變電站常用金屬的大氣腐蝕行為及其防護(hù)

楊大寧，汪川，王振堯，符傳福，潘辰（.海南電力技術(shù)研究院，海口 57003；.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 06）

變電站常用金屬的大氣腐蝕行為及其防護(hù)

楊大寧1，汪川2，王振堯2，符傳福1，潘辰2
（1.海南電力技術(shù)研究院，?？?570203；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110116）

綜述了變電站常用金屬的腐蝕類型及研究現(xiàn)狀。對于不銹鋼、鋁及鋁合金，海洋大氣中的Cl-引起鈍化膜破裂，當(dāng)其濃度超過臨界濃度[Cl-]pit，發(fā)生點(diǎn)蝕。對于銅及銅合金，工業(yè)大氣中的SO2腐蝕作用極為明顯。對于鋅及鋅合金，Cl-增強(qiáng)表面薄液膜的導(dǎo)電性從而加劇其腐蝕。因此，高潤濕時間和高Cl-是濱海變電站大氣腐蝕的主要原因。

變電站；金屬；大氣腐蝕；Cl-；防腐蝕

變電站作為電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，起著變換電壓和分配電能的作用，是聯(lián)結(jié)發(fā)電廠和電力用戶的關(guān)鍵樞紐。變電站特別是濱海變電站存在著不同程度的大氣腐蝕問題，腐蝕范圍幾乎涵蓋了主變、隔離開關(guān)、CT、緊固件、電力金具、輸電線路導(dǎo)線、戶外端子箱、線路桿塔等所有設(shè)施。材質(zhì)涉及鋼、鋁、銅、鋅及其合金，并針對變電站周圍環(huán)境特征，結(jié)合上述材料服役中可能出現(xiàn)的腐蝕形態(tài)，提出了相應(yīng)的防護(hù)措施，其中包括傳統(tǒng)的鍍鋅層防護(hù)和電化學(xué)方法。此外還包括復(fù)合材料、納米涂料等防腐新材料和新技術(shù)。文中基于大量文獻(xiàn)綜述了變電站常用金屬的腐蝕類型及研究現(xiàn)狀，以期對變電站常用材料的腐蝕機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合其腐蝕機(jī)制提出相應(yīng)的防護(hù)措施，為電網(wǎng)的健康、安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1　鋼和不銹鋼的大氣腐蝕

鋼是電力設(shè)施中最常用的金屬，由于Fe的電極電位較低，鋼也是腐蝕損失中最嚴(yán)重的金屬[1—6]。鋼的大氣腐蝕分為三個階段[7]：水蒸氣與鋼表面快速羥基化；大氣組分與表面氧化物或羥基氧化物反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)變成綠銹Ⅰ[Fe2ⅡFeIIIOx（OH）y]（7-2x-y）+和綠銹Ⅱ[Fe2ⅡFeIIIOx（OH）y]（5-2x-y）+；在氧的作用下，逐漸形成γ-FeOOH和非晶[FeOx（OH）3-2x]，最終生成α-FeOOH。變電站大部分鋼構(gòu)件采用熱鍍鋅等工藝進(jìn)行防護(hù)。熱鍍鋅工藝會形成Zn-Fe合金層，Zn先于Fe腐蝕，當(dāng)鍍鋅層腐蝕時，先生成鋅鹽白銹，而后形成致密堿式碳酸鋅膜保護(hù)基材[8—9]。通常鍍鋅層防腐壽命與其厚度相關(guān)。即便鍍鋅層有裂紋，Zn仍作為犧牲陽極繼續(xù)防止基體生銹。鍍鋅層在鄉(xiāng)村大氣中能維持多年，但在工業(yè)或海洋大氣中，其使用年限與大氣腐蝕等級密切相關(guān)。

