Эффективность применения
цинкнаполненных покрытий ВМП
для защиты от коррозии опор линий электропередачи

Нудель В.С., зам. ген. директора, заслуженный строитель России
Субботина О.Ю., директор по ЛКМ, к.х.н.
Ярославцева О.В., нач. ГАП ЛАЛКМ, к.х.н.

ЗАО НПП Высокодисперсные металлические порошки (ВМП), г. Екатеринбург

Рассмотрено современное состояние дел в области защиты от коррозии металлоконструкций опор линий электропередач (ВЛ) в России. Представлена информация о цинкнаполненных покрытиях производства научно-производственного предприятия ВМП и основанной на их применении технологии «холодного» цинкования. Показана перспективность данной технологии для защиты от коррозии металлоконструкций в энергетике взамен традиционных методов - горячего цинкования и обычных лакокрасочных покрытий благодаря сочетанию повышенной долговечности, экономичности, простоты применения для новых и эксплуатируемых конструкций.

Введение. Актуальные проблемы Единой национальной электрической сети
Трудно переоценить значение электроэнергетики в нашем мире. Без преувеличения можно сказать, что стабильность работы промышленных предприятий и транспорта, жизнеобеспечение населения и, в конечном счете, энергетическая безопасность страны во многом зависят от надежности системы передачи электроэнергии. Вопросы обеспечения работоспособности электросетевых объектов в настоящее время как никогда актуальны для России.
С одной стороны, износ активной части фондов в электроэнергетике по данным экспертов [1] составляет 60-65 %. В частности воздушные линии электропередачи (ВЛ) активно сооружались и вводились в эксплуатацию в 60-х – 70-х годах прошлого столетия, и в настоящее время складывается ситуация массового окончания нормативного срока их службы.
С другой стороны, из-за недостаточной мощности ВЛ, связывающих Дальний Восток, Сибирь и европейскую часть страны до сих пор остается невостребованным энергетический потенциал сибирских гидроэлектростанций: «запертые» мощности в этом регионе составляют порядка 7-10 млн.кВт [1]. Развитие межсистемных ВЛ позволило бы снять напряженность нагрузки в перегруженных энергосистемах европейской части России.
Таким образом, одними из основных направлений развития электроэнергетики на ближайшее время считаются: строительство новых магистральных сетей для передачи электроэнергии от вновь строящихся и действующих станций в узлы с большой электрической нагрузкой, а также реконструкция уже существующих ВЛ с целью повышения их пропускной способности и надежности [1].

Современное состояние вопроса противокоррозионной защиты металлоконструкций опор ВЛ
Опоры ВЛ являются важными составляющими электросетевой инфраструктуры. В течение срока эксплуатации они испытывают серьезные климатические нагрузки, обусловленные воздействием открытой атмосферы различной степени коррозионной агрессивности с широкими пределами колебаний температуры и влажности, что в конечном результате приводит к коррозии. Поэтому одним из условий бесперебойного электроснабжения является требование, чтобы конструкции опор обладали высокой коррозионной прочностью и долговечностью. Последнее может быть обеспечено применением коррозионно-стойких материалов или качественной антикоррозионной защитой.

Широкое применение атмосферостойких низколегированных сталей сдерживается их высокой стоимостью. Кроме того, в соответствии со СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии», эти стали, исключая марки 10ХНДП и 15ХСНД, даже в слабоагрессивной среде, должны применяться только в сочетании с защитными покрытиями. Нарушение этого требования приводит к развитию коррозии. Так, в ходе осмотра состояния опор ВЛ - 500 кВ "Тобольск-Ишим" при подходе к подстанции «Заря» (г. Ишим, Тюменской области) специалистами эксплуатирующей организации совместно с представителями ЗАО НПП ВМП были выявлены коррозионные поражения незащищенной атмосферостойкой стали уже через 8 лет после начала эксплуатации опор.
В качестве защитных лакокрасочных покрытий (ЛКП) для опор ВЛ у нас в стране традиционно использовали материалы, относящиеся к, так называемой, дешевой ценовой категории: масляные, масляно-битумные, битумные, алкидные с наполнителями из алюминиевой пудры или железного сурика. Срок службы этих покрытий не превышает 2-8 лет [2]. Разрушение ЛКП сопровождается интенсивной подпленочной коррозией, что приводит в конечном итоге к снижению несущей способности опор, а в особо агрессивных условиях к их преждевременному разрушению [2,3]. Более того, применение ЛКП для защиты опор высоковольтных линий вообще отсутствует в нормативных документах отрасли.

