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800 kV 裕隆换流站 GIS 钢结构的防护

时间:2013-05-28 08:56:16  来源: 金属材料与冶金工程  作者:易江平

摘 要: 以裕隆高电压换流站钢结构工程中使用的防护为背景, 介绍了冷喷锌涂料的原理、优势及在施工过程中的各项参数。 该锌盾镀层能够有效隔绝防腐因子并具有极佳的长效防腐能力。
关键词: 钢结构; 防护; 冷喷锌镀层

锦屏-苏南 800 kV 直流输电工程是目前世界上电压最高的直流输电工程, 设计输送电容量 7 200 MW。 送出端的裕隆 800 kV 换流站位于四川省凉山彝族自治州西昌市西南 12 km 的裕隆乡。 站址所在区域属安宁河断陷河谷西岸Ⅱ级阶地, 高程在 1 512~1 534 m 之间, 主要设计参数为: 风压按 50 年一遇基本风压 0.49 kPa。抗震设防烈度为 8°, 设计基本地震加速度值为0.314 s, 特征周期值 0.40 s, 抗震构造措施设防烈度为 9°, 屋面活荷载为 0.7 MPa/m2。
1 钢架结构简介
该换流站的 500 kV 交流场 GIS 室采用轻钢门式钢架结构, GIS 室全长 200 m, 门式钢架高14.25 m, 跨度 14 m, 内设有 5 t 电动单梁吊车,吊车梁钢牛腿顶标高为 11.2 m, 钢架柱采用 600mm 高轻型 H 型钢。 钢架柱和混凝土基础连接方式采用杯口插入式。 主要构件包括钢柱、 钢梁、 屋面及柱间支撑, 钢吊车梁等重量约 300 t。由于钢架属永久性建筑, 又地处河谷岸边, 风压较大, 屋面活载荷也大, 受气候变化和日晒雨淋时, 表面会迅速氧化, 严重影响钢结构的强度和使用寿命。 因此, 对其进行防腐处理是一项重要的工程。
2 钢架防腐技术选择
    金属防腐在世界各国的行业中都造成过重大损失, 是世界性的难题。 全世界每年因腐蚀造成的钢铁损耗量达 2.3 亿 t, 约占全年钢铁产量的 30%[1]。 我国每年因腐蚀所导致的经济损失占工业 GDP 的 3%~5%。 侯保荣院士在获山东2009 年度科技最高奖后接受记者采访时说 ,2008 年我国因腐蚀所造成的经济损失超过 9 000亿元, 海洋腐蚀所造成损失占三分之一, 如果采取有效的防护措施, 我国每年因腐蚀造成的损失将减少 25%~40%[2]。 因此在各行业的基础设施建设中, 都把金属防腐工程当成一个重要的组成部分, 特别是在设计一些百年工程设施过程中更是如此, 如三峡工程、 南水北调工程、西气东输工程、 高铁工程等, 既考虑耐久年限,所处环境, 涂层底材种类, 也考虑以后维修的难易程度等。
    对于露天的钢架防腐处理, 一般选择喷涂锌及锌合金丝材, 铝及铝合金丝材, 或者选择喷涂铝粉, 或其它涂料。 但选择喷锌工艺较成熟, 效果也较好。 因为锌有很好的耐蚀性能,在空气或 pH 值 6~12 的水中长期使用不腐蚀,在海水中的腐蚀速度也较慢。 有人曾对不同厚度锌涂层在不同的使用环境下的服役年限作过研究。
    由表 1 可见, 锌涂层不论在普通大气、 含硫的区域大气、 含盐分的区域大气下, 或海水中都能对钢提供长效的防腐蚀。 如果对其涂层系统进行适当的封孔或刷漆处理, 能极大的减少维修量和延长使用寿命。 因此不论国内外对其研究报道的文献都较多。 特别是国外, 对富锌底漆使用得最多的是环氧富锌底漆[3]。 这种漆不仅施工方便, 而且对底材的处理要求也相对较低。 美国使用底面合一的单层水性无机富锌底漆, 效果良好, 但对涂装工艺要求较高。 欧洲近年努力推广热喷锌或铝/镁合金, 对底材处理要求为 Sa2.5~Sa3 级, 孔隙率要求≤5%。 而德国近几年在风电塔架防腐涂层体系方面开发出了可自修复塔架外壁涂层的涂料[4]。
3 钢架防腐涂层设计
根据上述论证的钢架防腐保护涂层, 拟用喷锌技术来处理, 这是源于锌的特殊防腐功能而言的。
3.1 阳极保护功能
    所谓锌涂层的阳极保护功能, 是因为它遵循电化学腐蚀的规律, 即将锌喷涂到钢铁结构件上时, 由于锌的电极电位低于钢铁, 当表面喷涂的锌受到电解质的侵蚀时, 锌作为阳极失去电子, 而钢铁本身作为阴极, 仅起到传递电子的作用, 本身无电极电位的变化, 也不会失去电子而得到保护, 这就是所谓的阴极保护功能。
3.2 涂层保护技术设计
    对裸钢的喷锌保护有几种方法: 如氧乙炔焰热喷涂法 (即火焰喷涂法)、 电弧喷涂法和冷喷锌法等, 各有其优缺点。 热喷涂是将喷涂材料熔化, 借助氧乙炔焰的喷射压力和速度使熔滴沉积到基体上, 而电弧喷涂是以电弧为热源,它需要喷涂材料能导电才能产生电弧。 它们的缺点是由于高温容易造成喷涂材料的氧化; 优点是与基体的结合强度较高。 而冷喷锌是由纯度高于 99.995% 的原子化提炼的锌粉, 与挥发性溶剂, 有机树脂助剂组成的单组分防腐材料,可在常温下实现喷锌, 而且涂层中的固体锌含量可达到 96% 以上。 它不仅有较强的附着力,也具有良好的重涂性能, 这是其它方法都无法与之比拟的。 它所需的设备简单, 操作简便,不使用易燃气体, 安全性能高, 经济效益的可比性强, 所以该高电压输电换流站的钢结构防腐涂层技术选择冷喷锌技术。
