辽宁沿海地区铝导电杆腐蚀原因分析

2011-04-21王中谦

东北电力技术 2011年2期

赵海,田芳,王中谦

（东北电力科学研究院有限公司,辽宁沈阳 110006）

高压隔离开关铝合金导电杆腐蚀严重困扰着沿海地区变电所安全运行,大连供电公司南关岭、白玉等沿海地区变电所均出现GW6型高压隔离开关铝导电杆腐蚀问题,为查明导电杆腐蚀的根本原因,对辽宁沿海和沈阳的部分变电所（19个）进行取样和环境条件分析,对发生腐蚀现象的2A 12型铝合金导电杆进行了宏观检验、化学成分检验、低倍组织检验、金相检验、扫描电子显微镜检验等,对周围大气环境、各变电所盐密值、检验变电所灰成分进行了分析。从金属、环境因素分析了产生铝合金导电杆腐蚀的原因。得出2A12型铝合金导电杆铜含量偏高是腐蚀产生的内因,沿海地区湿度大、含盐量高尤其是氯含量高是腐蚀产生的外因。

1 铝导电杆的腐蚀情况

本次调研发现采用2A12型铝（合金）导电杆的变电所均腐蚀严重,典型的变电所包括大连白玉、锦州南山、葫芦岛团山子,其中白玉有5组刀闸,南山有8组刀闸,团山子有1组刀闸出现腐蚀现象,服役时间均超过10年。腐蚀往往表现为开裂、鼓包甚至掉渣,如图1所示。

2 检验结果

2.1 宏观检验

由铝合金导电杆腐蚀宏观形貌照片（图1～图5）可见,管材的中部及两端均发生腐蚀,端头处尤其严重。腐蚀产物呈片状、灰白色、疏松,且部分腐蚀产物已从基体上脱落,腐蚀最严重部位腐蚀深度已达8mm（管壁公称壁厚15mm）,部分管材端头部分已被彻底腐蚀掉,管材中部的腐蚀位置几乎成一条直线。

辽宁沿海地区腐蚀导电杆与南关岭更换的导电杆情况基本相同,腐蚀位置在杆端头和中间部位,沿长度方向腐蚀,中间部位腐蚀基本位于一条直线,且通常在导电杆的下方或侧方。图2～图5为南关岭导电杆腐蚀情况。

2.2 化学成分检验

图1 白玉、南山变电所铝导电杆腐蚀情况

对腐蚀取样管材进行了直读光谱分析,化学成分如表1所示。

合金主要添加元素Mg、Cu含量正常,杂质元素含量未超出合格标准,合金成分与2A12合金成分相符。

2.3 低倍组织检验

通过对取样管材断面进行侵蚀后（侵蚀剂为氢氧化钠溶液）得到的低倍腐蚀照片（图6～图7）可见,管材内部材质均匀,无夹杂物、气孔等缺陷。裂纹为沿管材纵向,与管外壁平行,腐蚀首先从外壁开始,并沿晶界逐渐向管材内壁方向深入,最后导致管壁层状开裂。

表1 铝合金导电杆化学成分%

2.4 金相检验

对取样进行金相检验,发现晶粒宽长而扁平,有长条状较粗大晶粒（见图8、图9）,这是在管材挤压成形过程中所形成的。图10、图11为放大100倍后的金相组织及裂纹形态,可以清楚看出裂纹为沿晶裂纹。

2.5 扫描电子显微镜检验

利用扫描电子显微镜对取样管材的腐蚀部位进行组织观察,发现发生腐蚀的部位（见图12）铝合金母材的材质已经非常疏松,由于管材的腐蚀面较大,腐蚀的深度较深,将组织放大到更大倍数（见图13）可看到腐蚀部位的大量腐蚀产物,经能谱分析为A10（OH）（见图14）。

图15为放大500倍的裂纹形态,裂纹为沿晶,这是2A12铝合金的一种常见腐蚀类型,晶间腐蚀。

由于2A 12合金含量较高,易在晶界上析出富铜相,这些富铜的CuAl2相,使晶界产生贫铜区, CuAl2与晶界贫铜区组成腐蚀电池,导致晶间腐蚀的发生,其中以晶界处发生的晶间腐蚀最为主要。伴随晶间腐蚀的进行,腐蚀产物体积的膨胀产生应力作用,导致腐蚀产物及部分未腐蚀金属拱起,而腐蚀介质通过凸起物之间的缝隙,进入到金属的表层以下,导致腐蚀向纵深方向发展。

3 大气环境

3.1 变电所周围环境

调研的变电所中,仅沈阳的文成和张官处于内陆地区,其它变电所均为沿海地区。距离海岸大多为几公里至几十公里范围,湿度较大,距离污染源较近。变电所所处地区自然情况、污染源情况见表2。

3.2 灰样成分检验

为了更好地研究环境因素对导电杆腐蚀的影响,对各变电所的灰样进行分析,对其进行成分检验,通过成分分析了解当地的环境因素对腐蚀的影响。各变电所灰样情况如表3所示。

根据灰成分分析,含氯量偏高的地区有：葫芦岛、大连以及锦州、盘锦,达到1.49%～3.15%,其中含氯量较高的是锦州、大连地区,内陆的沈阳地区只有0.32%,沿海地区空气中含氯量是内陆的5～10倍。沈阳、锦州、葫芦岛、丹东、庄河、旅顺的SO3含量较高,达到6.17%～18.72%, SO3含量较低的地区只有3.56%～3.99%,SO3含量最高的沈阳地区为18.72%,SO3含量最低的营口望海变电所为3.56%,SO2及酸雨的影响遍及各地,主要与各地的工业化发展、汽车尾气排放有关。锦西的钙含量偏高,可能与附近的水泥厂、化工厂的污染影响有关。