В соответствии с нормативными документами [4-7], регламентирующими изготовление и контроль качества конструкций опор ВЛ свыше 1 кВ, защиту от коррозии следует выполнять в виде горячего цинкования. Действительно, горячецинковые покрытия являются надежным и испытанным методом защиты металлических элементов ВЛ [2,3]. Обследование состояния ВЛ 500 кВ «Московского кольца», проведенное экспертами Союзтехэнерго в 2005 году, показало, что оцинкованные опоры со сроком службы, близким к нормативному, потери сечения не имеют. В то время как для опор, подвергавшихся окраске и не окрашиваемых длительное время, потеря сечения от коррозии составила: раскосов до 15 %, поясов до 3 % (в отдельных случаях до 10%) при допустимом значении потери сечения не более 20 % для опор, сооруженных до 1970 г., и не более 10 % - сооруженных после 1970 г. [8].

Однако, горячецинковые покрытия не всегда являются оптимальным решением проблемы. Так отраслевой стандарт [7] устанавливает, что горячецинковое покрытие толщиной 80 мкм в условиях эксплуатации опор ВЛ должно обеспечивать срок службы 20 лет. Вместе с тем, развитие промышленности и растущий рост загрязнения атмосферы приводит к тому, что реальный срок службы горячецинковых покрытий сокращается. Как известно [9], скорость коррозии цинка существенно увеличивается в атмосфере с SO2, соответственно срок службы горячецинковых покрытий в промышленной атмосфере не превышает 10-15 лет [3]. Этот факт наглядно демонстрируют результаты осмотров опор ВЛ 500 кВ на линиях Рефтинская ГРЭС – Тагил, Рефтинская ГРЭС – Тюмень I, Рефтинская ГРЭС – Тюмень II, Козырево – Рефтинская ГРЭС (район с развитой металлургической промышленностью), проведенных эксплуатирующей организацией с привлечением специалистов ЗАО НПП ВМП. В ходе осмотров было выявлено, что горячецинковое покрытие толщиной порядка 150 мкм за 20 лет полностью выработало свой ресурс (рис.1), и без проведения ремонтных работ дальнейшая эксплуатация опор может привести к потере несущей способности.

Метод «холодного» цинкования для решения проблем коррозии опор ВЛ
Научно-производственное предприятие «Высокодисперсные металлические порошки» (ВМП) более 15 лет занимается разработкой, производством и внедрением современных материалов для «холодного» цинкования.
Технология «холодного» цинкования заключается в нанесении лакокрасочными методами композиций, содержащих в качестве антикоррозионного пигмента высокодисперсный цинковый порошок специального качества [10]. Полученные таким образом цинкнаполненные покрытия (ЦНП) сочетают в себе достоинства традиционных лакокрасочных и металлических покрытий и обладают рядом неоспоримых преимуществ (табл. 1). Кроме того, расчет технико-экономических показателей получения ЦНП (табл. 2) наглядно демонстрирует экономическую выгоду: применение «холодного» цинкования взамен горячего дает экономию 30-40% на 1 т металлоконструкций без учёта транспортных расходов. Экономический эффект от применения ЦНП по сравнению с традиционными ЛКМ следует рассматривать с точки зрения отложенных затрат на ремонт: за счет того, что системы на основе ЦНП обладают большим в 2-3 раза сроком службы, стоимость эксплуатации покрытия в расчете на год эксплуатации оказывается ниже.

