我国输电线路长度、输电规模及输电电压等级均居世界首位，电网的安全稳定运行是保障国家能源的关键。随着特高压工程跨区、跨省输送的发展以及“一带一路”建设和特高压工程“走出去战略”的推进实施，各类电网装备材料面临更多样、更复杂和更严酷的服役环境，这将导致电网工程装备材料过早腐蚀失效，腐蚀已成为影响电网安全和制约电网发展的严重问题 ^[1]。

目前，电网工程装备普遍采用统一的防腐蚀措施，由于服役环境复杂多样，设备材料的腐蚀规律与特征、使用寿命具有明显的地域和环境差异^[2]。基于不同的腐蚀等级开展差异化的防腐设计、建设和维护是提升各行业工程装备应对重腐蚀环境能力的关键，对降低不同行业腐蚀成本具有十分重要的意义。上世纪60年代，英国绘制了不列颠诸岛的大气腐蚀等级图，随后瑞士、巴西和西班牙等国的研究者们在腐蚀数据积累的基础上绘制了各自国家或局部地区的大气腐蚀等级图，用于指导本国或本地区的大气腐蚀性评估及材料的服役寿命预测^[3~5]。国内对材料腐蚀等级图的研究起步较晚，基础比较薄弱。中国科学院金属研究所依托沈阳市内36个腐蚀试验站碳钢腐蚀数据，绘制了沈阳市大气腐蚀等级图，明确了工业污染对沈阳金属材料腐蚀的影响^[6]。Fan等^[7]在山东境内100个变电站开展热镀锌钢1年期腐蚀速率采集，构建了山东省大气腐蚀等级分布图。Huang^[8]在广东省境内建立了48个“曝露法”现场试验站，绘制了Q235钢在广东省的腐蚀速率图。但受限于广阔的国土面积和基础数据的不足，国家电网公司尚未有形成覆盖公司运营区域的高精度大气腐蚀地图，长期以来无法解决。

现场试验数据是绘制大气腐蚀等级图的基础，也是提高腐蚀等级图精度的重要保障。Vera等^[9]在智利31个试验站点的碳钢、镀锌钢1年期腐蚀数据积累基础上，绘制了智利的全国腐蚀地图。Kumar和Sil^[10]通过持续收集印度32个试验站点的腐蚀数据，绘制了印度大气腐蚀地图。但考虑到这些国家幅员辽阔，气候变化差异巨大，基于小规模现场试验数据的腐蚀地图，无法满足工程建设及运维的需求。同时，为减少现场试验耗费的人力物力财力等，“曝露法”现场试验通常在城市地区进行。然而电力、通讯和交通等大型基础设施在农业及自然环境中分布更为广泛，判断这些地区精确的腐蚀等级面临挑战。为了更好地预测这些地区的大气腐蚀等级，在长期现场环境腐蚀试验的基础上，不同研究团队提出了基于环境参量的腐蚀预测模型，其中应用最广泛的是ISO 9223中推荐的剂量响应函数 ^[11]。通过年平均Cl^-沉积率、SO₂沉积率、温度和相对湿度数据，预测碳钢、Zn、Cu和Al 4种金属材料的1年期腐蚀速率。然而，不同气候条件下剂量响应函数的预测精度差异较大。Castañeda等^[12]提出ISO 9223中的剂量响应函数可能低估了亚洲内陆地区的腐蚀速率，应避免在插值计算中大量使用剂量响应函数计算的腐蚀速率。

在地图绘制过程中，反距离空间插值法等插值技术已在大气腐蚀地图中广泛应用。反距离空间插值法对待插值点进行属性值计算时，选取插值点附近固定数量或固定距离范围的样本点参与权重计算，距离待插值点越近权重越大，对待插值点影响越大；距离待插值点越远权重越小，对待插值点的影响也越弱^[13,14]。当样本点密集时使用反距离插值法预测精度较高。本研究在国家电网公司运营区域内，建立了2205个现场“曝露法”试验站，进行了碳钢、镀锌钢1年期现场腐蚀试验。基于不同离海距离的Cl^-沉积率，建立了我国沿海地区Cl^-扩散模型，利用ISO 9223中推荐的剂量响应函数，计算了2918个沿海30 km范围内的站点的腐蚀速率。在此基础上，利用反距离空间插值法绘制了国家电网公司运营区域的碳钢、镀锌钢大气腐蚀地图。通过交叉验证，计算了不同权重值对地图精度的影响。本研究绘制的大气腐蚀地图为后续电网工程差异化防腐设计、建设及运维提供了指导，也将为不同行业的防腐设计提供数据支撑。

