GIS 铝合金法兰腐蚀原因分析及防范措施

张荣辉

（深能安所固电力（加纳）有限公司，广东深圳 518031）

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）具有占地面积小、运行可靠性高、维护工作量小和不受外界环境条件影响等优点，特别适用于沿海、高原、污秽等地区。加纳某燃机电厂所采用的户外ZF9A-252 型气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）自2009 年投入运行以来性能总体稳定，工作状态良好。但自2013 年以来，该设备铝合金接地外壳连接法兰陆续出现法兰面鼓包、开裂和剥落等腐蚀现象。该腐蚀现象的出现可能带来GIS 气室漏气，绝缘强度减低的隐患，对GIS 设备的安全运行带来严重威胁。因此分析该现象发生的原因和找出具体应对措施对维护GIS 设备的安全性和可靠性具有重要意义。

本文通过对比不同部位的铝合金连接法兰腐蚀程度，结合相关理论分析，根据现场实际情况提出相应的防范措施和注意事项，以期减轻GIS 接地外壳连接法兰的腐蚀程度，同时提高GIS 设备的运行可靠性，减少设备维护工作量。

1 GIS 铝合金接地外壳连接法兰腐蚀现象

加纳某燃机电厂南临几内亚湾，距离海边不足百米，各生产设备受热带海洋环境影响，设备腐蚀现象尤其严重。为提高设备可靠性和降低设备维护工作量，该厂选用国内某厂ZF9A-252 型户外型体绝缘金属封闭开关设备（GIS）。该产品自投入运行以来性能总体较为稳定，工作状态良好。但自2013 年以来，该设备铝合金连接法兰陆续出现鼓包、开裂和剥落等腐蚀现象。

经过2018 年10 月GIS 设备小修，现场共更换22块腐蚀严重的接地外壳连接法兰。经现场观察和统计，GIS 铝合金外壳发生腐蚀的部位均为接地外壳连接法兰。各六氟化硫（SF6）气室本体、隔离开关连接法兰等部位均未发生明显腐蚀现象。经过进一步总结，处于不同安装位置的接地外壳连接法兰腐蚀程度不一。部分接地外壳连接法兰仅有鼓包或轻微腐蚀现象。腐蚀最为严重的部件为母线电压互感器（PT）接地外壳连接法兰和安装位置处于迎风面的接地外壳连接法兰。

母线电压互感器（PT）接地外壳连接法兰腐蚀处外观图片如图1 所示，经拆解后发现2 条母线、16 只PT接地外壳连接法兰均发生较为严重的腐蚀现象。腐蚀部位呈不规则环状分布；法兰内侧圆周均发生较为严重腐蚀，腐蚀深度最深处约在4～5 mm 处，腐蚀特征均为坑蚀，腐蚀面积约占整个法兰面的1/2，且个别法兰的O 型圈安装位置外侧均已出现腐蚀现象，极易发生SF6气体泄漏事故。

图1 母线电压互感器接地外壳连接法兰外观图

安装于迎风面处接地外壳连接法兰如图2 所示，该法兰因铝合金腐蚀导致外部漆皮鼓包、剥落。铝合金腐蚀物外部呈灰白色粉末状，内部呈灰白色层状。腐蚀程度随迎风面位置而发生变化。总体而言，无遮挡物处接地外壳连接法兰腐蚀严重程度重于有遮挡处，背风面处接地外壳连接法兰（图3）腐蚀程度轻于迎风面处。

图2 迎风面处接地外壳连接法兰外观图

图3 背风面处接地外壳连接法兰外观图

与接地外壳连接法兰相接触的GIS 本体侧法兰及隔离开关连接法兰，除表面涂层漆老化外，均未发生腐蚀现象。总体而言，接地外壳连接法兰的分布位置均沿法兰内侧分布。相较于法兰外侧腐蚀程度，法兰内侧腐蚀程度更为严重。在沿圆周方向上，法兰的分布位置无明显特征。

2 铝合金腐蚀因素和机理分析

与其他金属材料相比，由于铝合金材料在自然条件下表面会形成一层保护性氧化膜，故在大气中有较好的耐腐蚀性。目前GIS 生产厂家壳体材料一般均采用镁系合金或铝硅镁系铸铝合金，而这类合金耐点蚀性能比其他系铝合金好[1]。通过查阅相关文献，现场GIS 设备出现的大规模铝合金腐蚀现象与交流电化学腐蚀和大气腐蚀有关。

