變電站大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動檢測儀研制及應用

臺闖

（中國科學院金屬研究所 材料環(huán)境腐蝕研究中心，沈陽 110016）

腐蝕是指材料受環(huán)境介質(zhì)的作用而發(fā)生破壞與變質(zhì)的現(xiàn)象。大多數(shù)情況下，金屬腐蝕屬于電化學腐蝕，腐蝕介質(zhì)在金屬表面形成各種微小的原電池，進而產(chǎn)生銹蝕。例如在潮濕的空氣中，鋼材表面吸附一層極薄的水膜，通過水膜和微電池，鐵被氧化成鐵銹。據(jù)統(tǒng)計，大氣中使用的鋼材約占生產(chǎn)總量的60%，自然環(huán)境腐蝕的損失在總損失中所占的比例最大，其中材料大氣環(huán)境腐蝕損失占總損失的 50%以上[1-2]。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力的需求與日俱增。電力輸送網(wǎng)絡(luò)承擔著全國電力輸送任務(wù)，安全可靠的電力供應非常重要，輸電設(shè)備、線路、金具等重要部件的安全可靠運行至關(guān)重要。

通常，變電站起著變換電壓和分配電能的作用。變電站金屬構(gòu)件較多，材質(zhì)涉及銅材、碳鋼、鍍鋅鋼、不銹鋼、鋁材等。由于腐蝕，金屬構(gòu)件材料性能降低，影響設(shè)備可靠性。正常情況下，腐蝕程度與設(shè)備、裝置的使用、服役年限有關(guān)。有些部件腐蝕的位置是固定的，如螺栓的接觸部位[3]。

變電站大部分碳鋼構(gòu)件采用熱鍍鋅防腐。抱箍、槽鋼、螺栓這幾類金屬構(gòu)件防腐鍍鋅層易出現(xiàn)質(zhì)量問題。由于鍍鋅層厚度不夠，鍍層瑕疵，或在運輸、安裝過程中造成的局部鍍鋅層破壞，使原本包覆在鐵外面起電化學保護作用的鍍鋅層過早失效，露出下面的鐵基體而加速腐蝕[4]。因此，根據(jù)我國大氣環(huán)境特征和典型材料的大氣腐蝕規(guī)律，開發(fā)快速檢測和評估電力設(shè)施大氣腐蝕強度的方法及設(shè)備迫在眉睫。

浙江湖州市某變電站變電設(shè)備的大氣腐蝕情況如圖1—圖4所示。設(shè)備的材質(zhì)主要是碳鋼，可以看到由于大氣腐蝕而裸露的紅銹。腐蝕會造成電流有效傳導面積減小或喪失，進而導致結(jié)構(gòu)材料的強度下降，嚴重威脅輸電線路安全運行，增加設(shè)備非正常停工概率。

圖1 JDCF-110電壓互感器腐蝕狀況Fig.1 Corrosion of JDCF-110 voltage transformer

圖2 LCWB-110電流互感器腐蝕狀況Fig.2 Corrosion condition of LCWB-110 current transformer

圖3 手力操動機構(gòu)-手柄腐蝕狀況Fig.3 Hand operating mechanism-handle corrosion

圖4 法蘭盤腐蝕狀況Fig.4 Corrosion of flange

1 理論依據(jù)

大氣腐蝕的環(huán)境影響因素很多，如溫度、濕度、降雨量、沉降量及離海岸距離和污染狀況等。可以通過兩種方法對某一地區(qū)的大氣腐蝕性進行評價分級：一是對大氣腐蝕關(guān)鍵因素——潤濕時間及二氧化硫和氯化物污染物水平的檢測；二是檢測標準金屬試片的第1年或10年的平均腐蝕速率。

國家標準將大氣的腐蝕性劃分為5個等級，規(guī)定了通過檢測潤濕時間及二氧化硫和氯化物沉積量的檢測值對大氣腐蝕性的分級方法（GB/T 19292.1—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》）和二氧化硫、氯化物沉積量的檢測方法（GB/T 19292.3—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 污染物的測量》）；規(guī)定了根據(jù)碳鋼、鋅、銅和鋁1年的腐蝕速率評價腐蝕等級的方法（GB/T 19292.1—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》）和用標準試樣檢測腐蝕速率的方法（GB/T 19292.4—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 用于評估腐蝕性的標準試樣的腐蝕速率的測定》）[5-9]。

隨著工業(yè)的發(fā)展，大氣中污染成分越來越復雜，像氨（NH3）、氮氧化物（NOx）和硫化氫（H2S）等也會對金屬腐蝕有一定影響，實際上金屬的腐蝕是環(huán)境的諸多因素共同作用或協(xié)同作用的結(jié)果。因此，通過檢測金屬的腐蝕速率來劃分大氣腐蝕性等級更能客觀地反應實際狀況。文中的研究及應用背景基于浙江省電網(wǎng)所屬變電站大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)[10]。