现场曝露试验所选材料为Q235钢和镀锌钢，Q235钢化学成分 (质量分数，%) 为：C 0.16，Mn 0.61，Si 0.20，S 0.02，P 0.019，Fe 余量。镀锌钢镀锌层厚度为 (90±5) μm。试样尺寸为150 mm×70 mm×3 mm。采用60、240、400和800目砂纸处理样品表面，样品经丙酮除油、无水乙醇超声清洗后备用。采用精度为0.0001 g的分析天平进行称量并拍照记录后，将样品封装，确保样品投试前不发生腐蚀。试样架正面朝南放置，试样与水平成45°角。每组平行试样3片，确保腐蚀失重数据的准确性。按照GB/T 19292.1-2018要求，实验周期设置为1 a。经过1 a的现场试验，回收所有试样，并根据GB∕T 16545-2015的方法去除腐蚀产物。采用 式(1)计算碳钢和热镀锌钢的腐蚀速率:

式中，r_corr为腐蚀速率，g·m^-2·a^-1；w₀和w_t为试验原始质量和去除腐蚀产物后的质量，g；s为试样暴露面积，m²；t是试样暴露时间，a，本次试验为1 a；d是材料密度，g·cm^-3，碳钢和Zn的密度分别为7.86和7.14 g·cm^-3。

按照以下3点试验点设置原则在我国26个省336个地市建立了2393个“曝露法”现场腐蚀试验及环境监测站：一是地理区域均匀分布，每1000~1500 km²内设置1个监测点，每个地市(区)不少于5~10个试验站，保证地图绘制的均匀性；二是重腐蚀区域适当增加，在近海岸线不同距离和重工业污染区分别设置监测点，增加布点密度，保证重腐蚀地区腐蚀等级判定的准确性；三是特高压变电站优先，在保证上述选点原则的同时，优先选择特高压变电站设置监测点，满足电网重大工程建设需求。

环境数据收集时间与现场暴露试验时间保持一致，共收集了我国沿海地区25个城市的温度、相对湿度、SO₂沉积率和Cl^-沉积率等相关环境数据，并对结果进行了统计平均。其中，温度和湿度数据从气象部门获得。SO₂沉积率和Cl^-沉积率采用GB/T 19292.3-2018推荐的PbO₂圆筒法和干片法进行收集。表1为不同城市的平均温度、平均湿度和SO₂沉积率。表2为不同离海距离下的平均Cl^-沉积率，基于该数据建立了我国沿海地区Cl^-扩散模型，通过模型可以计算不同沿海距离的Cl^-沉积率。在此基础上，基于ISO 9223提出的剂量响应函数计算了沿海30 km内2918个站点的腐蚀速率。

大气腐蚀性分类分级标准ISO 9223中规定采用1 a期腐蚀失重或剂量响应函数计算腐蚀速率的方法评估大气腐蚀性等级，并根据腐蚀速率将金属材料的大气腐蚀性等级分为6个等级，C1、C2、C3、C4、C5和CX。本研究通过失重法和剂量响应函数分别计算了2393个“曝露法”现场试验站和沿海2918个站点的碳钢和镀锌钢的腐蚀速率，确定了试验站的大气腐蚀等级。

腐蚀等级图的建立需要利用空间数据插值理论，对已有站点的腐蚀试验数据进行样本扩充，实现将零散的腐蚀数据点转化为连续的数据平面，从而直观展现国家电网运营区域的各个地区的腐蚀情况。分别采用反距离空间插值法 (IDW) 和克里金空间插值法 (Kriging) 绘制了大气腐蚀数字地图，空间分辨率为2 km×2 km。采用交叉验证分别对比了两种方法在不同绘制参数下的腐蚀等级准确率。IDW插值法假设彼此靠近的事物比相距较远的事物更相似。插值结果由局部加权平均值估计，如 式 (2) 和 (3) 所示：

式中，Z₀为预测点的估计值，Z_i 为给定点的观测值；λ_i 为权重值，为正实数；N表示用于估计的采样点的数量；p为幂参数。p的值越大，对最接近插值点的值的影响就越大。目标位置的参数预测是所有站点的“分配权重”和“测量值”的总和。本研究选取p=1~4进行大气腐蚀图的优化。

选取700个试验站点的数据进行交叉验证，通过站点实测数据与预测数据的误差来评估两种方法的腐蚀等级准确率。为了能够使定量与定性评估相兼顾，本文采用误差标准为平均绝对误差 (MAE)、相对平均误差 (RME) 和均方根误差 (RMSE) 3个要素来作为评价插值效果的标准。其中MAE反映了估计值的实测误差范围，定量的给出误差；RME能够反映不同数据量或不同要素的误差相对值，定性的给出误差范围；RMSE反映了样本的离散程度，均方根越小，插值结果越好。插值提取后，利用最近10个站点的实测数据估算腐蚀速率。然后将预测的腐蚀速率与实测的数据进行比较。700个站点的腐蚀速率和腐蚀类别及结果均可进行统计分析。本研究采用了3种统计方法，分别如下：