沿海地区的大气腐蚀主要是Cl离子沉积和SO2污染,其中NaCl是近海洋大气环境中金属表面主要的固体沉积物之一,具有很强的吸湿性,并能溶于金属表面的薄液膜形成强腐蚀性的电介质,对金属腐蚀起着加速作用。SO2作为大气中主要气体污染物之一,溶于水后会导致金属表面薄液膜酸化,引起材料腐蚀。

3.3 盐密值的调查

收集了各变电所2004～2008年盐密值情况,反映了各地区总体污染情况,如表4所示。

表2 变电所自然情况

表3 灰成分分析%

表4 变电所盐密值情况

由盐密值与距海的距离及变电所附近的污染有关,可以看出同一地区距海近,盐密值偏高,如营口、大连地区;变电所附近污染越重,盐密值也会越大。距离海岸线越近,氯离子浓度越高,氯离子半径小,穿透力强,可以吸附在金属表面的薄弱点上,从而对铝合金有强烈的点蚀作用。

4 腐蚀原因分析

经过调研,腐蚀严重的隔离开关导电杆材质主要为2A12型铝合金,引起2A12型铝合金腐蚀因素有2方面：材质本身因素和环境因素;从铝合金化学成分检验中发现铜含量较高,它提高了材料的强度,但降低了材料的耐蚀性。主要是铜铝存在电位差,易形成微电池。铝合金的耐蚀性还取决于保护性氧化膜,这层氧化膜在pH值为4.0～8.5的水溶液中是稳定的,具有自修复功能,在碱性（pH＞8.5）条件下,铝合金比钝化膜腐蚀速率快,易发生点蚀;在酸性（pH＜4.0）条件下,钝化膜铝合金的腐蚀速率快,发生全面腐蚀。铝合金发生腐蚀因素如下。

4.1 铝合金的电化学特性及腐蚀特性

辽宁沿海地区的铝导电杆大多为2A12铝合金,在腐蚀的铝合金金相检验图（见图10、图11）可以看出腐蚀引发裂纹为沿晶裂纹,这种合金最常见的腐蚀就是晶间腐蚀,铝合金中铜含量较高,铜与铝形成第二相粒子CuAl2从固溶体中析出,易在晶界上析出富铜相,使晶界产生贫铜区, CuAl2与晶界贫铜区组成腐蚀电池,发生第二相内合金元素选择性腐蚀,产生晶间腐蚀。与此同时,合金内活泼的元素铝优先溶解,不活泼元素铜留在原位或在腐蚀区内重新沉积,如此反复加速了选择性腐蚀,由于各合金元素之间的电位差不同会形成微电池,形成电化学腐蚀,而优先溶解的阳极相溶解后会形成阳极溶解通道,使样品由表及里不断深入地受到侵蚀,从而发生剥离腐蚀。

4.2 湿度及湿润时间的影响

沿海地区湿度高,持续时间较长,对金属合金腐蚀有直接影响。诱发腐蚀过程的电解液与湿度及时间有关,湿度越大,湿润时间越长,腐蚀越严重。湿润时间（电解液在腐蚀表面上存在的时间）直接决定着电化学腐蚀过程的持续时间。干湿交替的频率对腐蚀也有影响,主要是干湿交替影响湿润时间,湿的时间越多,腐蚀越严重。铝的临界相对湿度为76%,超过临界湿度的时间越长,腐蚀越易发生和发展。

4.3 氯离子的影响

沿海地区灰样中含氯量高于内陆,且同一地区距海近,盐密值偏高。沿海地区有较高浓度的盐分悬浮于大气中、混合于尘土中,随降雨、雾、表面蒸发浓缩等过程和铝表面接触,使铝处于腐蚀状态,铝合金最初形成的γ-Al2O3的外层转变为一薄层γ-AlOOH。然后在γ-AlOOH上又会覆盖上一层Al（OH）3,最终形成的膜有许多孔隙。在海洋气候下,Cl-一方面易吸收水分,形成水膜;另一方面水膜中盐类的增加,如NaCl、MgCl2等盐类会因吸湿性而增加表面电解质的形成,此外,Cl-易促使钝化膜破坏,引起点蚀,首先在铝表面的活性位发生吸附,这种吸附在氧化膜不完整或缺陷处增强,接下来由于Cl-原子半径小,穿透力强,极易与铝合金上的羟基发生竞争吸附,氧化膜逐渐减薄,直至和裸露铝直接反应。

4.4 SO2气体原影响

来自工业废气、汽车尾气及燃料烟气等的污染物几乎使所有金属腐蚀加速,受SO2污染的大气环境是腐蚀性最强的大气环境。SO2在大气中被氧化形成酸雨或盐沉积于金属表面,或直接沉积溶解于金属表面薄液膜。SO2一方面使液膜的酸性增加,另一方面使SO2-4的含量增高,酸化的结果也会导致氧化膜的破坏,使裸露的铝溶解。这些都会导致富盐大气环境下铝合金出现较为严重腐蚀。