3.3 涂层体系设计要求
根据设计要求, 涂层体系要具备 25 年以上的防腐周期, 也就是说 25 年后再进行涂层修复。 这一要求说明涂层体系的配套是很重要的,它要求底漆与基体金属具有一点的渗透性和高的附着力, 同时要求与后道涂层具有极好的兼容性和附着力, 中间涂层要具备屏障作用, 能起到隔断外来介质渗透浸蚀的能力。 此外, 面漆是直接接触环境的涂层, 不但需要接受耐受环境的要求, 也要起到加强阻隔外来介质的侵蚀和与中间涂层高的附着力。 由此该涂层体系设计选择锌盾涂层体系。 该体系的优点是: 锌盾涂层与钢铁具有良好的结合力, 有特殊的融合机理,, 能使金属锌微粒与钢铁表面形成极性分子, 这种极性分子间的强大化学键作用力,使涂层随着时间推移会变得更加致密, 当受到刮擦时, 它的氧化膜会自然封闭, 保护涂层不被进一步氧化, 或者说锌层难以脱落, 因为这种锌盾涂层是由纯度高于 99.995% 的锌, 通过湿法冶金方法制取的原子化锌粉, 再加挥发性溶剂有机树脂、 助剂组成的单分子新型防腐涂料。 其干膜锌含量 96%以上, 设计锌层厚度 70μm, 面涂层厚度 10 μm。
3.4 锌盾涂层体系技术参数
3.4.1 锌盾涂层的物理参数
锌盾涂层的物理参数见表 2。 从表 2 可以看出, 锌盾涂层体系属触变性粘稠液体, 抗滑移系数大, 可采用刷涂和冷喷涂工艺来操作。 因为它具有极强的附着力和耐冲击性。
3.4.2 锌盾涂膜的抗蚀性能
锌盾涂膜的抗腐蚀性能电流密度见附图从附图可以看出, 随着干燥涂膜中含锌量的增加、 腐蚀电流密度增加, 也就是说, 抗腐蚀的能力增强。 因为裕隆换流站钢架工程所处的地理位置属内陆河流岸边, 不同于沿海岸边,也不同于含硫的工厂区域,。 所以对内陆钢架的保护, 选用冷喷锌涂层来抵抗风吹日晒产生的水蒸气和部分酸雨侵蚀的能力是足够的, 设计的涂层厚度也是足够的。
4 锌盾涂层体系的施工
防腐涂层施工质量的好坏, 直接影响工程的耐久年限。 有研究认为, 影响防腐涂层耐久性的因素有[5]: 工件表面处理占 49%, 涂装方法和技巧占 20%, 涂装层数和厚度占 19%, 环境条件占 7%, 选用的同类品种涂料的质量占 5%。由此可见, 涂层的施工工艺十分重要。
4.1 底材处理工艺技术
    钢架在表面喷漆后发生锈蚀, 说明漆膜下的钢架接触到空气中的水和氧气, 发生了电化学反应所致。 据英国帝国化学公司介绍, 涂层寿命受到表面处理、 涂装施工和涂料本身质量 3个方面的因素制约, 其中底材的表面处理占60%[6], 而国内的研究认为是占 49%, 不管占多少, 只要表面存在锈蚀、 盐粒、 油污或水液,都会导致漆膜与金属不能紧密结合, 出现气孔、针孔等弊端, 加快涂层的失效。 所以对底材的表面采取喷砂处理, 对喷砂处理不到的某些地方要用手提电动工具进行除锈, 无肉眼可见的锈迹, 并用高压空气清除灰尘, 使清洁度达到ISO8501Sa2.5 级标准, 粗糙度 Rz = 40 ~ 70 μm。
4.2 喷涂工艺技术
    底材喷涂采用冷喷锌法, 在自然环境下,保持底材干燥, 处理后的停留时间不超过 4 h 的情况下进行喷涂。 喷涂采用无气喷涂, 喷涂压力 10~16 MPa, 喷嘴孔径 0.48~0.63 mm, 在锌盾涂层搅拌均匀的情况进行喷涂, 底漆喷涂分二道次, 喷涂厚度 70 μm。 底漆喷涂完成后,加两道次涂料防腐和两道次氯化橡胶面漆封闭。总厚度 80 μm。
4.3 喷涂质量检测
漆膜下金属发生锈蚀, 其金属的阴极部位必须有足够的氧气透过。 透氧率决定锈蚀的的速度, 涂层越厚透水率就越低, 所以在自然环境下的重防腐涂层都是厚膜型。 故此对涂层的厚度检测是第一位的。 检测涂层厚度的仪器是测厚仪, 不论是进口或是国产的测厚仪, 首先要在平面上校准后才能检测, 否则读数误差会很大。 最后是测试虚喷, 虚喷是由于喷枪距离被喷涂的底材表面太远, 喷雾颗粒在到达工件表面时, 因溶剂过多挥发而成了干颗粒, 没有与工件溶接在一起, 存在空隙, 使空气中的水和氧很容易通过漆膜到达工件表面, 导致锈蚀发生。
5 结 语
合理的涂层设计, 需要高质量的表面处理、严格的按规程施工和严格的质量检验相配合,才能达到设计要求。 裕隆换流站钢结构的防护是在专业人员和业主通过现场多点厚度检验和无虚喷情况下交付使用的,涂层质量应能满足使用要求, 当然实际的防腐耐久性有待 20 年后见效果。

参考文献略 
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