不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能[10—15]，已廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。在變電站中，室外機(jī)構(gòu)箱、操作箱、端子箱、緊固件常采用不銹鋼。變電站應(yīng)用最廣泛的是304和316不銹鋼。由于Cr元素（≥12%）使得不銹鋼產(chǎn)生高穩(wěn)定鈍化膜，從而保護(hù)基體。在海洋大氣中，海鹽中的Cl-會引起鈍化膜破裂，當(dāng)其濃度超過臨界濃度[Cl-]pit，發(fā)生點(diǎn)蝕，304不銹鋼在25℃下的[Cl-]pit大約是6 mol/L[16—17]。如果該局部環(huán)境保持不斷，微蝕坑底則發(fā)生基體溶解，坑內(nèi)陽離子濃度的增加導(dǎo)致Cl-向坑內(nèi)遷移，使坑內(nèi)的Cl-濃度很高（≥5 mol/L），并與金屬離子結(jié)合形成氯化物，金屬氯化物進(jìn)一步會水解成酸使得坑內(nèi)溶液的pH值較低，通常為0～1?？觾?nèi)的低pH值和高Cl-濃度導(dǎo)致基體發(fā)生自催化型溶解，點(diǎn)蝕坑不斷生長[18]。

1.2鋁和鋁合金的大氣腐蝕

鋁及鋁合金作為第二大金屬用材，具有較好的耐蝕性，但在工業(yè)或海洋大氣中，則容易腐蝕。點(diǎn)蝕是最常見的腐蝕形式，它源于表面鈍化膜局部遭到Cl-的破壞。同不銹鋼類似，當(dāng)電位高于臨界點(diǎn)蝕電位才發(fā)生點(diǎn)蝕，表面鈍化膜上的微裂紋有助于Cl-的侵入；促進(jìn)陽極溶解過程[19—21]。鋁在大氣中，表面迅速形成γ-Al2O3層（2～3 nm），逐步轉(zhuǎn)化為薄層γ-AlOOH，最終形成Al（OH）3。在鋁-水體系中，Al（OH）3從pH=4才開始溶解。在海洋大氣中，Cl-首先吸附于其表面鈍化膜的缺陷處，若此缺陷處不能迅速鈍化，則發(fā)生陽極溶解，生成Al3+。同不銹鋼類似，當(dāng)微蝕坑形成后，隨著坑底鋁的溶解，蝕坑外的Cl-不斷向坑內(nèi)遷移，形成AlCl3。AlCl3水解后導(dǎo)致pH值降低，坑內(nèi)發(fā)生自催化過程。坑內(nèi)的Al3+在坑口處生成Al（OH）3沉積層，使坑內(nèi)溶液一直保持高濃度。AlCl3是由Al（OH）3經(jīng)過逐步氯化形成的[22—25]。

1.3銅及銅合金大氣腐蝕

銅具有強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕、耐熱、不可滲透性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在電氣、電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用。當(dāng)Cu暴露于大氣中，其表面通常形成銅綠。在電力行業(yè)，尤其是輸變電中，銅綠可能導(dǎo)致電子元器件的失效。工業(yè)大氣中的SO2對Cu加速腐蝕作用極為明顯。在工業(yè)大氣中，銅表面會形成兩層銅綠，內(nèi)層是Cu2O，外層是Cu4SO4（OH）6·Cu4SO4（OH）6[26]。在海洋大氣中，Cl-是影響銅腐蝕的重要因素[27]。Cl-會與銅反應(yīng)生成CuCl2，CuCl2會通過溶解-沉積過程形成Cu2Cl（OH）3[28]。銅鋁過渡設(shè)備線夾是將銅板和鋁板釬焊在一起的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于錫鉛釬料比Al的電位高，則Al作為陽極腐蝕。在海洋大氣中，銅鋁過渡設(shè)備線夾腐蝕產(chǎn)物主要由Al，Sn，Pb的氯化物組成。在大氣腐蝕中，銅鋁過渡設(shè)備線夾發(fā)生沿Al/Sn-Pb釬料界面的電化學(xué)腐蝕。腐蝕初期主要以Cl-對鋁的點(diǎn)蝕為主；當(dāng)鋁板表面腐蝕層較厚時，Sn-Pb釬料也開始腐蝕，通常腐蝕斷裂位置位于Al/Sn-Pb界面處。

