2A12鋁合金作為導(dǎo)電材料的耐腐蝕性能研究

馮艷 孔博 李強(qiáng)

【摘要】在高壓電器中，2A12鋁合金作為導(dǎo)電桿、接線板等導(dǎo)電零件時(shí)，會(huì)發(fā)生分層、剝落及白色粉末等腐蝕問(wèn)題，本文分析和驗(yàn)證了可能引起腐蝕的各種原因，結(jié)果表明 的重要原因。最后提出相對(duì)應(yīng)的防范措施，避免與預(yù)防腐蝕的發(fā)生，確保高壓電器的安全可靠運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)電材料；耐腐蝕性；防范措施

1 引言

鋁合金由于具有密度小，力學(xué)性能優(yōu)異、電導(dǎo)熱能力強(qiáng)，成型加工性好以及優(yōu)異的物理化學(xué)綜合性能等一系列優(yōu)點(diǎn)在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在電力系統(tǒng)的高壓開(kāi)關(guān)行業(yè)，鋁合金常常作為導(dǎo)電部件，在各大電站中大量使用。

2A12材料為高強(qiáng)度硬鋁，主要化學(xué)成分為：CU-3.8-4.9，Mg-1.2-1.8，Al-余量。該材料的優(yōu)點(diǎn)為可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能高。其抗拉強(qiáng)度≥420，屈服強(qiáng)度≥275，伸長(zhǎng)率≥10%，導(dǎo)電率%IACS38。該材料的缺點(diǎn)為抗腐蝕性不高，常采用陽(yáng)極氧化處理與涂漆方法以提高其抗腐蝕能力

隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，變電站周邊地區(qū)污穢情況日益惡化，污穢區(qū)域逐漸增多，污穢等級(jí)逐年加重。

2 試驗(yàn)研究

1、產(chǎn)品材質(zhì)化學(xué)成分分析

為驗(yàn)證導(dǎo)電管材料成分，對(duì)2A12導(dǎo)電管取樣本進(jìn)行了化學(xué)成分分析、電鏡分析、金相分析和力學(xué)分析：

1.化學(xué)成分分析顯示導(dǎo)電臂材料為鋁合金，符合廠家提供的材料型號(hào)2A12。

2.電鏡分析顯示腐蝕產(chǎn)物為氧化鋁，表面鍍銀層無(wú)腐蝕，腐蝕部位曾受到水的侵蝕。

3.金相分析顯示腐蝕從管內(nèi)壁開(kāi)始沿著晶界向芯部擴(kuò)展，遠(yuǎn)離腐蝕部位的組織無(wú)過(guò)燒組織、夾雜物、氣孔等缺陷組織。

4.力學(xué)分析顯示該樣本的抗拉和斷后延伸率均符合要求。

綜上，檢測(cè)結(jié)果表明，斷裂的刀閘導(dǎo)電臂材質(zhì)符合要求。

2、材質(zhì)因素

為了驗(yàn)證LY12-CZ（國(guó)標(biāo)新牌號(hào)為2A12）的耐腐蝕性，我公司曾做過(guò)研究性試驗(yàn)，對(duì)該材質(zhì)（表面鍍銀）進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，驗(yàn)證其耐腐蝕性，結(jié)果如下：

考核表面輕度失光，出現(xiàn)多處點(diǎn)蝕，且大部分發(fā)生在邊棱處，點(diǎn)蝕處覆蓋層破壞剝落，基材中銅相成紅色物析出，同時(shí)該處附著有鋁、鎂等元素腐蝕后形成的透明膠狀產(chǎn)物。

由試驗(yàn)可看出，經(jīng)過(guò)六個(gè)周期的鹽霧試驗(yàn)，LY12-CZ材料會(huì)從基體內(nèi)銹蝕，起皮、剝落。

3 分析

3.1 環(huán)境因素

戶外高壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品是受環(huán)境影響較大的產(chǎn)品，氣候條件中的濕度、溫度、日照量和降水量等都會(huì)對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行中的產(chǎn)品產(chǎn)生作用。濕度越大，對(duì)金屬材料的腐蝕越強(qiáng)。溫度和日照量主要表現(xiàn)在晝夜溫差變化導(dǎo)致的凝露方面的影響，其腐蝕快慢最終仍然與濕度有關(guān)。降雨量對(duì)腐蝕的影響有雙重作用，一方面雨水會(huì)沖刷腐蝕生成的保護(hù)層加速腐蝕，另一方面雨水也會(huì)沖掉腐蝕性介質(zhì)減緩腐蝕速度。