式中，Z₀和Z_i 分别为预测的腐蚀速率和在同一点上i点对应的观测腐蚀速率。MAE、RME和RMSE值越小，插值精度越高。

按照ISO 9223提供的腐蚀等级划分标准，把大气腐蚀性从C1到CX，共分为6个等级。碳钢和镀锌钢的第1 a的腐蚀速率及其对应的腐蚀等级如表3所示，在不同腐蚀等级的占比如图1所示。对于碳钢，超过79%的腐蚀试验站位于轻度腐蚀地区，其中，处于C2等级的站点为988个，占比41.29%，C3等级站点811个，占比33.88%，C1仅占3.85% (92个)。C4、C5和CX表示站点所在位置的腐蚀速率高，存在腐蚀风险，其中，处于C5和CX等级的站点分别有135和37个，占比为5.65%和1.53%。与碳钢类似，镀锌钢处于C2和C3等级的腐蚀试验站的数量最多，分别是919和948个，占比41.29%和33.88%；处于C4、C5和CX腐蚀等级的数量则分别有285、105和25个，占比达到11.92%、4.39%和1.05%。

对于沿海地区的电网设备而言，Cl^-是影响金属材料耐蚀性的主要因素。Cl^-的渗漏会影响腐蚀产物膜的致密性，加速金属基体与电解液的接触并造成腐蚀。一般而言，越靠近海岸线，Cl^-的含量越高。随着离海岸距离的增加，Cl^-沉降率会大幅度下降，导致沿海地区大气腐蚀等级在较短距离内出现较大的变化。以不同离岸距离Cl^-沉积率现场测试数据 (表2) 为基础，模拟分析大气盐雾分布规律，建立沿海地区Cl^-扩散模型，如图2所示。Cl^-沉积率在海岸线处最高，随离海距离的增加呈指数下降。离海距离大于5 km后，Cl^-变化趋于稳定。在离海8 km处Cl^-沉积率有小幅上升，这是由于城市建筑物等遮蔽物阻挡了Cl^-的扩散，形成了局部的Cl^-沉积。这与Cole等^[15]提出的澳大利亚沿海地区Cl^-扩散模型呈现出相似的变化规律。Chen等^[16]基于广东沿海200米范围内的4个监测点的实测数据，建立了广东沿海地区Cl^-沉积率和碳钢腐蚀速率随沿海距离的变化规律。本研究则基于沿海30 km内不同站点的实测数据，建立了更远距离范围内Cl^-扩散模型。基于该模型，在我国沿海30 km范围内选取2918个站点，计算了该站点所在位置的Cl^-沉积率。

对于沿海地区，由于Cl^-沉积率随离海距离增加而快速减小 (图2)，导致了不同金属材料腐蚀等级的快速变化。由于现场试验站点数量的限制，沿海地区腐蚀数据不足，尤其是距离海岸线0~1 km范围内的腐蚀数据不足，导致腐蚀等级判定出现误差。为了解决这一问题，本研究采用ISO 9223中的剂量响应函数，综合Cl^-沉积率、SO₂沉积率、温度和相对湿度数据，计算了沿海30 km范围内的2918个站点的腐蚀速率，确定了相应的腐蚀等级。与Cl^-沉积率相比，沿海地区的温度、相对湿度和SO₂沉积率相对稳定。Cl^-沉积率采用图2中提出的Cl^-扩散模型计算。SO₂沉积率、温度和相对湿度则通过计算表1中的平均值来确定。碳钢和镀锌钢的剂量响应函数分别如下:

式中，r_corr为碳钢和Zn的1年期腐蚀速率，μm·a^-1；P_d和S_d分别为年均SO₂沉积率和年均Cl^-沉积率，mg·m^-2·d^-1；T和RH分别代表年平均温度 (℃) 和相对湿度(%)；f_St和f_Zn分别是碳钢和锌的相关系数。结合2393个现场试验站实测的碳钢、镀锌钢腐蚀数据，共同参与插值计算，以提高腐蚀等级图中腐蚀等级的准确度。

采用反距离空间插值法绘制了碳钢、镀锌钢腐蚀等级图。参与插值计算的数据主要采用2393个现场试验站的碳钢、镀锌钢的一年期腐蚀速率。为提高沿海地区腐蚀等级判断精度，在沿海30 km地区范围内采用ISO 9223中的碳钢、镀锌钢剂量响应函数计算得到的2918个站点的一年期腐蚀速率参与插值。图3和4为碳钢和镀锌钢的大气腐蚀等级图，p值分别设置为1、2、3和4。采用灵活的搜索半径策略，通过插入点附近10个样点数据计算插值结果。采用不同的p值时，碳钢的腐蚀等级的分布整体上保持一致，沿海地区碳钢的大气腐蚀等级明显高于内陆地区，这与实际观测数据一致。

