热带海岛电气设备金属腐蚀因素与规律特点研究

邱剑洪，马立红，梁亚峰，程西，吴清川，李涵

（1.海南电网有限责任公司，海口 570100； 2.武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072）

引言

海南省西沙区某典型热带海岛具有高温、高湿、高盐的环境特征[1-3]。前期调研表明，热带海岛的工业产品、电气设备服役环境严酷、户内外环境条件、变化规律差异性巨大，设备失效问题突出。

当前中小独立海岛的供电模式主要为离网模式，离岛供电核心主要为中小型微电网，一般依靠发电机和光伏发电等设备进行能源接纳和供电。金属材料大气腐蚀直接影响电气设备可靠运行和服役寿命[4,5]，受南海海洋气候影响，空气中含有大量的盐类物质，导致设备金属腐蚀问题严重，影响供电系统的安全性和稳定性。

服役于热带海岛户外的电气设备存在大量金属材料腐蚀问题，其空间分布、腐蚀状态不均，局部区域设备失效情况较为严重。为保障服役电气设备在热带海岛环境下的安全可靠运行，针对某典型热带海岛的不同地区设施服役环境和设备状态进行检测分析，针对不同设备工况条件和部署空间、材料、结构和状态特征，围绕独特的热带海岛环境特征进行综合性设备-环境耐候性研究。

本文针对热带海岛高温、高湿、高盐等复杂环境，对海岛设备的腐蚀现状进行调研分析，对设备服役环境腐蚀等级进行实际监测，根据腐蚀等级结果提出相关防护建议。基于海岛设备腐蚀现状和环境等级，开展热带海岛环境电气设备性能状态影响机制分析，重点分析多因素交互影响下的环境应力作用现象动态过程演化规律与理论机制，并提出针对热带海岛电气设备的金属腐蚀防护技术要求与建议。

1 电气设备的腐蚀现状

海南省西沙区某典型热带海岛四面环海、陆地面积小；终年高温、高湿、高盐，岛上气温1 月最冷、平均气温23 ℃，6 月最热、平均气温29 ℃，全年平均气温为26.5 ℃。岛上日照时间长、紫外线强度高，雨量充沛，雨季为每年5 至6 月份、年降水量1 509.8 mm，属典型热带海岛型气候。该气候类型的环境空间差异性与状态经时变化巨大，具有强非线性等显著特征。受温湿度、盐雾、太阳辐照、大气与海洋运动等环境因素交互影响，在连续变化的环境应力长期综合作用下，岛上服役的设施及电气设备极易发生密封失效、润湿渗透、腐蚀老化、漏电短路及机械损伤等现象，并进一步导致系统性能衰减与失效。

通过对海南省西沙区某典型热带海岛服役电气设备实地考察发现，电气设备和设施相关部件存在大量局部腐蚀问题，设备或面临系统性能衰减与失效等风险隐患，热带海岛电气设备的腐蚀现状见表1。

表1 热带海岛电气设备的腐蚀现状

1）柴油发电机组

柴油发电机组投运后腐蚀问题频发，需要经常性维修，使用寿命仅有7~8 年，现场有7 台机组有2 台运行保障供电。已发现散热器、发电机组绕组腐蚀严重，出现绝缘层烧焦现象。因散热通风需求，发电机房腐蚀环境较为恶劣，开始时因电化学作用产生腐蚀，后因缸套受负荷的冲击、振动，将已腐蚀的金属层剥掉，露出的新金属表面继续受腐蚀，这个过程持续下去，同时工况条件下柴油发电机组温湿度较高加剧腐蚀。

2）光伏发电设备

图1 发电机绕组腐蚀

图2 光伏板表面积灰严重

图3 支架螺栓腐蚀

图4 户外箱变空调机组腐蚀

光伏组件因屋顶限制采用了平放设计，无法达到最优采光效果，同时受岛上四高环境影响，光伏组件表面积尘明显，腐蚀主要集中在固定支架和螺栓，无专人管理和运维方案，光伏发电效率有受到影响。衰减和失效问题较为突出。对海南省西沙区某典型热带海岛上的早期光-储微网系统进行了失效调研，伏组件原有500 kW，因衰减、失效、拆除等仅剩约200 kW；储能设计1 000 kWh，因衰减、失效等导致仅能达到约400 kWh。

