GIS穿墻套筒腐蝕穿孔的原因與改進(jìn)建議

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，南寧 530023)

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)具有空間體積小，不受環(huán)境影響，運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛運(yùn)用于各種電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中。SF6泄漏是GIS設(shè)備最常見的故障類型之一。GIS運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的SF6必須保持在3～4倍大氣壓力下，一旦出現(xiàn)漏氣點(diǎn)，SF6就會(huì)快速泄漏，使設(shè)備的絕緣強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)迅速下降，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來危害。制造過程中筒體表面存在砂眼、焊縫，以及安裝過程中配件選用不當(dāng)、密封件變形等是導(dǎo)致GIS漏氣的常見原因[1]。但近年來，戶內(nèi)GIS的母線筒體穿墻部分陸續(xù)發(fā)生了多起電化學(xué)腐蝕穿孔事件，穿孔部位通常位于套筒與墻面之間的密封擋板后，墻體內(nèi)部套筒的腐蝕穿孔更為隱蔽，容易造成金屬結(jié)構(gòu)的突然失效，具有相當(dāng)大的危害性。

某110kV變電站GIS穿墻套筒由腐蝕穿孔導(dǎo)致漏氣，本工作對(duì)其進(jìn)行剖析，詳細(xì)闡述了分析過程，并給出了預(yù)防此類事故的制造及施工建議。

1 漏氣情況

2017年8月4日，檢修班人員用紅外檢漏儀現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)該變電站水圩I線104線路側(cè)GIS穿墻套筒與穿墻窗口室內(nèi)密封防火板接觸位置存在一個(gè)漏氣點(diǎn)，該點(diǎn)位于筒體右上部(面向穿墻窗口)并有大量SF6氣體從此處泄漏。檢修人員拆除密封防火板，發(fā)現(xiàn)漏氣點(diǎn)附近的隔離材料鼓起，破開一小塊隔離材料進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)漏氣點(diǎn)附近筒體表面有腐蝕損傷，損傷部分外表面附著有白色粉末和淡黃色不規(guī)則顆粒狀物體。刮開少量白色粉末和淡黃色不規(guī)則顆粒狀物體后，漏氣點(diǎn)徹底暴露，如圖1所示。檢修人員對(duì)套筒表面檢查發(fā)現(xiàn)，該筒體表面原覆蓋一層編織網(wǎng)狀、類似塑料的隔離層，隔離層表面涂有一層與其他筒體一致的無(wú)光澤淺灰色漆。除漏氣點(diǎn)外，尚有多處腐蝕痕跡，分布在套筒的上、中、下部，筒體沿軸向與不銹鋼擋板直接接觸；穿墻套筒周圍敷設(shè)的防火包因雨水滲入處于潮濕狀態(tài)。

圖1 GIS穿墻套筒腐蝕穿孔的位置Fig. 1 Location of corrosion perforation of GIS wall bushing

2 運(yùn)維情況

根據(jù)GB/T 8349-2000《金屬封閉母線》、CECS 154-2003《建筑防火封堵應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)中的要求，金屬封閉母線在穿越防火墻處或樓板處，其殼外應(yīng)設(shè)防火隔板或用防火材料封堵，以防止煙火蔓延。此次發(fā)生泄漏的GIS穿墻套筒原采用水泥進(jìn)行封堵，根據(jù)南網(wǎng)反措要求，GIS穿墻管筒嚴(yán)禁用水泥封堵，而應(yīng)采用非腐蝕性、非導(dǎo)磁性材料。因此，2013年7月，檢修人員對(duì)該筒體進(jìn)行封堵改造。破拆后發(fā)現(xiàn)筒體表面發(fā)生了局部腐蝕，腐蝕深度為0.1 mm左右，但沒有發(fā)生腐蝕穿孔。因此，檢修人員未對(duì)筒體進(jìn)行更換，而是將發(fā)生局部腐蝕的部分打磨光滑后用酒精清洗，晾干后依次在其表面涂刷環(huán)氧底漆、環(huán)氧鐵紅防銹漆、灰色面漆，漆膜干燥后在筒體表面包覆塑料編織帶以避免筒體與防火封堵材料直接接觸。此后，進(jìn)行防火處理，最外層為防火板，中間依次為火磚層、防火包層，最內(nèi)層為防火板，最后采用玻璃膠填補(bǔ)防火板與筒體之間的縫隙。據(jù)檢修人員反映，為保證黏結(jié)力足夠大，使用的玻璃膠是有刺鼻氣味的酸性玻璃膠。