Данные табл. 1 и 2 позволяют отметить очевидную перспективность метода «холодного» цинкования для решения современных проблем электроэнергетики. В частности, применение горячего цинкования для опор на вновь строящихся ВЛ в настоящее время оказывается экономически невыгодно из-за географической удаленности основных производственных мощностей по горячему цинкованию, расположенных в европейской части России (Домодедово, Белгород, Конаково), от основных строительных площадок (территории восточнее Урала). Проблема применения горячецинковых покрытий на осваиваемых территориях также усугубляется традиционно сложившейся промышленной специализацией регионов: металлургическая, химическая промышленности, вредные выбросы которых содержат значительные количества SO2. То есть срок службы горячецинковых покрытий без дополнительной защиты лакокрасочными покрытиями может оказаться ниже нормативного. Нанесение же лакокрасочного покрытия на оцинкованную поверхность имеет определенные технические трудности.

Техническое обслуживание ВЛ предполагает проверку состояния антикоррозионного покрытия металлических опор ВЛ не реже 1 раза в 6 лет и при необходимости незамедлительное осуществление ремонта [11]. Возобновление покрытия методом горячего цинкования в условиях действующего объекта зачастую имеет технические сложности и экономически нецелесообразно. В мировой практике при восстановлении защитного покрытия опор ВЛ, в том числе и горячецинкового, широкое применение находит технология, включающая гидроструйную очистку поверхности от солей и других загрязнений, гидроабразивную очистку металла от ржавчины с последующим нанесением кистью цинкнаполненного грунта (ЦНП) и винилового покрывного слоя [12-14].
В связи с тем, что на территории РФ линии ВЛ разбросаны на сотни километров и проведение ремонтных работ зачастую сопряжено с невозможностью применения высокопроизводительных агрегатов, ЛКМ, применяемые для ремонтной окраски опор ВЛ, помимо требований коррозионной стойкости в атмосфере с высокой степенью загрязнения, хорошей адгезии и эластичности покрытий должны обеспечивать простоту проведения восстановительных работ с использованием ручных методов. ЛКМ должны иметь хорошую укрываемость острых кромок и углов, высокую степень проникновения в щели конструкции, быть толерантны к недостаточно очищенной поверхности, допускать нанесение кистью и образовывать при этом равномерную по толщине пленку, обеспечивать быстрое отверждение покрытия [15].

Всем вышеперечисленным требованиям отвечает система покрытий ВМП на основе метода «холодного» цинкования [11]:

ЦИНОЛ (2 сл) + АЛПОЛ (1 сл), с общей толщиной 120-140 мкм.

В этой схеме цинкнаполненное покрытие ЦИНОЛ содержит до 96 % (масс.) цинка и по своим электрохимическим свойствам близко к цинковому металлическому покрытию (рис.2), благодаря чему осуществляет эффективную протекторную защиту стали [16,17]. Покрытие АЛПОЛ на основе алюминиевой пудры придает типичный для металлических покрытий декоративный вид и благодаря чешуйчатой форме частиц пигмента дополнительно экранирует поверхность ЦИНОЛа, замедляя во времени окисление цинка. Сочетание активной и пассивной защиты (протекторного и барьерного механизмов) в комплексном покрытии ЦИНОЛ+АЛПОЛ является залогом его повышенной надежности и долговечности.