2 大氣環(huán)境腐蝕分級原則

由于浙江省內(nèi)除沿海工業(yè)區(qū)外，環(huán)境因素沒有很大差別，腐蝕速率的差異不是很大，如果按 GB/T 19292.1—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》的方法劃分等級，很多地區(qū)會在同一等級下。因此，依據(jù)浙江電網(wǎng)提供的2012年度浙江省各區(qū)縣SO2和Cl-檢測數(shù)據(jù)，將國標等級可能覆蓋最多的兩個等級細分，并按浙江省的環(huán)境特點，劃分了6個等級，見表1。

表1 與標準金屬腐蝕速率對應的大氣腐蝕性等級Tab.1 Atmospheric corrosivity grade corresponding to standard metal corrosion rate

3 大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動檢測儀功能設(shè)計

大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計依據(jù)上述大氣腐蝕分級原則[11]，并根據(jù)浙江當?shù)毓r條件，選擇測量的參數(shù)及功能。大氣腐蝕的影響因素很多，其中主要的有大氣的相對濕度、溫度、成分以及大氣中的污染物等，在個別重工業(yè)污染區(qū)，SO2影響最嚴重。大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動檢測儀綜合考慮上述大氣腐蝕性影響因素，對大氣腐蝕主要影響因子（溫度、相對濕度、二氧化硫濃度、ACM 電流等四個關(guān)鍵影響因素）進行現(xiàn)場實時快速檢測。

通過對比大氣腐蝕因子檢測結(jié)果，進而對被測大氣環(huán)境腐蝕等級進行快速評價。為輸變電系統(tǒng)在材料的選擇、腐蝕防護工作的開展、設(shè)備更新與維護方面提供重要的數(shù)據(jù)支持。

3.1 溫、濕度檢測傳感器

大氣溫、濕度檢測采用Sensirion公司的SHT7x系列產(chǎn)品。該傳感器將測溫模塊、濕度測量模塊集成在一塊微型電路板上，采用CMOSens?技術(shù)，直接輸出溫度和濕度數(shù)字信號，經(jīng)后續(xù)計算，轉(zhuǎn)換成可以顯示的溫濕度值。因此，該產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。溫度精度為±0.3 ℃，相對濕度精度為±1.8%。

該傳感器采用兩線制的串行接口及內(nèi)部的電壓調(diào)整模塊，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。

3.2 二氧化硫濃度檢測傳感器

大氣二氧化硫濃度檢測采用國產(chǎn) ME3-SO2型氣體傳感器。該傳感器根據(jù)電化學原理，利用被測氣體在傳感器工作電極和對電極上發(fā)生相應的氧化還原反應，并釋放電荷，通過外電路形成電流，電流大小與氣體濃度成正比，從而實現(xiàn)對目標氣體的定量測量。該傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬和抗干擾能力強的特點。廣泛適合工業(yè)、環(huán)保中SO2的檢測。

3.3 腐蝕電偶電流檢測（ACM）

大氣腐蝕電流檢測的測量原理是利用電化學的ACM 技術(shù)，根據(jù)薄層電解質(zhì)液膜下電化學電池的電流信號來反映大氣環(huán)境腐蝕性強弱[12]。目前，此技術(shù)已成為一種比較成熟的評價大氣腐蝕強弱的方法。

為模擬大氣腐蝕，采用不同或者相同材質(zhì)偶合，構(gòu)成電偶接觸型或外加電壓的原電池。這種電偶腐蝕原電池中，兩種不同腐蝕電位的材料，通過電介質(zhì)這個媒介，直接或者經(jīng)過其他導體間接形成電連接，使電流從一種材料經(jīng)過電介質(zhì)流向另一種材料。電位較低的材料由于和腐蝕電位較高的材料偶合而產(chǎn)生陽極極化，電位較高的材料由于和電位較低的材料偶合而發(fā)生陰極極化，結(jié)果溶解得到抑制，受到保護[13-15]。

ACM 技術(shù)就是通過測量曝露在大氣中電偶腐蝕原電池的電流及電流積分來監(jiān)測大氣的腐蝕性。ACM 技術(shù)可以真實地再現(xiàn)薄液膜下金屬大氣腐蝕過程，可連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測金屬腐蝕電流隨時間、環(huán)境的變化[16]。

3.4 檢測儀總體設(shè)計

大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動檢測儀可以同時檢測大氣SO2濃度、ACM電流強度、環(huán)境溫濕度等參數(shù)，如圖5所示。檢測儀集成的各類環(huán)境參數(shù)傳感器輸出的模擬信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，傳輸給中央處理器進行數(shù)據(jù)處理。中央處理器處理將收集來的各數(shù)字信號進行內(nèi)部程序運算后，最終結(jié)果顯示在液晶屏（TFT）上。除上述直接數(shù)據(jù)外，還包括大氣腐蝕性等級判斷及顯示。