3 腐蝕原因分析

3.1 防火包浸出液成分分析

將現(xiàn)場(chǎng)取回的防火包拆開后，取其中防火材料用研缽磨成粉末狀，分別稱取0、10、30、50 g粉末加入100 mL除鹽水，攪拌均勻靜置20 min后，取上層清液測(cè)得其pH分別為6.8、6.7、6.5、6.4。結(jié)果表明：加入不同量防火材料粉末的浸出液均為近中性溶液，表明防火材料由近中性的有機(jī)纖維和無(wú)機(jī)鹽組成；將加入10 g粉末的浸出液過濾后,用離子色譜進(jìn)行成分檢測(cè)，結(jié)果表明浸出液中各離子的濃度分別為0.77 mmol/L Cl-，0.35 mmol/L SO42-，0.03 mmol/L NO3-，0.22 mmol/L F-。一般雨水中的Cl-濃度僅為0.03 mmol/L[2]，因此浸出液中的Cl-濃度遠(yuǎn)高于雨水中的。

3.2 腐蝕產(chǎn)物成分分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1所示。筒體所用材料為鋁硅鎂系鑄鋁合金，故腐蝕產(chǎn)物中的鋁、鎂、硅等元素來自于筒體材料，氯主要來自于防火包材料。

表1 腐蝕產(chǎn)物成分的分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Analysis result of corrosion products (mass fraction) %

3.3 腐蝕過程分析

該次發(fā)生腐蝕穿孔的GIS穿墻套筒材料為鋁硅鎂系鑄鋁合金，與其他系鋁合金相比，鋁硅鎂系鑄鋁合金的耐蝕性更好，在大氣環(huán)境中其表面會(huì)迅速生成致密的氧化膜(主要為γ-Al2O3)，甚至在很多天然淡水體系中都具有很好耐蝕性[3]。雨水滲入以及墻體內(nèi)部本身濕度較大，使防火包長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)。當(dāng)墻體內(nèi)部水氣向濕度較低的外部遷移時(shí)，被包覆在筒體表面的塑料纖維攔截，在筒體與擋板接觸部位形成局部積水，同時(shí)防火包中的各種鹽分不斷釋放到水中，為筒體表面提供了發(fā)生電化學(xué)腐蝕必須的電解液環(huán)境。根據(jù)圖2所示鋁-水體系的Pourbaix圖[4]可知，當(dāng)溶液pH在4.3～8.5范圍內(nèi)時(shí)，鋁處于鈍化狀態(tài)，此時(shí)筒體表面除了受到自身的致密氧化膜保護(hù)外，還受到施工時(shí)涂刷的漆膜保護(hù)，防火包滲出液中所含的氯需穿透防腐蝕漆膜才能破壞氧化膜。因此，在腐蝕發(fā)生前首先發(fā)生的是漆膜的破壞。

圖2 鋁-水體系的Pourbaix圖Fig. 2 Pourbaix plot of Al-H2O system

現(xiàn)場(chǎng)GIS穿墻套筒表面涂覆的漆膜遭到破壞的原因可能有三種：一是酸性玻璃膠固化時(shí)間較長(zhǎng)，漆膜與玻璃膠長(zhǎng)期接觸下發(fā)生溶脹軟化[5]；二是GIS正?；蚬收蠣顟B(tài)下分合操作，在筒體上產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，由于筒體外殼多點(diǎn)接地引起外殼瞬間通過近千安的環(huán)流[6]，將濕度較大處的漆膜擊穿，造成電流通道內(nèi)的漆膜破壞[7]；三是改造時(shí)涂刷的漆膜材料與原廠使用漆膜的熱膨脹性能不同，筒體表面溫度變化較大[8]，使得新舊漆膜接觸處由于熱脹冷縮出現(xiàn)空隙。

漆膜遭到局部破壞后，積水滲入筒體鈍化膜表面，γ-Al2O3逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锳l(OH)3。在近中性溶液中，Cl-濃度大于0.5 mmol/L時(shí)即可引起鋁合金發(fā)生點(diǎn)蝕[9]，Cl-通過競(jìng)爭(zhēng)[10]取代Al(OH)3中的OH-，最終生成可溶性產(chǎn)物AlCl3，其腐蝕反應(yīng)如式(1)～(3)，在漆膜破裂處形成活性腐蝕孔。

(1)

OH-

(2)

(3)

由于積水中溶解了從玻璃膠中不斷釋放出的醋酸分子，因此呈現(xiàn)弱酸性，與堿性溶液中加速孔蝕的氧濃差電池作用不同，根據(jù)不同pH條件下鋁合金的極化曲線圖(見圖3)可知，此時(shí)陰極發(fā)生的是析氫反應(yīng)。腐蝕孔形成后，孔內(nèi)的鋁合金失去保護(hù)，作為陽(yáng)極處于活性溶解狀態(tài)，溶解產(chǎn)物以Al3+、Mg2+為主，孔外的金屬則處于鈍化狀態(tài)，該過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)見式(4)～(5)。為維持腐蝕孔內(nèi)的電中性，醋酸根不斷向孔內(nèi)遷移，與Al3+結(jié)合生成醋酸鋁。由于醋酸鋁為弱酸弱堿鹽，在孔內(nèi)發(fā)生雙水解反應(yīng)，見式(6)，生成膠體狀的腐蝕產(chǎn)物Al(OH)3聚集在孔口，使得孔內(nèi)外物質(zhì)的傳遞受到很大阻礙，形成了具有“大陰極、小陽(yáng)極”特點(diǎn)的鈍化-活化局部腐蝕電池，不斷加速腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，反應(yīng)機(jī)理見圖4。