1.4鋅及其合金的大氣腐蝕

Zn具有良好的延展性、耐磨性，使鋅及其合金鍍層在金屬防護(hù)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，Zn的大氣腐蝕是薄液膜下Zn表面快速形成氫氧化物和氧化物，繼而再與大氣中的介質(zhì)反應(yīng)，形成各種堿式鹽[29]。Zn的陽極反應(yīng)發(fā)生在表面缺陷處[30]，Zn2+和OH-在小孔周圍生成Zn（OH）2，進(jìn)一步脫水形成ZnO。濕度、侵蝕性粒子及其濃度對Zn的腐蝕影響很大[31—32]。在海洋大氣中，Zn的主要腐蝕產(chǎn)物為Zn5（OH）8Cl2·H2O，Cl-增強(qiáng)了Zn表面薄液膜的導(dǎo)電性能，加劇了Zn的腐蝕。Cl-和OH-等向陽極區(qū)定向移動，一方面導(dǎo)致陽極區(qū)Cl-富集及pH增加。另一方面，Cl-將導(dǎo)致堿式氯化鋅的生成[33]，堿式氯化鋅在弱酸環(huán)境中可溶[34]，誘使Zn及其合金產(chǎn)生點(diǎn)蝕[35]，在中性及堿性環(huán)境中沉積在基體表面，有較低的保護(hù)作用。此外pH梯度變化會進(jìn)一步加劇點(diǎn)蝕發(fā)生，大氣中的CO2被吸附并促進(jìn)堿式碳酸鋅的生成，產(chǎn)物在坑口堆積，阻礙離子的對流與擴(kuò)散，加劇陰極區(qū)和陽極區(qū)間pH的濃度梯度，從而加速點(diǎn)蝕。

2　變電站常用金屬的大氣腐蝕防護(hù)

變電站特別是濱海變電站的大氣腐蝕幾乎涉及所有設(shè)備，其腐蝕對電網(wǎng)影響最大。并且腐蝕是一種長期的、緩慢的缺陷，逐漸積累惡化，影響電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。相對于正常情況下的大氣腐蝕，受本身結(jié)構(gòu)及服役條件影響的局部腐蝕問題，其腐蝕速度更快，更難于進(jìn)行腐蝕防護(hù)，是亟待研究解決的最主要問題。因此建議變電站特別是濱海變電站采取以下的防腐蝕措施：選用合理的、適用于應(yīng)用條件的耐蝕材料；控制服役環(huán)境的侵蝕性，降低介質(zhì)的腐蝕性，如使用緩蝕劑，對設(shè)備所處環(huán)境進(jìn)行隔離，降低介質(zhì)中雜質(zhì)離子含量，降低介質(zhì)中的氧含量，降低相對濕度，保持設(shè)備表面干燥等；將設(shè)備表面與腐蝕介質(zhì)隔離，采用內(nèi)、外表面涂層及其他防腐處理；

3　結(jié)語

隨著電力建設(shè)的步伐不斷加快，變電站暴露出的結(jié)構(gòu)材料和設(shè)備腐蝕問題將會愈來愈多，對電力企業(yè)的腐蝕管理提出了更高、更新的要求。如何做好防腐蝕工作是一項(xiàng)復(fù)雜而又艱巨的長遠(yuǎn)工程。因此必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選型和防腐涂裝人手，根據(jù)腐蝕形式采取針對性的防腐措施，并加強(qiáng)設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和檢修階段的金屬質(zhì)量監(jiān)督，避免薄弱部位腐蝕的發(fā)生，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。

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Atmospheric Corrosion of Common Metals Used in Transformer Substation and Protection Measures

YANG Da-ning1，WANG Chuan2，WANG Zhen-yao2，F(xiàn)U Chuan-fu1，PAN Chen2
（1.Hainan Electric Power Technology Institute，Haikou 570203，China；
2.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China）

This paper reviewed the types of atmospheric corrosion of common metals used in transformer substations and current status of researches on these corrosions.As to stainless steel,aluminum and aluminum alloy,Clin marine atmosphere would lead to crack of passivation coating and pitting would occur when Cl-concentration passes the critical concentration[Cl-]pit.As to copper and copper alloy,the corrosion effect of SO2is obvious.As to zinc and zinc alloy,Cl-enhances the electrical conductivity of surface liquid film,thus aggravating the corrosion.In conclusion, high wetting time and high Cl-concentration are main causes for atmospheric corrosion of coastal transformer substation.

transformer substations；metal；atmospheric corrosion；Cl-；corrosion resistance

2015-11-02；Revised：2015-11-30

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.024

TJ04；TG174

A

1672－9242（2016）01－0126-04

2015-11-02；

2015-11-30

楊大寧（1969—），男，海南人，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏こ獭?/p>

Biography：YANG Da-ning（1969—），Male，from Hainan，Senior engineer，Research focus：electric power engineering.