2.1 交流感应电化学腐蚀及机理分析

金属处于电解质体系中在交流作用下可以诱导产生交流电化学腐蚀，交流腐蚀是在大小和方向变化的电场作用下进行的电化学过程，这个外施电场比起自然极化过程的内电场，在强度上要大得多。在电介质中的金属结构，电流流入的部位，是阴极，不受腐蚀；在电流流出的部位是阳极，要遭受腐蚀。

交流腐蚀的必要条件：①必须有不同电极电位的两电极；②两电极必须有导线连接；③两电极必须存在同一电解质体系中；④电极上带有交流电位。

在电解质中的铝合金表面缺陷部位，当交流电处于正半周波时，缺陷处为阳极，处于缺电子状态；由于在电解质容易形成浓差极化，去极化作用使得金属铝原子失去电子形成阳离子进入溶液，溶液中的阴离子如氢氧根离子、氯离子等会向缺陷表面处富集，而铝离子会与氢氧根离子结合形成胶体状的氢氧化铝。

当交流电处于负半周波时，缺陷处为阴极，处于富电子极，溶液中的阳离子向金属表面移动，溶液中带正电荷的氢离子在电场作用下迁移至金属表面得到电子并生成氢气。

电极反应如下

半波为正（阳）极时，Al-3e=Al3+；

半波为负（阴）极时，2H2O+2e=H2↑+2OH-。

一个交流周波在电极上2 种反应交替进行，逐渐造成铝基上铝原子的损失，宏观上表象为铝基体的腐蚀。随着交流电化学腐蚀进程，溶液中铝离子和氢氧根离子浓度逐渐增加，氢氧根离子浓度会使铝基腐蚀电位下降及腐蚀区域附近氧化铝钝化膜的破坏，增大腐蚀区，同时在腐蚀表面会形成灰白色氢氧化铝水合物的沉积物[1]。

2.2 大气腐蚀及机理分析

铝及铝合金的大气腐蚀是一种特殊形式的电化学腐蚀，主要是材料与大气中的H2O、O2及腐蚀性介质联合作用而发生的电化学破坏。材料表面H2O、O2的分布与含量受气候因素影响，包括大气的相对湿度、温度、日照时间及降雨等。其中大气相对湿度是影响铝合金腐蚀的一个非常重要的因素，铝的腐蚀临界相对湿度约在70%～80%，当环境的相对湿度达到此值时，铝合金的腐蚀速率会迅速增加。腐蚀性介质主要来源于大气污染物，包括固体和气体2 部分，固体污染物有灰尘、NaCl、ZnO 等，气体污染物有S、C、N等元素的气体。其中，氯离子（Cl-）沉积和二氧化硫（SO2）污染对铝及铝合金材料的腐蚀影响最大[2]。氯离子具有强烈的穿透性，能够吸附在铝材表面氧化膜的不完整或缺陷处，与氧化膜（主要成分为Al（OH）3）发生化学反应，导致氧化膜减薄，最终使金属基体发生腐蚀溶解，反应机制如下

3 GIS 铝合金接地外壳连接法兰腐蚀原因分析

由文献[3]可知，在GIS 外壳处，GIS 外壳受感应交流电流影响，接地外壳连接法兰产生一定的环流，并产生交流感应电压。从现场发现，该产品各六氟化硫（SF6）气室本体、隔离开关连接法兰均通过接地铜排实现多点接地，接地条件良好，均未发现有铝合金腐蚀现象。但接地外壳连接法兰除与接地外壳连接外，没有通过专设的接地铜排进行良好接地。在接地外壳连接法兰结合面密封胶的作用下，接地外壳连接法兰接地效果不佳，因此接地外壳连接法兰沿径向有一定的感应电压分布，呈现法兰内侧感应电压高、外侧感应电压低的特征，而现场法兰的腐蚀分布也呈现出内侧腐蚀比外侧腐蚀严重的特征，且最先发生腐蚀的部位处于法兰内侧，如图3 所示。因此该现象也印证了交流感应电化学腐蚀对铝合金造成的影响。