热带海岛气候环境中含有的大量盐粒子以及酸碱性物质会直接作用于光伏组件的表面。当前主流光伏组件玻璃盖板多为低铁钢化压花玻璃，虽然具有较好的耐蚀性，但长期处于高温、高湿及盐含量高的气候环境中极易受到污染、变色和腐蚀的影响，降低光伏组件对太阳辐照的利用率，进而导致光电转换效率下降。

3）变电站用户外设备

户外摄像头及支架腐蚀严重，结构件支架连接处等部位出现大面积腐蚀，并集中于易积液部位、缝隙部位、异种金属连接部位，故障较多。户外箱式变压器和环网柜均配有空调，空调室外机腐蚀严重，部分区域部件表面附着疑似盐类沉积物，表面涂层老化严重出现脱落现象。户外金属管道、阀门腐蚀状态严重，部分法兰连接部位螺栓缺少防护措施，可明显观察到全面腐蚀/电偶腐蚀现象。可以认为热带海岛环境环境盐雾、湿度和温度综合形成的冷凝润湿、防护措施不充分是造成各户外设备失效的重要原因。

2 环境等级监测与分析

根据ISA 71.04 标准，采用高纯度无氧铜制备高精度腐蚀表征片，可以有效表征电气设备服役环境主要腐蚀影响因素以及设备所处环境的腐蚀速率及等级，并根据测试结果提出有效的防护建议。

根据海岛设备实际使用状态，监测点包括有户外、常规户内和密闭户内场景。同时为了对比海南省西沙区典型热带海岛与海南省市区常规户外环境的区别，在海口市区某变电站户外也放置了样片，共放置了6 处地点，环境腐蚀等级监测点见表2。

表2 环境腐蚀等级监测点

根据ISA-71.04 标准，对监测片进行腐蚀分析，测试结果见表3。

表3 环境腐蚀等级监测结果

根据环境腐蚀等级监测结果可知，海南省某典型热带海岛整体服役环境水平均处于GX 等级下，户外环境腐蚀性极强，其腐蚀强度约为海南省海口市区某变电站户外环境的10 倍。发电机房、急救包室空气内外对流，其内部腐蚀性强，其腐蚀强度约为海南省海口市区某变电站户外环境的3 倍。

在采用空调控温，保持室内常温，可以显著降低内部环境的腐蚀性，但如不采取密闭或除盐措施，空气流动性较快导致其效果并不显著。如此次监测的发电机房，虽然有空调24 h 控温，但其环境腐蚀性较高，强于海口市区某变电站户外条件。

设备所处环境气体中含有较高浓度的盐雾时，随着盐雾腐蚀时间延长，金属材料极易发生腐蚀[6,7]，只有综合采取空调控温、空间密闭或者有效的除盐措施，才能有效控制室内环境腐蚀程度，比如配电室等。

铜片在有盐雾和无盐雾试验条件下的腐蚀量差异很大，在盐雾条件下，铜片的腐蚀程度明显比无盐雾的湿热试验条件下重，而在无盐雾条件下，随着时间的延长，腐蚀产物量增加的极少。

由图5 试验关系结果说明，环境中盐雾对设备设施的腐蚀影响程度最重，因此，应增加控制湿度及盐雾净化装置系统，去除环境中的盐雾以及控制环境湿度，通过改善运行环境的散热通风技术，达到对运行环境优化的目的。

图5 不同试验条件下铜片腐蚀量与试验时间的关系

3 环境影响因素与规律特点

金属在高温潮湿的大气环境下，且受海岛盐雾等影响，在吸附等作用下容易在金属材料表面形成薄液膜；大气腐蚀起始于材料表面生成电解质液膜在溶液/金属界面发生电化学反应，这层薄液膜具有较强的气体溶解性及扩散性，形成含有一定浓度氧及其他可溶性腐蚀气体的腐蚀性电解液薄膜，对金属造成腐蚀。空气中不同污染物介质能改变液膜化学性质，在温湿度共同作用下液膜厚度、电解质浓度、pH 及溶液内反应活性物质的扩散速度等会发生改变，直接影响物质传递过程与腐蚀反应速度。沿海城市中空气盐雾浓度高，沉积盐溶解/潮解形成电解质溶液，伴随昼夜干湿循环液膜中的Cl-会达到较高的浓度，加剧腐蚀。了解环境因素对金属材料大气腐蚀规律的影响，对发电装备、电网等设施金属部件材料的寿命预测、选材和维护具有重要意义。