Коррозионный износ горячецинкового покрытия подчиняется нормальному закону, и в процессе эксплуатации происходит убыль толщины (рис.3). То есть долговечность покрытия является функцией отношения исходной толщины к скорости коррозии в данной среде [9] и может быть легко рассчитана. В случае ЦНП убыли толщины не наблюдается, напротив происходит уплотнение покрытия продуктами коррозии цинка в микропорах (рис.3). Из-за своеобразия коррозионно-защитного действия ЦНП определение срока службы покрытия – весьма непростая задача. На практике для прогнозирования срока службы ЦНП используют традиционные лакокрасочные методы. В табл. 3 выборочно представлены результаты испытаний покрытия ЦИНОЛ+АЛПОЛ ведущими исследовательскими институтами системы Госстроя. По результатам испытаний специалисты сделали вывод о том, что покрытие ЦИНОЛ и системы на его основе могут применяться для тех же условий эксплуатации и объектов, что и горячее цинкование, а в ряде случаев применение покрытия ЦИНОЛ предпочтительнее.

Что касается технологических свойств ЛКМ, рекомендуемых применительно для опор ВЛ, то следует отметить, что оба материала одноупаковочны, т.е. не требуют смешения компонентов при применении; допускают широкий диапазон погодных условий при нанесении (температура от -15 до +40 ?С и относительная влажность до 90%); время сушки при +20 ?С не превышает 30 минут.
Простота и относительная экологичность технологии нанесения покрытий, их высокое качество и долговечность позволили рекомендовать композиции ЦИНОЛ и АЛПОЛ для защиты металлоконструкций мостов, антенно-мачтовых сооружений, закладных деталей в строительстве, промышленных зданий и сооружений, гидросооружений и ввести в ряд отраслевых документов. Среди них «Руководство по применению цинкнаполненных покрытий» Р 1-2004, разработанное в дополнение к СНиП 2.03.11-85 специалистами ЦНИИ ПСК им. Мельникова и НИИЖБ и одобренное Госстроем России.

Покрытие ЦИНОЛ+АЛПОЛ в электроэнергетике
Начиная с 1995 г., системы на основе метода «холодного» цинкования активно внедряются в электроэнергетике. Так, производство материалов ЦИНОЛ и АЛПОЛ и их применение для антикоррозионной защиты объектов электрических сетей, как вновь строящихся, так и ремонтируемых, аттестованы Межведомственной комиссией ОАО «ФСК ЕЭС».
Система ЦИНОЛ+АЛПОЛ внесена во вновь разработанные «Технологические нормы проектирования ВЛ напряжением 35 кВ и выше», а также ТП и ОРУ ПС, подготовленные институтом «Энергосетьпроект» (г.Москва).

По запросу ОАО ФСК «ЕЭС» Ростехнадзор сделал комментарий к ПУЭ (7-ое издание), в котором высказал свою позицию о возможности использования метода «холодного» цинкования с применением антикоррозионных цинкнаполненных систем покрытий в дополнение к СНиП 2.03.11- 85 «Защита строительных конструкций от коррозии» раздел 5 «Металлические конструкции» для защиты металлических элементов опор воздушных линий электропередачи и металлоконструкций распределительных устройств.
К настоящему времени технология «холодного» цинкования металлоконструкций опор ВЛ освоена многими заводами металлоконструкций: Челябинский ЗМК, Южно-Уральский ЗМК, Омский ЗМК, Иркутский завод сборного железобетона, Новокузнецкий ЗМК и др.

Наиболее крупные проекты нового строительства, на которых использовались материалы ВМП:

• ВЛ 500 кВ «Ишим – Тобольск», Тюменская область, 1995-2000 г.г (рис.4);
• ВЛ 500 кВ «ПРимГРЭС – Хабаровск», Дальний Восток, 2001-2003 г.г .