插值完成后，从不同省份共选取700个试验站点进行交叉验证，并将站点实测腐蚀速率与插值计算的预测值进行比较。分别计算了RME、MAE和RMSE，如表4所示。随着p值的增加，RME、MAE和RMSE均呈现先减小后增大的趋势；当p为2时，反距离空间插值对碳钢腐蚀速率的预测效果最好。对于碳钢，RME、MAE和RMSE分别为25.16%、0.239和0.298 μm/a。而镀锌钢的RME、MAE和RMSE则可以达到26.65%、0.256和0.309 μm/a。考虑到本研究区域覆盖面积超过770万平方公里，该结果是合理的。3种交叉验证方法均表明，反距离空间插值算法可以较好地模拟大气环境的空间变化及其对碳钢腐蚀速率的影响。

对于电网而言，输电线路及变电站工程建设更关注典型金属的大气腐蚀等级，而不是工程沿线或所在地的精确的腐蚀速率。因此，通过交叉验证计算大气腐蚀等级的精度对于工业领域而言是更重要的参考标准。将700个试验站点的预测腐蚀等级与实测腐蚀等级进行比较，结果如表5所示。对于碳钢，p=1时，有571个试验站的预测腐蚀等级与实测腐蚀等级一致，腐蚀等级准确度为81.6%。95个试验站的预测腐蚀等级与实测腐蚀等级相差1个等级 (高或低)。同时，有34个站点的大气腐蚀等级相差2个等级。p=2时，腐蚀等级准确度达到85.3%，597个试验站点的大气腐蚀等级与实测等级一致。只有11%和3.7%的试验站腐蚀等级与实测等级相差1和2个腐蚀等级。当p值为3和4时，预测的大气腐蚀等级准确度分别为83.4%和81.7%。对于镀锌钢，p=2时，腐蚀等级准确度同样为最优，达到85.9%，601个试验站的预测腐蚀等级与实测腐蚀等级一致，相差1和2个腐蚀等级的站点比例同样最低，分别为10.7%和3.4%。

p=2时，不同腐蚀等级所对应的面积和面积比例见表6。本研究涉及区域超过90%的面积处于C2和C3腐蚀等级，碳钢和镀锌钢对应C2和C3腐蚀等级的面积比例分别达到48.73%、43.55%和49.25%、43.71%。其中，C2多出现在我国西南和东北地区，C3多出现在西北和东部地区。处于C1腐蚀等级的区域面积较小，主要分布在我国西藏、四川西部和宁夏部分地区，碳钢和镀锌钢分别占研究区域的1.71%和1.79%。处于C4~CX腐蚀等级的区域面临较高的腐蚀风险。对于碳钢和镀锌钢而言，分别有6.01%和5.25%的面积处于C4~CX腐蚀等级，主要分布在浙江、福建等东南部沿海省份，呈簇状分布，少量分布在山西、河北、湖北等内陆省份，呈斑块状分布。值得注意的是，尽管处于C5和CX腐蚀等级的地区占总面积的比例不到1%，但由于该地区处于我国经济最为发达的地区，电网等基础设施的分布也最为密集，大量电网设备和金属材料面临着较高的腐蚀风险，需要制定相应的差异化防腐措施，以提升电网设备应对重腐蚀环境的能力。

(1) 以不同离海距离Cl^-沉积率现场测试数据为基础，模拟分析大气盐雾分布规律，提出了我国沿海地区Cl^-扩散模型，Cl^-沉积率随离海距离的增加呈指数下降。

(2) 交叉验证结果表明，p值为2时，反距离插值算法对大气腐蚀等级的预测精度最高，对于碳钢和镀锌钢分别可以达到85.3%和85.9%。

(3) 本研究涉及区域超过90%的面积处于C2和C3腐蚀等级，碳钢和镀锌钢对应C2和C3腐蚀等级的面积比例分别达到48.73% (3752210 km²)、43.55% (3353350 km²) 和49.25% (3792250 km²)、43.71% (3365670 km²)。处于C4以上腐蚀等级的面积分别占6.01% (462770 km²) 和5.25% (404250 km²)。

(4) 通过碳钢、镀锌钢大气腐蚀等级图首次掌握了电网工程沿线的大气腐蚀等级，这对于提高重腐蚀地区电网工程材料的差异化防腐设计、运维和寿命预测能力有重要指导作用。