圖5 檢測儀總體設(shè)計功能Fig.5 Overall design function of detector

4 沈陽國家大氣監(jiān)測站測試

2013年 7月，大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動檢測儀在沈陽監(jiān)測站進行了穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)跟蹤實時性測試。該次測試采用 ACM測試傳感器，從第一天下午 17:00開始采集，到第二天上午 9:00時結(jié)束，歷經(jīng)一夜，采樣間隔為1次/min，測試總時間約為16.66 h。

圖6 沈陽監(jiān)測站大氣腐蝕參數(shù)測試曲線Fig.6 Test curve of atmospheric corrosion parameters in Shenyang monitoring station

監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。從監(jiān)測結(jié)果來看，溫度、相對濕度和ACM電流變化趨勢與理論完全吻合。溫度從日落開始緩慢降低，相對濕度也隨之緩慢增大，ACM 電流隨著溫度的降低而降低；進入深夜，溫度降到最低（28 ℃），相對濕度同樣也達到最大值（48%），ACM電流達到最小值；清晨太陽升起，溫度回升，相對濕度下降，但ACM電流出現(xiàn)迅速上升趨勢。整個監(jiān)測過程中，ACM 電流在納安數(shù)量級變化，腐蝕性較輕。從溫度、相對濕度和ACM這三個監(jiān)測指標的變化趨勢完全吻合的情況來看，ACM 電流在一定的濕度范圍內(nèi)，受環(huán)境溫度的影響更為敏感。從實驗數(shù)據(jù)結(jié)果來看，通過監(jiān)測ACM電流來評價環(huán)境腐蝕性是可行的。

5 浙江地區(qū)現(xiàn)場測試結(jié)果

5.1 湖州110 kV變電站

監(jiān)測開始時間為2014年01月07日，小雨，采用大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動檢測儀對浙江省湖州110 kV變電站環(huán)境（大氣、土壤）進行連續(xù)監(jiān)測。環(huán)境溫度為 5 ℃，環(huán)境相對濕度為 60%～70%，ACM 電流采用Cu/Zn監(jiān)測傳感器，監(jiān)測采樣間隔為2 s，共采集了2677組數(shù)據(jù)。湖州大氣腐蝕電流測試曲線如圖7所示。

圖7 湖州某變電站大氣腐蝕監(jiān)測曲線Fig.7 Atmospheric corrosion monitoring curve of a substation in Huzhou

測試初期，傳感器表面干爽，電偶電流較小，為納安級。在 16 min后，傳感器表面液膜形成，電偶電流迅速增大，最高達到約 7 μA。隨著監(jiān)測時間的增長，Cu/Zn兩電極自身的開路電位差逐漸減小，并有腐蝕產(chǎn)物生成，覆蓋在電極表面，電偶電流從最高的7 μA緩慢減小，最終穩(wěn)定于3.5 μA。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可判斷測試當天湖州110 kV變電站大氣腐蝕較為嚴重。

5.2 浙江嘉興某變電所

2014年 01月15日，采用腐蝕檢測儀對浙江省嘉興共建變電所環(huán)境進行測試，監(jiān)測顯示環(huán)境溫度為15 ℃，環(huán)境相對濕度為50%～60%，電偶電流用Cu/Zn監(jiān)測傳感器，監(jiān)測采樣間隔為10 s。大氣腐蝕電流測試曲線如圖8所示。從電偶電流監(jiān)測曲線看，在整個監(jiān)測周期內(nèi)（從中午到晚上），電偶電流整體呈逐漸增大趨勢。監(jiān)測初期（午間）的電偶電流為 1.5 nA左右，進入晚間時，電偶電流增大到20 nA左右。整體來看，測試當天嘉興區(qū)大氣電偶電流不大，腐蝕性較輕。

圖8 嘉興某變電所大氣腐蝕監(jiān)測曲線Fig.8 Atmospheric corrosion monitoring curve of a substation in Jiaxing

6 結(jié)語

依據(jù)大氣腐蝕性分級原則研發(fā)的大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動檢測儀可以實時采集各腐蝕傳感器的信號，判斷大氣腐蝕性。國外同類產(chǎn)品只能通過指示燈顯示對應的腐蝕性，不能獲得過程數(shù)據(jù)值。

通過在工業(yè)現(xiàn)場實地測試的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，上述研制的檢測儀能夠滿足現(xiàn)場的實際需要，反映了變電站所在地測試日期的大氣腐蝕環(huán)境。后續(xù)應加大數(shù)據(jù)測試積累的時間（如1～2年），這樣才能真正反映出一年四季變電站所在地的大氣腐蝕規(guī)律及特點。

智能化、自動化腐蝕監(jiān)測儀器發(fā)展很快，出現(xiàn)了許多集成不同種類傳感器、控制器的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。集成度高、自檢測、網(wǎng)絡(luò)化已成為21世紀腐蝕監(jiān)測儀器發(fā)展的一個重要特點。相信隨著電子技術(shù)、腐蝕科學的不斷進步，將來會有更多的腐蝕監(jiān)測智能儀器或系統(tǒng)出現(xiàn)，滿足國民經(jīng)濟的需要。