GIS 鋁合金法蘭腐蝕原因分析及防范措施

張榮輝

（深能安所固電力（加納）有限公司，廣東深圳 518031）

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）具有占地面積小、運(yùn)行可靠性高、維護(hù)工作量小和不受外界環(huán)境條件影響等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于沿海、高原、污穢等地區(qū)。加納某燃機(jī)電廠所采用的戶外ZF9A-252 型氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）自2009 年投入運(yùn)行以來(lái)性能總體穩(wěn)定，工作狀態(tài)良好。但自2013 年以來(lái)，該設(shè)備鋁合金接地外殼連接法蘭陸續(xù)出現(xiàn)法蘭面鼓包、開裂和剝落等腐蝕現(xiàn)象。該腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)可能帶來(lái)GIS 氣室漏氣，絕緣強(qiáng)度減低的隱患，對(duì)GIS 設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此分析該現(xiàn)象發(fā)生的原因和找出具體應(yīng)對(duì)措施對(duì)維護(hù)GIS 設(shè)備的安全性和可靠性具有重要意義。

本文通過(guò)對(duì)比不同部位的鋁合金連接法蘭腐蝕程度，結(jié)合相關(guān)理論分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出相應(yīng)的防范措施和注意事項(xiàng)，以期減輕GIS 接地外殼連接法蘭的腐蝕程度，同時(shí)提高GIS 設(shè)備的運(yùn)行可靠性，減少設(shè)備維護(hù)工作量。

1 GIS 鋁合金接地外殼連接法蘭腐蝕現(xiàn)象

加納某燃機(jī)電廠南臨幾內(nèi)亞灣，距離海邊不足百米，各生產(chǎn)設(shè)備受熱帶海洋環(huán)境影響，設(shè)備腐蝕現(xiàn)象尤其嚴(yán)重。為提高設(shè)備可靠性和降低設(shè)備維護(hù)工作量，該廠選用國(guó)內(nèi)某廠ZF9A-252 型戶外型體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）。該產(chǎn)品自投入運(yùn)行以來(lái)性能總體較為穩(wěn)定，工作狀態(tài)良好。但自2013 年以來(lái)，該設(shè)備鋁合金連接法蘭陸續(xù)出現(xiàn)鼓包、開裂和剝落等腐蝕現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)2018 年10 月GIS 設(shè)備小修，現(xiàn)場(chǎng)共更換22塊腐蝕嚴(yán)重的接地外殼連接法蘭。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察和統(tǒng)計(jì)，GIS 鋁合金外殼發(fā)生腐蝕的部位均為接地外殼連接法蘭。各六氟化硫（SF6）氣室本體、隔離開關(guān)連接法蘭等部位均未發(fā)生明顯腐蝕現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步總結(jié)，處于不同安裝位置的接地外殼連接法蘭腐蝕程度不一。部分接地外殼連接法蘭僅有鼓包或輕微腐蝕現(xiàn)象。腐蝕最為嚴(yán)重的部件為母線電壓互感器（PT）接地外殼連接法蘭和安裝位置處于迎風(fēng)面的接地外殼連接法蘭。

母線電壓互感器（PT）接地外殼連接法蘭腐蝕處外觀圖片如圖1 所示，經(jīng)拆解后發(fā)現(xiàn)2 條母線、16 只PT接地外殼連接法蘭均發(fā)生較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。腐蝕部位呈不規(guī)則環(huán)狀分布；法蘭內(nèi)側(cè)圓周均發(fā)生較為嚴(yán)重腐蝕，腐蝕深度最深處約在4～5 mm 處，腐蝕特征均為坑蝕，腐蝕面積約占整個(gè)法蘭面的1/2，且個(gè)別法蘭的O 型圈安裝位置外側(cè)均已出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，極易發(fā)生SF6氣體泄漏事故。

圖1 母線電壓互感器接地外殼連接法蘭外觀圖

安裝于迎風(fēng)面處接地外殼連接法蘭如圖2 所示，該法蘭因鋁合金腐蝕導(dǎo)致外部漆皮鼓包、剝落。鋁合金腐蝕物外部呈灰白色粉末狀，內(nèi)部呈灰白色層狀。腐蝕程度隨迎風(fēng)面位置而發(fā)生變化?？傮w而言，無(wú)遮擋物處接地外殼連接法蘭腐蝕嚴(yán)重程度重于有遮擋處，背風(fēng)面處接地外殼連接法蘭（圖3）腐蝕程度輕于迎風(fēng)面處。