而一些特殊環(huán)境的變電站就需要考慮現(xiàn)場(chǎng)的大氣條件。大氣條件可分為氣體和固體兩個(gè)因素，氣體條件是大氣中含有可導(dǎo)致金屬腐蝕的H2S、SO2、O2、NO2、CO2等氣體，而空氣中的固體雜質(zhì)顆粒吸附在金屬表面由于其載體作用具有吸水和導(dǎo)致膜的不致密性將加速腐蝕。

現(xiàn)場(chǎng)主要腐蝕的下導(dǎo)電管多處于分閘狀態(tài)，內(nèi)部有鳥(niǎo)窩枯草，從以上的分析可以判斷，腐蝕的下導(dǎo)電管處易積水，濕度大，若水中還含有污染物質(zhì)，長(zhǎng)期作用會(huì)加速腐蝕。

3.2 鍍銀因素

產(chǎn)品鍍銀后，除鍍層合格外，還要考核銀層的外觀，銀層應(yīng)是結(jié)晶細(xì)致平滑的銀白色。光整后的銀表面應(yīng)有光澤呈青白色。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，除腐蝕處外，鍍銀表面均勻，無(wú)脫皮及起泡，可以確定鍍銀質(zhì)量無(wú)問(wèn)題。但也不排除裝配時(shí)端部鍍銀層因磕碰局部有脫落情況。

3.3 腐蝕分析

從導(dǎo)電鋁管腐蝕斷裂的情況分析，其腐蝕應(yīng)屬于局部腐蝕，局部腐蝕相對(duì)于全面腐蝕危害性更大，往往在沒(méi)有征兆的情況下，金屬構(gòu)件就會(huì)突然發(fā)生斷裂，造成事故。局部腐蝕的類(lèi)型主要包括：點(diǎn)蝕（孔蝕）、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、縫隙腐蝕、湍流腐蝕等。

導(dǎo)電管為鋁合金材質(zhì)，上、下連接部位鍍銀，因此合金表面有多個(gè)金屬介質(zhì)。由于合金表面的電化學(xué)不均勻性，在合金表面上微小區(qū)域或局部區(qū)域存在電位差，2A12 Al-Cu-Mg合金中基體Al可與某些合金元素形成腐蝕電池。合金的晶粒與晶界之間也存在電位差，一般晶粒是陰極，晶界能量高、不穩(wěn)定為陽(yáng)極先發(fā)生腐蝕。

晶間腐蝕是金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶界發(fā)生的一種局部腐蝕，它會(huì)使晶粒間失去結(jié)合力，金屬?gòu)?qiáng)度完全喪失，如有應(yīng)力存在，特別是存在拉應(yīng)力時(shí)，晶間腐蝕往往轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐?yīng)力腐蝕破裂，致使材料失效。

4、解決與預(yù)防措施

廉州變電站使用我公司隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品為1999年生產(chǎn)，2000年運(yùn)行至今已13年，除了按計(jì)劃對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行技改更換外，針對(duì)仍在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法更換的產(chǎn)品，我公司提出以下解決措施：

1、針對(duì)備用線路上處于分閘狀態(tài)下的GW10-252型隔離開(kāi)關(guān)，必須按照產(chǎn)品維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)電閘刀拆下進(jìn)行檢修。

我公司可提供統(tǒng)計(jì)后需更換為鍛鋁管的導(dǎo)電管，重新安裝后需注意在易進(jìn)水及灰塵的接觸面外涂防水密封膠。

2、對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的GW10-252型隔離開(kāi)關(guān)，建議加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè)，除了監(jiān)測(cè)動(dòng)、靜觸頭接觸情況（保證夾緊力避免虛接）外，特別加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)電連接部位的關(guān)注。有停電檢修的機(jī)會(huì)時(shí)，檢查導(dǎo)電接觸面的腐蝕情況，及時(shí)清理避免發(fā)熱。如出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，應(yīng)及時(shí)退出運(yùn)行馬上進(jìn)行檢修：