在现场GIS 设备的布置中，其他接地外壳连接法兰安装方式均为垂直安装，但母线电压互感器（PT）铝合金接地外壳连接法兰安装方式为水平安装。在自然雨水的作用下，法兰与接地外壳之间的缝隙留存了一定的水分且无法快速排出，在某种原因下，铝合金表面涂层损坏后，水分吸收空气中的盐雾，形成良好的导电溶液，连接法兰铝合金腐蚀现象开始发生。在交流感应电化学腐蚀的作用下，铝合金法兰内侧加速腐蚀。内侧受腐蚀部位的金属基体变得低凹，同时疏松的氧化铝腐蚀物又较好地保存了雨水，创造了较好的外部腐蚀条件，进一步加速了腐蚀的发生。所以母线电压互感器（PT）铝合金接地外壳连接法兰腐蚀最为严重，且腐蚀部位沿法兰内侧呈环状分布，腐蚀深度较深，如图2 所示。

加纳该燃机电厂南临几内亚湾，所处位置靠近赤道，终年高温，年平均气温达26 ℃，常年有较为稳定的西南风。每年12 月至2 月有较为严重的哈马丹天气（一种严重的沙尘暴气候）。经测量，电厂每日16 点至次日10 点之间相对湿度均超过70%。在稳定的西南风作用下，迎风面处接地外壳连接法兰边缘表面涂层率先受到磨损并暴露于潮湿的空气中，在含有盐雾的空气中形成较好的微小导电溶液，经交流感应电化学腐蚀的作用下，腐蚀现象持续发生并逐渐加重。由于该处法兰为垂直布置，雨水在重力的作用下自然排走，没有形成较长时间、大面积的导电溶液。因此相比母线电压互感器（PT）接地外壳连接法兰腐蚀程度，该处接地外壳连接法兰腐蚀程度较轻，但明显严重于背风面处接地外壳连接法兰。

4 防范措施与注意事项

4.1 对接地外壳连接法兰进行良好接地

由以上分析可知，接地外壳连接法兰普遍发生腐蚀现象的原因在于该法兰没有良好接地。因此对接地外壳连接法兰进行良好接地，降低接地外壳连接法兰感应电压是阻止铝合金发生腐蚀的重要措施。在检修过程中，每块法兰均增加了4 块紫铜接地连接板（宽×厚=60 mm×2 mm）。为保证紫铜板与已接地的GIS 壳体和连接法兰良好接触，在安装时，利用砂纸磨去紫铜板表面氧化层，同时通过小刀将原铝合金部件涂层刮去，直至露出铝合金本色并涂抹导电膏。

4.2 接地外壳连接法兰再次进行漆化处理

表面涂漆是金属材料最经济有效的防腐手段之一。尽管新购法兰已喷有良好涂层，但考虑迎风面风沙对涂层的磨损作用，现场再次对铝合金法兰进行漆化处理。现场为法兰表面涂刷双组分环氧底漆后，再喷涂特氟龙850 防腐涂料。底漆主要起防腐蚀作用；面漆主要起耐紫外线、耐介质腐蚀、增厚防腐涂层等作用。在涂刷时应注意，在原厂家涂层遭到破坏的位置处应加强涂刷，以避免金属基体裸露。在涂刷底漆前，待涂刷部位应保证表面干净，无脏污。为避免接地连接板自身发生腐蚀，连接板也应做好防腐措施。

根据现场经验，对于已经发生轻微腐蚀的连接法兰，通过涂刷防腐涂料的方式也可以有效减缓铝合金的腐蚀进程。但在涂刷防腐涂料前应确保原腐蚀物已清除干净，否则发生腐蚀处依旧会发生涂层开裂，铝合金基体鼓包、剥落的腐蚀现象。对于腐蚀严重的连接法兰，应尽快进行更换处理，以免发生SF6气压降低，绝缘强度下降的后果。

此外，根据以上分析，现场还采取相关措施延缓铝合金腐蚀的发生：①为避免雨水积聚于法兰内侧缝隙，在接地外壳连接法兰和接地外壳之间涂抹防水胶。②为了减少风力对迎风面接地连接法兰涂层的侵蚀作用，在受迎风面较大的间隔处增加挡墙以减少风力影响。

5 结束语

现场铝合金接地外壳连接法兰发生腐蚀的部位和严重程度较好地印证了铝合金腐蚀的2 个主要因素。因此，采取措施降低连接法兰内侧的交流感应电压和减少铝合金与外界空气的接触对减缓铝合金法兰的腐蚀具有重要作用。在采取防腐措施方面，应从腐蚀原理出发，破坏腐蚀反应发生的条件。在腐蚀发生后，腐蚀位置应及时处理，否则腐蚀范围和严重程度具有加速现象。介于海洋性环境的严重腐蚀性，为根除GIS 的腐蚀现象，提高相关设备的使用寿命，减少维护工作量，建议热带沿海地区GIS 采用户内安装方式。