(4)

(5)

圖3 不同pH條件下鋁合金的極化曲線[9]Fig. 3 Polarization curves of aluminum alloy at different pH values[9]

圖4 腐蝕反應(yīng)機(jī)理Fig. 4 Mechanism of corrosion reaction

(6)

腐蝕產(chǎn)物Al(OH)3在孔口不斷聚集，體積增大，使防腐蝕漆的漆面出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。受到鈍化-活化腐蝕電池的自催化作用，以及重力影響，腐蝕孔不斷沿重力方向發(fā)展，最終使GIS穿墻筒體腐蝕穿孔，形成漏氣點(diǎn)。

4 結(jié)論與施工改進(jìn)建議

根據(jù)以上分析，水圩I線104線路側(cè)GIS穿墻筒體在防火包滲出的浸蝕性陰離子與玻璃膠釋放的酸性物質(zhì)共同作用下發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，最終穿孔導(dǎo)致氣體泄漏。筒體表面漆膜的破壞是導(dǎo)致腐蝕的關(guān)鍵，造成此現(xiàn)象的原因仍需進(jìn)一步研究，并采取相應(yīng)的預(yù)防應(yīng)對(duì)措施，以確保GIS產(chǎn)品安全運(yùn)行。

穿墻套筒是否發(fā)生腐蝕、腐蝕的部位以及腐蝕的程度與密封擋板選用的材料、套筒與密封擋板直接接觸的位置、套筒表面的防腐蝕漆狀態(tài)以及雨水浸入的程度等因素有關(guān)。這也是有些穿墻套筒在安裝幾年內(nèi)就出現(xiàn)了嚴(yán)重孔蝕并穿透殼體導(dǎo)致漏氣，有些穿墻套筒在安裝數(shù)年之后才出現(xiàn)腐蝕，而有些穿墻套筒不發(fā)生腐蝕的原因。

為避免GIS鋁合金穿墻套筒發(fā)生電化學(xué)腐蝕，首先應(yīng)防止整個(gè)產(chǎn)品的殼體周邊有積水存在。產(chǎn)品在安裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩須夂驐l件，充分考慮雨水排暢，凝露結(jié)水等因素，做好預(yù)防積水的設(shè)計(jì)。南方部分地區(qū)氣候較為潮濕，穿墻孔部位與外界空氣不流通，使得筒體在墻體內(nèi)局部濕度接近飽和，為電化學(xué)腐蝕提供環(huán)境，因此在施工過程中應(yīng)注意內(nèi)部防潮，在濕度較大的地區(qū)應(yīng)考慮采用墻體除濕機(jī)。

在防腐蝕涂料的選擇上應(yīng)根據(jù)母線套筒的工作特點(diǎn)，選擇耐熱性較好的涂料，避免因母線過熱造成漆膜開裂。涂刷過程中應(yīng)保證筒體表面干燥，均勻涂刷涂料，避免因涂刷工藝不合格造成漆膜缺陷。此外，可采用一種SBS(苯乙烯系熱塑性彈性體)改性瀝青防水卷材[11]，根據(jù)環(huán)境溫度采用熱熔法、冷粘法卷材包覆在殼體表面，邊鋪卷材邊用橡皮輥?zhàn)油普咕聿囊员闩懦諝庵翂簩?shí)。另可參照土建施工中安裝鋁合金門窗時(shí)用泡沫槍在墻體縫隙填注泡沫的做法，在GIS外殼與混凝土間預(yù)留不小于30 mm的間隙，再在間隙內(nèi)充分灌充塑料泡沫，作為防腐蝕措施。

在防火施工方面，根據(jù)現(xiàn)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水泥、石棉纖維、防火包等封堵材料均對(duì)GIS筒體材料具有腐蝕性。因此，可將混凝土封堵改為用鋁合金或防火絕緣板框架分上下兩塊封堵，中間預(yù)留母線進(jìn)出孔洞，可采用墻體中部單層封堵，厚度建議不小于10 mm，也可采用內(nèi)外墻面雙層封堵，此種封堵方法還便于今后設(shè)備檢修拆解，但需注意筒體與防火板之間的縫隙應(yīng)采用無(wú)腐蝕性、對(duì)GIS筒體面漆無(wú)溶脹作用的堵料。