○1運(yùn)行中觸頭及導(dǎo)電回路經(jīng)測(cè)溫發(fā)現(xiàn)超過(guò)規(guī)定值時(shí)；

○2停役或復(fù)役操作中，發(fā)生拒分、拒合、合分不足等；傳動(dòng)部分或操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障時(shí)；或發(fā)生電氣回路故障時(shí)；

○3其它影響安全運(yùn)行的異?，F(xiàn)象。

5結(jié)論

所有GW10-252型隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品上部導(dǎo)電管內(nèi)部均無(wú)腐蝕情況。個(gè)別相產(chǎn)品外露的鍍銀面處有腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

從以上現(xiàn)場(chǎng)情況、材質(zhì)分析、環(huán)境因素及各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1、隔離開(kāi)關(guān)導(dǎo)電管設(shè)計(jì)選材為L(zhǎng)Y12-CZ（國(guó)標(biāo)新牌號(hào)為2A12），滿足產(chǎn)品使用性能，表面處理工藝合理，現(xiàn)場(chǎng)所供產(chǎn)品材質(zhì)成分符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所供產(chǎn)品設(shè)計(jì)與零件質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題。

2、LY12-CZ鋁合金管的腐蝕一方面由于此合金耐腐蝕能力不高，另一方面腐蝕主要是在易積水的鍍銀面處產(chǎn)生，在污水作用下，鋁與其表面附著的銀、銅等元素之間發(fā)生"電化學(xué)"反應(yīng)，發(fā)生腐蝕開(kāi)裂，造成導(dǎo)電管斷裂。

由于高壓交流隔離開(kāi)關(guān)是戶外式結(jié)構(gòu)，直接暴露在大氣環(huán)境中工作，容易受到環(huán)境和氣候條件的影響。隨著全球環(huán)境的不斷惡化，隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)品在選材、密封，防銹蝕方面也應(yīng)特別考慮，不斷改進(jìn)，避免長(zhǎng)期運(yùn)行造成的腐蝕。依據(jù)刀閘解體情況、材質(zhì)檢測(cè)、工藝分析和同廠、同型設(shè)備解體檢查，分析認(rèn)為：

一是西開(kāi)GW10型刀閘導(dǎo)電臂為鋁合金材質(zhì)，上、下連接部位采用鍍銀工藝，導(dǎo)電臂下端面從內(nèi)而外分別由鋁合金層、鍍銅層和鍍銀層組成，不是單一的金屬介質(zhì)，在電解質(zhì)存在的情況下，下端面最容易發(fā)生"電化學(xué)"反應(yīng)，拆除的刀閘腐蝕情況均是從下端面開(kāi)始，也說(shuō)明了這一點(diǎn)。另外，個(gè)別導(dǎo)電臂上端和根部鍍銀層外露部分出現(xiàn)一圈腐蝕，不排除此處存在鍍銀工藝控制不到位的情況；二是在分閘位置，該類(lèi)型刀閘下部導(dǎo)電臂根部易存水，在雨水作用下，鋁與鍍銀層、鍍銅層之間發(fā)生"電化學(xué)"反應(yīng)，鋁作為陽(yáng)極發(fā)生腐蝕，同時(shí)析出氫，氫結(jié)合氫氣體積膨脹，造成導(dǎo)電臂根部腐蝕；三是廉州站地處石家莊東南，周?chē)S環(huán)繞，酸性腐蝕物較多，進(jìn)一步加速了導(dǎo)電臂的腐蝕。

另外，除下導(dǎo)電臂根部外，255-3刀閘B相和256-2刀閘A相下導(dǎo)電臂上端也存在腐蝕情況，其腐蝕部位也是水滴易懸掛部位，進(jìn)一步印證了在雨水作用下、鋁導(dǎo)體與鍍銅層、鍍銀層之間發(fā)生"電化學(xué)"反應(yīng)造成導(dǎo)電臂腐蝕的分析結(jié)果。