸潤為止。（2）酸洗可采用H2SO415%，硫脲0.1%，40-60℃或用HCl20%，六次甲基四胺1-3g/L，20-40℃進行酸洗。加入緩蝕劑可防止基體過腐蝕及減少鐵基體吸氨量。脫脂及酸洗處理不好會造成鍍層附著力不好，鍍不上或鋅層脫落。（3）浸助鍍劑也稱結(jié)合劑，可保持在浸鍍前工件具有一定活性，為增強鍍層與基體結(jié)合。NH4Cl15%-25%，ZnCl22.5%-3.5%，5-10min。為減少NH4Cl揮發(fā)可適當加入甘油。（4）烘干預(yù)熱為了防止工件在浸鍍時由于溫度急劇升高而變形，并除去殘余水分，防止產(chǎn)生爆鋅，造成鋅液爆濺，預(yù)熱一般為120-180℃。（5）熱鍍鋅要控制好鋅液溫度，浸鍍時間及工件從鋅液中移出的速度。溫度過低，鋅液流動性差，鍍層厚且不均勻，易產(chǎn)生流掛，外觀質(zhì)量差：溫度高，鋅液流動性好，鋅液易脫離工件，減少流掛及皺皮現(xiàn)象發(fā)生，附著力強，鍍層薄。外觀好，生產(chǎn)效率高：溫度過高，工件及鋅鍋鐵損嚴重，產(chǎn)生大量鋅渣，影響浸鋅層質(zhì)量，鋅耗大，甚至無法施鍍。在同一溫度下，浸鍍時間長，鍍層厚。不同溫度，要求同樣的厚度時，高溫浸鍍所需要的時間長。為了提高在較低溫度下熱浸鍍液的流動性，防止鍍層過厚，并提高鍍層外觀，常常加入0.01%-0.02%的純鋁。鋁要少量多次加入。熱浸滲鍍鋁技術(shù)（一）熱浸鍍鋁發(fā)展概述

熱浸鍍鋁技術(shù)是將經(jīng)過一定前處理的鋼鐵材料或制品放入一定溫度的熔融鋁或鋁合金熔液中，浸漬適當時間，這時便發(fā)生鋁液對鋼表面的浸潤、鐵的溶解以及鐵原子與鋁原子的相互擴散和反應(yīng)，在鋼鐵表面形成Fe-Al金屬間化合物，從而得到結(jié)合力較好的鍍層。熱浸鍍形成的中間Fe-Al化合物層和最外層鍍液層可有效地保護鋼鐵材料。熱浸鍍鋁是繼熱浸鍍鋅之后發(fā)展起來的一種高效的表面防護技術(shù)。這是一種鋼鐵表面強化、表面防護和表面美化綜合作用的防護手段。鍍鋁層不僅有鋁的銀白色外觀和耐侯性，而且還具有優(yōu)良的耐H2S等強腐蝕劑的腐蝕性能，同時具有良好的耐高溫氧化、耐滲碳、耐磨及對光和熱的反射性能等。此外，鍍鋁鋼還具有鋼的機械強度和良好的韌性。人們稱熱浸鍍鋁鋼材是一種集綜合性能與特殊性能于一體的復合金屬材料。圖1森吉米爾法鋼帶連續(xù)鍍鋁生產(chǎn)線示意圖1.開卷機；2.剪切機；3.焊機；4.活套坑；5.氧化爐；6.還原爐；7.冷卻段；8.鍍鋁鍋；9.冷卻；10.卷取機其主要工藝流程是，鋼帶先通過氧化爐，在爐內(nèi)加熱到400～500℃，燒去鋼帶表面的軋制油和其他污垢，隨即進入還原爐，并被加熱到750～800℃，在含氫的保護氣氛中，鋼帶表面的氧化膜被氫還原，并形成海綿狀純鐵，然后經(jīng)過冷卻段冷卻到稍高于鋁液的溫度時，通過爐鼻在不接觸空氣條件下進入鋁鍋中鍍鋁。鋼帶繞過鋁鍋中的沉沒輥轉(zhuǎn)向，再經(jīng)過鍍輥垂直出鍋，并用鍍輥控制鍍層厚度，繼續(xù)垂直向上經(jīng)過風冷和水冷后經(jīng)活套存貯器到卷取機被卷取成鋼帶卷，也可在線上切成鋼板。這種方法適合于鋼帶等的連續(xù)熱浸鍍鋁。（2）熔劑法溶劑法的主要工藝流程是：（1）無覆蓋熔劑的熱浸鍍滲鋁技術(shù)。

在鋁液中加入微量合金元素（如Ga、In、Re、Si），使其對鋁液面有較好的抗氧化作用。所添加的微量元素Ga、In、Re、Si對鋁液面的抗氧化性具有顯著提高，且隨元素的質(zhì)量分數(shù)的變化而有所不同。在鋼材熱浸鍍滲鋁時，可以考慮采用鋁液中添加微量合金元素的方法替換傳統(tǒng)的覆蓋熔劑法，從而縮短工藝流程，降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。（2）超聲波熱浸鍍滲鋁技術(shù)。超聲波熱浸鍍滲鋁研究的出現(xiàn)，拓展出外場作用下熱浸鍍滲鋁技術(shù)新的熱點。功率超聲的引入不但縮短了熱浸鍍時間，而且由于液體中無所不在的超聲波強烈空化效果，使得復雜工件的各個部分如孔洞、縫隙、內(nèi)壁等均可得以充分潤濕和反應(yīng)，可極大地提高熱浸鍍滲層表面質(zhì)量及結(jié)合力。