圖2 迎風(fēng)面處接地外殼連接法蘭外觀圖

圖3 背風(fēng)面處接地外殼連接法蘭外觀圖

與接地外殼連接法蘭相接觸的GIS 本體側(cè)法蘭及隔離開關(guān)連接法蘭，除表面涂層漆老化外，均未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象?？傮w而言，接地外殼連接法蘭的分布位置均沿法蘭內(nèi)側(cè)分布。相較于法蘭外側(cè)腐蝕程度，法蘭內(nèi)側(cè)腐蝕程度更為嚴(yán)重。在沿圓周方向上，法蘭的分布位置無(wú)明顯特征。

2 鋁合金腐蝕因素和機(jī)理分析

與其他金屬材料相比，由于鋁合金材料在自然條件下表面會(huì)形成一層保護(hù)性氧化膜，故在大氣中有較好的耐腐蝕性。目前GIS 生產(chǎn)廠家殼體材料一般均采用鎂系合金或鋁硅鎂系鑄鋁合金，而這類合金耐點(diǎn)蝕性能比其他系鋁合金好[1]。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)GIS 設(shè)備出現(xiàn)的大規(guī)模鋁合金腐蝕現(xiàn)象與交流電化學(xué)腐蝕和大氣腐蝕有關(guān)。

2.1 交流感應(yīng)電化學(xué)腐蝕及機(jī)理分析

金屬處于電解質(zhì)體系中在交流作用下可以誘導(dǎo)產(chǎn)生交流電化學(xué)腐蝕，交流腐蝕是在大小和方向變化的電場(chǎng)作用下進(jìn)行的電化學(xué)過(guò)程，這個(gè)外施電場(chǎng)比起自然極化過(guò)程的內(nèi)電場(chǎng)，在強(qiáng)度上要大得多。在電介質(zhì)中的金屬結(jié)構(gòu)，電流流入的部位，是陰極，不受腐蝕；在電流流出的部位是陽(yáng)極，要遭受腐蝕。

交流腐蝕的必要條件：①必須有不同電極電位的兩電極；②兩電極必須有導(dǎo)線連接；③兩電極必須存在同一電解質(zhì)體系中；④電極上帶有交流電位。

在電解質(zhì)中的鋁合金表面缺陷部位，當(dāng)交流電處于正半周波時(shí)，缺陷處為陽(yáng)極，處于缺電子狀態(tài)；由于在電解質(zhì)容易形成濃差極化，去極化作用使得金屬鋁原子失去電子形成陽(yáng)離子進(jìn)入溶液，溶液中的陰離子如氫氧根離子、氯離子等會(huì)向缺陷表面處富集，而鋁離子會(huì)與氫氧根離子結(jié)合形成膠體狀的氫氧化鋁。

當(dāng)交流電處于負(fù)半周波時(shí)，缺陷處為陰極，處于富電子極，溶液中的陽(yáng)離子向金屬表面移動(dòng)，溶液中帶正電荷的氫離子在電場(chǎng)作用下遷移至金屬表面得到電子并生成氫氣。

電極反應(yīng)如下

半波為正（陽(yáng)）極時(shí)，Al-3e=Al3+；

半波為負(fù)（陰）極時(shí)，2H2O+2e=H2↑+2OH-。

一個(gè)交流周波在電極上2 種反應(yīng)交替進(jìn)行，逐漸造成鋁基上鋁原子的損失，宏觀上表象為鋁基體的腐蝕。隨著交流電化學(xué)腐蝕進(jìn)程，溶液中鋁離子和氫氧根離子濃度逐漸增加，氫氧根離子濃度會(huì)使鋁基腐蝕電位下降及腐蝕區(qū)域附近氧化鋁鈍化膜的破壞，增大腐蝕區(qū)，同時(shí)在腐蝕表面會(huì)形成灰白色氫氧化鋁水合物的沉積物[1]。