Имеется опыт и ремонтной окраски материалами ВМП действующих опор ВЛ в полевых условиях: в период апрель-май 2003 г. в районе г. Ишим по заказу ОАО Тюменьэнерго (Имшиские электросети) окрашены 94 опоры ВЛ 220 кВ (рис.5). Стоит отметить, что за рубежом ремонт действующих опор ВЛ широко практикуется специальными организациями, имеющими в своем составе промышленных альпинистов [13,18]. В целом, за десятилетний период работы в данной отрасли, нет ни одной обоснованной и подтвержденной претензии на качество покрытий ВМП на опорах ВЛ

Таким образом, результаты использования и эксплуатации системы покрытий ЦИНОЛ+АЛПОЛ полностью подтверждают целесообразность ее применения для защиты опор ВЛ взамен традиционных методов.
Высокая технологичность материалов ВМП применительно к условиям как заводской, так и полевой окраски, указывает на большие перспективы метода «холодного» цинкования для решения актуальных вопросов защиты от коррозии в электроэнергетике.
Безусловно, более широкое применение этой технологии позволит качественно повысить уровень технического состояния оборудования электросетевого хозяйства, а в конечном итоге надежность работы всей системы в целом.

Рис. 1 Внешний вид горячецинкового покрытия: на опорах ВЛ 500 кВ линия п/с Южная - Нижний Тагил (Свердл. Обл.) после эксплуатации 20 лет в условиях промышленной атмосферы умеренно-холодного климата Примечание: Наличие на поверхности горячецинкового покрытия налета желтовато-белого цвета, свидетельствует о начале коррозии слоев, обогащенных по железу, прилегающих к основному металлу. Это первый признак необходимости ремонта горячецинкового покрытия

Рис. 2 Изменение электрохимических характеристик покрытий, полученных методом "холодного" (ЦИНОЛ и ЦИНОЛ+АЛПОЛ) и горячего цинкования, в ходе натурных стендовых испытаний в промышленной атмосфере умеренно-холодного климата Примечание: 1) Считается, что чем отрицательнее и стабильнее значение потенциала, тем эффективнее протекторная защита, осуществляемая защитным покрытием. 2) Толщина покрытий выбиралась таким образом, чтобы обеспечить эквивалентное содержание цинка на единицу площади защищаемой поверхности.

Рис. 3 Микрофотографии шлифов покрытий ЦИНОЛ (а и б) и горячецинкового покрытия (в и г) : а) и в) - до испытаний; б) и г) - после 5 лет натурных стендовых испытаний в промышленной атмосфере умеренно-холодного климата Примечание: Толщина горячецинкового покрытия в ходе испытаний уменьшилась, отчетливо видно разрыхление поверхностных слоев покрытия, в то время как толщина и структура покрытия ЦИНОЛ остались без изменений.

	Рис. 4 Внешний вид опор ВЛ с заводским покрытием, полученным методом "холодного" цинкования с использованием композиции ЦИНОЛ+АЛПОЛ. Линия 500 кВт Ишим-Тобольск, после 5 лет эксплуатации: а) общий вид опоры ВЛ, б) внешний вид покрытия

	Рис. 5 Ремонтная окраска материалами ЦИНОЛ и АЛПОЛ действующих опор ВЛ в полевых условиях с привлечением промышленных альпинистов.

Таблица 1 - Преимущества метода "холодного" цинкования, существенные применительно к опорам ВЛ

Таблица 2 – Сравнение стоимости «холодного» и горячего цинкования

Примечание:
1) По данным ОАО «Уралэлектромедь» на март 2006 года с учетом НДС.
2) Транспортировка ж/д полувагона от Новосибирска до Екатеринбурга.

Таблица 3 – Некоторые результаты испытаний покрытия ЦИНОЛ и систем на его основе экспертными организациями и отраслевыми институтами, входящими в систему Госстроя

Примечание:
1) Представленный срок службы 15 лет является наилучшим из возможных результатов, полученных по окончании испытаний по методике лакокрасочного стандарта.
2) В соответствии с ИСО 12944, покрытия со сроком службы более 15 лет, рекомендуемые для условий эксплуатации с категорией коррозионной агрессивности С4 (промышленные зоны и прибрежные области с умеренной засоленностью), должны выдерживать испытания «соляной туман» 720 часов.