（1）無覆蓋熔劑的熱浸鍍滲鋁技術(shù)。

在鋁液中加入微量合金元素（如Ga、In、Re、Si），使其對鋁液面有較好的抗氧化作用。所添加的微量元素Ga、In、Re、Si對鋁液面的抗氧化性具有顯著提高，且隨元素的質(zhì)量分數(shù)的變化而有所不同。在鋼材熱浸鍍滲鋁時，可以考慮采用鋁液中添加微量合金元素的方法替換傳統(tǒng)的覆蓋熔劑法，從而縮短工藝流程，降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。（2）超聲波熱浸鍍滲鋁技術(shù)。超聲波熱浸鍍滲鋁研究的出現(xiàn)，拓展出外場作用下熱浸鍍滲鋁技術(shù)新的熱點。功率超聲的引入不但縮短了熱浸鍍時間，而且由于液體中無所不在的超聲波強烈空化效果，使得復雜工件的各個部分如孔洞、縫隙、內(nèi)壁等均可得以充分潤濕和反應(yīng)，可極大地提高熱浸鍍滲層表面質(zhì)量及結(jié)合力。

超聲對于液體凝固過程的基本機理是聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)。通過這兩個基本機理，超聲振動對凝固過程有晶粒細化、超聲除氣和組織均勻化等作用。熱浸鍍鋁的過程實質(zhì)上是鋁在鋼表面凝固及熱擴散成膜的過程，故可以將超聲引進熱浸鍍滲鋁工藝。（三）熱浸滲鍍鋁的性能

1、光熱反射性在溫度高達500℃時,鍍層仍能反射回入射的80%輻射熱量,這在節(jié)約能源方面是一個突出的優(yōu)點。在500℃以上時,由于鐵鋁合金的影響使鍍層顏色變暗,其熱反射性能因此受到影響而有所降低。由于這一點,在相同條件下,可使基體材料本身的溫度降低輸電線路桿塔熱浸滲鍍鋅和鍍鋁技術(shù)展望（一）對鍍鋅鋼才未來展望現(xiàn)在鍍鋅工藝是一個成熟的工藝，鍍鋅產(chǎn)品已在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。但由于不斷的競爭核心的質(zhì)量要求，要求在技術(shù)上不斷突破和發(fā)展。以下幾項是今后值得研究的話題：1、鋼的成本這是一個主要課題，他又很多具體的環(huán)節(jié)組成，成本應(yīng)包括生產(chǎn)周期的全部費用，需要考慮包括生產(chǎn)成本、廢品成本、副產(chǎn)品成本、三廢治理成本、用戶加工費、壽命、耐腐蝕性和可回收性等。熱軋鍍鋅在降低成本方面有很多優(yōu)勢，因此將是一個發(fā)展方向。2、高強鋼高強鋼必須在鍍鋅工藝方面有所發(fā)展，以便在競爭激烈的市場中占有一定份額。高強鋼具有經(jīng)濟適用、價格穩(wěn)定、具有較好的硬度、成本性好、可回收再利用等優(yōu)點。缺點是易腐蝕、比重大。熱鍍鋅HSLA鋼在一定程度上克服了這兩個缺點，它耐腐蝕，其強度/重量比較高，比一些有色金屬有優(yōu)勢。3、表面質(zhì)量有些觀點認為，鋼板的成型性不夠，有些觀點認為，與一些替代產(chǎn)品相比，鋼板表面質(zhì)量有待提高。因此，研究解決鍍鋅板表面質(zhì)量問題（包括加工后生產(chǎn)的表面質(zhì)量問題）是一個主要課題。4、裝配大部分鍍鋅產(chǎn)品是與其他部件裝配在一起使用的，激光焊和搭接焊正在變得越來越普遍，這個變化會引起焊機的變化，還會對表面粘附性及鍍鋅板邊部質(zhì)量有更高的要求。5、環(huán)保任何新產(chǎn)品都應(yīng)該可以再利用，任何新工藝都應(yīng)該符合環(huán)保要求。應(yīng)努力減少二氧化碳和其他污染物的排放，提高能源利用率，因為節(jié)省能源的同時，也可以減少污染物的排放。鍍鋅產(chǎn)品的另一個危害是鋅離子通過雨水對水產(chǎn)生污染，應(yīng)努力減少鍍鋅產(chǎn)品中鋅離子產(chǎn)生的危害。（二）對鍍鋁鋼才未來展望目前，鍍鋁鋼材的質(zhì)量與應(yīng)用領(lǐng)域均鍍鋅鋼材少得多，但其未來的發(fā)展前景是廣闊的。從資源來看，鋅資源是無法與鋁資源相比的。地球上鋁是金屬元素中最豐富的金屬元素，占地殼中資源量的7.73%（重量）。在所有的金屬和非金屬總和中其數(shù)量排位第三。可見，鋁在地殼中分部最多