2.2 大氣腐蝕及機(jī)理分析

鋁及鋁合金的大氣腐蝕是一種特殊形式的電化學(xué)腐蝕，主要是材料與大氣中的H2O、O2及腐蝕性介質(zhì)聯(lián)合作用而發(fā)生的電化學(xué)破壞。材料表面H2O、O2的分布與含量受氣候因素影響，包括大氣的相對(duì)濕度、溫度、日照時(shí)間及降雨等。其中大氣相對(duì)濕度是影響鋁合金腐蝕的一個(gè)非常重要的因素，鋁的腐蝕臨界相對(duì)濕度約在70%～80%，當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度達(dá)到此值時(shí)，鋁合金的腐蝕速率會(huì)迅速增加。腐蝕性介質(zhì)主要來(lái)源于大氣污染物，包括固體和氣體2 部分，固體污染物有灰塵、NaCl、ZnO 等，氣體污染物有S、C、N等元素的氣體。其中，氯離子（Cl-）沉積和二氧化硫（SO2）污染對(duì)鋁及鋁合金材料的腐蝕影響最大[2]。氯離子具有強(qiáng)烈的穿透性，能夠吸附在鋁材表面氧化膜的不完整或缺陷處，與氧化膜（主要成分為Al（OH）3）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致氧化膜減薄，最終使金屬基體發(fā)生腐蝕溶解，反應(yīng)機(jī)制如下

3 GIS 鋁合金接地外殼連接法蘭腐蝕原因分析

由文獻(xiàn)[3]可知，在GIS 外殼處，GIS 外殼受感應(yīng)交流電流影響，接地外殼連接法蘭產(chǎn)生一定的環(huán)流，并產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓。從現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，該產(chǎn)品各六氟化硫（SF6）氣室本體、隔離開關(guān)連接法蘭均通過(guò)接地銅排實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)接地，接地條件良好，均未發(fā)現(xiàn)有鋁合金腐蝕現(xiàn)象。但接地外殼連接法蘭除與接地外殼連接外，沒(méi)有通過(guò)專設(shè)的接地銅排進(jìn)行良好接地。在接地外殼連接法蘭結(jié)合面密封膠的作用下，接地外殼連接法蘭接地效果不佳，因此接地外殼連接法蘭沿徑向有一定的感應(yīng)電壓分布，呈現(xiàn)法蘭內(nèi)側(cè)感應(yīng)電壓高、外側(cè)感應(yīng)電壓低的特征，而現(xiàn)場(chǎng)法蘭的腐蝕分布也呈現(xiàn)出內(nèi)側(cè)腐蝕比外側(cè)腐蝕嚴(yán)重的特征，且最先發(fā)生腐蝕的部位處于法蘭內(nèi)側(cè)，如圖3 所示。因此該現(xiàn)象也印證了交流感應(yīng)電化學(xué)腐蝕對(duì)鋁合金造成的影響。

在現(xiàn)場(chǎng)GIS 設(shè)備的布置中，其他接地外殼連接法蘭安裝方式均為垂直安裝，但母線電壓互感器（PT）鋁合金接地外殼連接法蘭安裝方式為水平安裝。在自然雨水的作用下，法蘭與接地外殼之間的縫隙留存了一定的水分且無(wú)法快速排出，在某種原因下，鋁合金表面涂層損壞后，水分吸收空氣中的鹽霧，形成良好的導(dǎo)電溶液，連接法蘭鋁合金腐蝕現(xiàn)象開始發(fā)生。在交流感應(yīng)電化學(xué)腐蝕的作用下，鋁合金法蘭內(nèi)側(cè)加速腐蝕。內(nèi)側(cè)受腐蝕部位的金屬基體變得低凹，同時(shí)疏松的氧化鋁腐蝕物又較好地保存了雨水，創(chuàng)造了較好的外部腐蝕條件，進(jìn)一步加速了腐蝕的發(fā)生。所以母線電壓互感器（PT）鋁合金接地外殼連接法蘭腐蝕最為嚴(yán)重，且腐蝕部位沿法蘭內(nèi)側(cè)呈環(huán)狀分布，腐蝕深度較深，如圖2 所示。

加納該燃機(jī)電廠南臨幾內(nèi)亞灣，所處位置靠近赤道，終年高溫，年平均氣溫達(dá)26 ℃，常年有較為穩(wěn)定的西南風(fēng)。每年12 月至2 月有較為嚴(yán)重的哈馬丹天氣（一種嚴(yán)重的沙塵暴氣候）。經(jīng)測(cè)量，電廠每日16 點(diǎn)至次日10 點(diǎn)之間相對(duì)濕度均超過(guò)70%。在穩(wěn)定的西南風(fēng)作用下，迎風(fēng)面處接地外殼連接法蘭邊緣表面涂層率先受到磨損并暴露于潮濕的空氣中，在含有鹽霧的空氣中形成較好的微小導(dǎo)電溶液，經(jīng)交流感應(yīng)電化學(xué)腐蝕的作用下，腐蝕現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生并逐漸加重。由于該處法蘭為垂直布置，雨水在重力的作用下自然排走，沒(méi)有形成較長(zhǎng)時(shí)間、大面積的導(dǎo)電溶液。因此相比母線電壓互感器（PT）接地外殼連接法蘭腐蝕程度，該處接地外殼連接法蘭腐蝕程度較輕，但明顯嚴(yán)重于背風(fēng)面處接地外殼連接法蘭。