对于热带海岛型气候需特别关注环境温度、湿度及盐雾浓度（盐沉积率）。在大气腐蚀中海洋盐雾粒子氯化物的影响是最常见的，暴露在海洋大气中的金属表面有细小盐粒子的沉降。海洋大气由于携带大量盐雾粒子而具有较高的侵蚀性，能够对金属造成严重的影响作用，腐蚀性强弱依赖风向，风速和海岸线距离，海洋的风浪条件、离海面的高度等，这类大气通过海风吹到金属表面并沉积下来的氯化物颗粒进行表征。风浪较大的时候，海洋盐雾发生量、迁移量、沉积量都会增大，金属受腐蚀程度增加。海盐粒子吸收空气中的水分后很容易在金属表面形成液膜，同时与其他腐蚀性介质相互影响引起腐蚀。当在海洋大气中的盐雾颗粒沉积在金属表面，海盐粒子会受温湿度控制发生潮解产生电解质液膜，从而为电化学反应提供基础的发生条件。盐的沉积会使金属表面液膜层的电解质增多，增大液膜的电导率，且因为氯离子有很强的穿透性和极化特性，大大加重金属腐蚀。沉积盐浓度、温度及湿度等环境因素的变化会改变电解质液膜浓度、厚度及氧在溶液中的溶解度、扩散速度，进而改变（物质传递过程）腐蚀反应速率。据热力学定律，盐类水解产生的电解液浓度随相对湿度升高而降低，成线性关系；盐在水中的溶解度随温度的上升而上升，同时饱和溶液的密度及临界潮解湿度降低。

热带海岛典型大气环境中，同时受空气的相对湿度、光照、降雨、凝露等天气因素的影响，相对湿度升高使海洋大气腐蚀加剧，在季节或昼夜变化气温达到露点时尤为明显。金属表面发生电化学腐蚀的水膜层由于存在时间短，金属表面的大气腐蚀通常伴随着干湿交替。在众多环境因素中，相对湿度，温度与沉积盐量的共同作用会改变潮解液膜的状态（浓度/厚度等）进而影响腐蚀反应，随着环境体系的不断变化，剧烈的温/湿度变化会造成液膜短时间内迅速干燥或潮解；使得液膜的加速干燥过程中物质转移速度加速，导致腐蚀速率上升。

4 金属腐蚀防护技术与建议

热带海岛复杂环境条件会加重金属材料的腐蚀，对于影响设备安全运行的材料劣化现象，一半针对材料的服役环境进行优化控制，降低热带海岛环境下金属材料腐蚀速率，并对材料本身进行新防腐工艺和成分的调整，提高材料的环境适应能力。根据当前热带海岛典型环境特征、设备工况条件及腐蚀现状，针对设备给出以下防腐工艺建议：

1）电气设备外部螺栓、支架等金属结构件可采用石墨烯环氧富锌底漆80 μm+环氧中间漆160 μm +氟碳面漆80 μm，该涂层体系适用于C5 及以上海洋环境。施工过程中要确保空气相对湿度不大于85 %，要做到均匀涂刷，杜绝产生流挂、漏刷现象，根据ISO 12944-7 的要求，由制造方具备专业资格的人员进行监督和检查打砂清理和涂漆工作，现场可进行涂层干膜厚度检测、视觉检查、附着力试验、光泽度测试和涂漏点测试等。

2）加强电气设备密封处理，使用耐候性密封部件，密封材料老化失效，极力避免由于密封失效导致的盐雾入侵、凝露润湿等现象。

3）不同结构间件接部位应极力做到避免不同金属的直接接触，防止异种金属接触造成的电偶腐蚀，施工过程应注意连接点涂层的完整性，避免机械损伤。焊接接头及母材易产生内部应力、裂纹和气孔等缺陷，后期服役过程容易出现渗漏等故障，可针对性增加防腐涂层厚度或采用复合材料、高分子材料进行补强。

4）对电气设备的防护材质、机械结构等重要材料和部件，需根据实际使用情况可更换耐候性更好的不锈钢材质及涂层，同时提高抗磨损能力。

5 结语

海南省西沙区某典型热带海岛环境条件严酷，对电气设备金属材料和部件的腐蚀性极强，设备不同部件结构特征、材料属性及局部环境状态的空间差异性大。应针对性提出热带海岛环境电气设备不同环境等级、运行工况和部署空间部件的热带环境技术规范和耐久性评价标准，提升电气设备密封性、防腐能力等耐候性能力，加强控温、除湿、除盐等环境控制策略方案，推进工业产品设备科学安全运维、实现健康高效服役。