两起GIS设备铝制部件腐蚀原因分析及其防范措施

2018-06-11胡华杰顾朝旭

浙江电力 2018年5期

林钧，王磊，胡华杰，顾朝旭

（国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江宁波 315012）

0 引言

2016年12月，国网宁波供电公司检修人员在对某2个变电站进行检修时发现1个110 kV间隔线路接地开关的2个铝制拐臂和多个110 kV间隔接地开关接地引出端压接法兰层状剥落腐蚀严重。经过分析，由于该拐臂采用的是2A12硬质铝合金，拐臂的材质成分不合格，加之材质抗腐蚀能力较弱，在海洋—工业废气环境及干湿交替的条件下整体腐蚀，从而出现层状剥落的现象。就这2起GIS设备铝制部件腐蚀进行原因分析，并提出防范措施，以期能为防范和处理这类故障提供参考。

1 缺陷情况

1.1 缺陷设备信息

变电站A 110 kV GIS（胜鑫1795间隔）与变电站B 110 kV GIS设备均为上海西电高压开关有限公司生产，型号为ZF23-126，且均为2014年投产，户外布置。

1.2 缺陷具体情况

（1）变电站A胜鑫1795线路接地开关铝制传动拐臂（即机构与GIS内部隔离开关触头之间的传动部件）腐蚀严重、层状剥落，如图1、图2所示（已圈出）。

图1 胜鑫1795线路接地开关拐臂腐蚀严重、层状剥落

（2）变电站B 110 kV GIS多间隔接地开关的接地引出端绝缘子压接法兰（铝环）表面腐蚀严重，若继续腐蚀会引起GIS筒体漏气，如图3所示。

图2 胜鑫1795线路接地开关拐臂腐蚀严重、层状剥落

图3 变电站B 110 kV GIS接地开关接地引出端绝缘子压接法兰腐蚀严重

2 缺陷原因分析

2.1 宏观检查

首先对发生层状剥落的接地开关拐臂进行了宏观检查，其大致尺寸为105 mm×20 mm×30 mm，典型宏观形貌如图4所示，可以看出，接地开关拐臂的所有外表面均密布着深褐色斑点。斑点形状不一，大小不等，最大面积可达5 mm2。除了表面的深褐色斑点，拐臂多处位置（图4中方框所示）还存在不同程度的粉末化及层状剥落现象。部分金属材料已缺失，使得部分位置的宽度或厚度有所减少，其中最为严重的连杆处，其宽度比发生剥落前减少约5 mm。

2.2 防腐蚀对比试验

针对此问题，上海西电高压开关有限公司将2A12铝合金更换为防腐性能优良的5083铝合金材料，并按照GB/T 22639-2008《铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法》做了防腐蚀的对比试验，见图 5—8。

图4 接地开关拐臂的宏观形貌

图5 试验开始（两边是5083铝合金，中间是2A12铝合金）

图6 试验中（两边是5083铝合金，中间是2A12铝合金）

图7 试验结束（5083铝合金拐臂）

试验结果表明：5083材料抗腐蚀能力远高于2A12材料，适合在户外环境下长期使用；同时对5083材料的零件进行破坏性拉力试验，结果表明其强度完全可以满足使用要求。

图8 试验结束（2A12铝合金拐臂）

2.3 金相组织分析

在接地开关拐臂上取样镶嵌，打磨抛光后于金相显微镜下进行金相组织分析，如图9所示。接地开关拐臂的晶粒为长条形，伴随着一定数量的变形孔洞，为典型的变形铝合金的金相组织。金相组织整体上未见明显异常，符合2A12硬质铝合金的标准。

图9 接地开关拐臂的金相组织

2.4 化学成分分析

采用直读光谱仪对接地开关拐臂的材质进行了复核，其结果列于表1中。将表1数据与GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》中2A12铝合金的标准化学成分对比后可知，拐臂中Si元素和Fe元素的含量远远低于0.5%的要求，同时Cu元素的含量也略低于国标中3.8%～4.5%的范围。因此，可以判定该接地开关拐臂的2A12铝合金成分不符合国家标准，材质不合格。

2.5 SEM和EDS分析

将接地开关拐臂样品置于SEM（扫描电子显微镜）中观察表面微观形貌，不同区域的典型形貌如图10—12所示。从图中可以看出，接地开关拐臂层状剥落区域的表面由数量众多的块状或圆片状产物堆叠而成（见图10），在其断面方向上，剥落区域的层状结构十分明显（见图11）。而在宏观上未发生层状剥落，肉眼观察为深褐色斑点区域的表面，可以明显观察到已经形成了大量形状不规则的点状或胞状物质（见图12）。与此同时，通过EDS（能谱仪）技术对上述区域进行成分分析，分析位置及分析结果如图13—14及表2—3所示。结果显示，深褐色斑点区域含有高达76.24%的O元素，15.38%的Al元素和2.61%的S元素。层状剥落区域也含有76.68%的O元素和21.91%的Al元素。这表明2个区域的主要物质均应为Al的氧化物。

表1 接地开关拐臂的化学成分

图10 接地开关拐臂层状剥落区的表面形貌

图11 接地开关拐臂层状剥落区域的断面形貌

2.6 综合分析

图12 接地开关拐臂表面深褐色斑点的表面形貌

图13 接地开关拐臂深褐色斑点的分析位置

图14 接地开关拐臂层状剥落区域的分析位置

表2 接地开关拐臂深褐色斑点的化学成分

表3 接地开关拐臂层状剥落区域的化学成分

结合接地开关拐臂的宏观形貌、SEM微观形貌以及EDS分析结果可以得出，层状剥落物质以及肉眼下呈深褐色区域表面形成的大量点状物质均应为腐蚀产物。腐蚀最初在拐臂表面的个别区域开始萌芽，该阶段以点蚀为主。图12即为典型的点蚀阶段微观形貌，表面腐蚀产物使得这些区域失去了金属光泽，从而在肉眼观察下呈现深褐色。接着，腐蚀以点蚀形成的腐蚀坑为中心向周围扩展，当腐蚀产物在大部分表面连续分布时，材料从点蚀进入全面腐蚀阶段。随后，腐蚀进一步向深层次发展，由于腐蚀形成产物（主要为Al2O3，AlCl3及 Al（OH）3）的体积和变形能力等物理性质与原基体金属不同，因而外层腐蚀产物发生龟裂、粉末化、剥离甚至脱落。

变电站A和B位于沿海区域，海水会使沿海地区空气中的Cl离子含量显著增高。已有大量研究证明，Cl离子能够破坏铝合金表面的Al2O3钝化层，在铝合金表面造成点状腐蚀，并最终形成全面腐蚀。与此同时，EDS分析结果显示，点蚀形成的腐蚀产物中S元素含量较高，这说明变电站A和B所处的环境中，除Cl离子以外，由工业废气中SO2形成的酸雨也比较严重。该拐臂位于室外，常年遭受风吹雨淋，干湿交替，工作环境十分恶劣，酸雨与Cl离子相互协同作用，大大加快了拐臂被整体腐蚀的速度。

综合所有实验结果，可以判断该接地开关拐臂是由于材质不合格，加之在海洋-工业废气环境干湿交替的条件下，受Cl离子及硫酸联合作用造成全面腐蚀，最终导致金属表面层状剥落。