4 防范措施與注意事項(xiàng)

4.1 對(duì)接地外殼連接法蘭進(jìn)行良好接地

由以上分析可知，接地外殼連接法蘭普遍發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的原因在于該法蘭沒(méi)有良好接地。因此對(duì)接地外殼連接法蘭進(jìn)行良好接地，降低接地外殼連接法蘭感應(yīng)電壓是阻止鋁合金發(fā)生腐蝕的重要措施。在檢修過(guò)程中，每塊法蘭均增加了4 塊紫銅接地連接板（寬×厚=60 mm×2 mm）。為保證紫銅板與已接地的GIS 殼體和連接法蘭良好接觸，在安裝時(shí)，利用砂紙磨去紫銅板表面氧化層，同時(shí)通過(guò)小刀將原鋁合金部件涂層刮去，直至露出鋁合金本色并涂抹導(dǎo)電膏。

4.2 接地外殼連接法蘭再次進(jìn)行漆化處理

表面涂漆是金屬材料最經(jīng)濟(jì)有效的防腐手段之一。盡管新購(gòu)法蘭已噴有良好涂層，但考慮迎風(fēng)面風(fēng)沙對(duì)涂層的磨損作用，現(xiàn)場(chǎng)再次對(duì)鋁合金法蘭進(jìn)行漆化處理?，F(xiàn)場(chǎng)為法蘭表面涂刷雙組分環(huán)氧底漆后，再噴涂特氟龍850 防腐涂料。底漆主要起防腐蝕作用；面漆主要起耐紫外線、耐介質(zhì)腐蝕、增厚防腐涂層等作用。在涂刷時(shí)應(yīng)注意，在原廠家涂層遭到破壞的位置處應(yīng)加強(qiáng)涂刷，以避免金屬基體裸露。在涂刷底漆前，待涂刷部位應(yīng)保證表面干凈，無(wú)臟污。為避免接地連接板自身發(fā)生腐蝕，連接板也應(yīng)做好防腐措施。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生輕微腐蝕的連接法蘭，通過(guò)涂刷防腐涂料的方式也可以有效減緩鋁合金的腐蝕進(jìn)程。但在涂刷防腐涂料前應(yīng)確保原腐蝕物已清除干凈，否則發(fā)生腐蝕處依舊會(huì)發(fā)生涂層開裂，鋁合金基體鼓包、剝落的腐蝕現(xiàn)象。對(duì)于腐蝕嚴(yán)重的連接法蘭，應(yīng)盡快進(jìn)行更換處理，以免發(fā)生SF6氣壓降低，絕緣強(qiáng)度下降的后果。

此外，根據(jù)以上分析，現(xiàn)場(chǎng)還采取相關(guān)措施延緩鋁合金腐蝕的發(fā)生：①為避免雨水積聚于法蘭內(nèi)側(cè)縫隙，在接地外殼連接法蘭和接地外殼之間涂抹防水膠。②為了減少風(fēng)力對(duì)迎風(fēng)面接地連接法蘭涂層的侵蝕作用，在受迎風(fēng)面較大的間隔處增加擋墻以減少風(fēng)力影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)鋁合金接地外殼連接法蘭發(fā)生腐蝕的部位和嚴(yán)重程度較好地印證了鋁合金腐蝕的2 個(gè)主要因素。因此，采取措施降低連接法蘭內(nèi)側(cè)的交流感應(yīng)電壓和減少鋁合金與外界空氣的接觸對(duì)減緩鋁合金法蘭的腐蝕具有重要作用。在采取防腐措施方面，應(yīng)從腐蝕原理出發(fā)，破壞腐蝕反應(yīng)發(fā)生的條件。在腐蝕發(fā)生后，腐蝕位置應(yīng)及時(shí)處理，否則腐蝕范圍和嚴(yán)重程度具有加速現(xiàn)象。介于海洋性環(huán)境的嚴(yán)重腐蝕性，為根除GIS 的腐蝕現(xiàn)象，提高相關(guān)設(shè)備的使用壽命，減少維護(hù)工作量，建議熱帶沿海地區(qū)GIS 采用戶內(nèi)安裝方式。