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| 沿海变电站设备腐蚀状况及其腐蚀机理与防护 |
| 发布时间：2023/8/9 来源：中能兴恒建设有限公司 阅读：1755次 |
变电站是联结发电厂和电力用户之间的关键节点，在变换电压和分配电能方面发挥着不可或缺的重要作用。沿海地区属于典型的高温、高湿和高盐雾大气环境，而且工业企业分布密集，环境污染严重，导致沿海变电站存在不同程度的大气腐蚀问题，影响电网的安全运行[1-4]。因此，充分认识沿海变电站主要设备的腐蚀状况、腐蚀机理、现有防腐措施及其有效性，对于进一步有针对性地采取有效的防腐措施，提高变电站设备的使用寿命和安全性十分重要。
1 沿海变电站主要设备腐蚀状况
金属构件被大量应用于变电站，主要涉及钢 (主要为碳钢、镀锌钢和不锈钢)、Al和铝合金以及铜等材质。我国东南沿海区域的平均气温常年在20 ℃以上，湿度高于70%，且工业发达。在海水蒸发与工业活动的双重影响下，空气中的盐分较高，大气腐蚀性较内陆地区明显增强，给变电站金属设备带来了严重的腐蚀问题。经调研多个沿海变电站后发现，几乎所有裸金属、导体材料、触头材料及防护材料都存在严重的腐蚀与失效问题，涉及到变电站的多个部位及部件，特别是集中在户外气体绝缘组合电器、绝缘子、金属构架以及电气设备的外壳、户外端子箱等[5,6]，严重威胁到变电站的安全运行。以下对沿海变电站主要设备的腐蚀状况进行介绍。
1.1 户外GIS腐蚀
沿海地区变电站户外GIS (Gas-insulated sunstation)锈蚀严重，已严重威胁到GIS、断路器等充气压力容器设备的安全运行。通过对福建省户外GIS的腐蚀情况调研发现，涉及户外GIS腐蚀的有122座，主要表现为壳体腐蚀68座，法兰面腐蚀31座，传动连杆锈蚀23座。例如，仅在泉州和漳州地区由于腐蚀问题造成的SF6泄露已超过50起，最严重的某220 kV GIS每20 h就要补气1次，才能勉强维持运行。甚至发生220 kV主变因SF6连接管漏气造成差动保护动作跳闸等问题。
1.1.1 壳体腐蚀
户外GIS的壳体材质多为不锈钢、铸铝等金属材料。在沿海腐蚀性大气环境中，其腐蚀问题非常严重。特别是铝质设备，受大气中高浓度Cl-的影响，造成点蚀，甚至是穿孔、剥层等，大幅度增大了铝材的腐蚀速率，使用寿命急剧下降。图1为GIS铝质盖帽、SF6断路器铸铝三角箱、SF6电流互感器铝质压力释放膜管和密度继电器接头座的腐蚀情况。此外，不锈钢母线管也发生锈蚀，造成刀闸、开关、电流互感器等多个气室发生漏气现象。
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图1 沿海工业环境GIS等设备腐蚀形貌
1.1.2 法兰面腐蚀
变电站的电流互感器 (CT) 承担着电流变换和电气隔离作用，用于测量和继电保护，并将二次系统与大电流和高电压隔离开，从而保护人身和设备的安全[6]。因此，电流互感器能否正常运行对变电站输变电功能的安全稳定运行具有至关重要的作用。调研多座沿海地区的变电站发现，电流互感器压力释放膜的铝合金法兰是最容易发生腐蚀的部位。如某220 kV变电站间隔的一组电流互感器B、C相一次导电杆P1侧法兰出现了明显的开裂。2014年9月，某沿海220 kV变电站的GIS铝合金壳体法兰发生严重腐蚀。试验人员通过X射线光谱仪、漆膜测厚仪及垢样能谱分析等手段，与相应的环境监测数据相结合，从多角度分析了GIS铝合金壳体法兰构件严重腐蚀的原因，最终认为沿海大气环境是造成其锈蚀的主要原因。
1.1.3 接线板及动静触头腐蚀
变电站设备接线板主要使用导电铝或者铝镀银材料，而隔离开关动静触头则主要使用铜基或其他基体的镀银材料。这些材料基本上能满足内陆地区低腐蚀环境下的服役要求，但在高温、高湿、高盐分的沿海工业腐蚀大气环境下，很容易出现铝材穿孔、剥层等腐蚀问题，增大铝材的腐蚀速率，导致使用寿命急剧下降。2011年11月13日，专业人员对某500 kV变电站线路间隔进行小修预试，在对刀闸进行检查时发现刀闸A、C相导流板腐蚀严重，其中C相腐蚀尤为严重。现场检查发现，C相导流板上下面及侧面均有严重腐蚀，腐蚀层厚度最大达3 mm左右，手捏后成粉末状。2012年9月4日，在对某220 kV变电站的母线PT单元例行检修过程中，发现某剪刀式刀闸两侧的铝接线板被严重腐蚀，出现分层脱落现象。对于镀银触头，高浓度的Cl-以及工业大气环境中较高浓度的SO2会造成镀银触头的硫化，加快其腐蚀失效。
1.2 绝缘子腐蚀
在盐雾和高温环境下长期运行的绝缘子，其表面形成的积垢层在电场的作用下会发生电离，形成导电膜层，继而引发放电，造成绝缘子表面温度分布不均和持续温升，最终引起绝缘子爆裂、导线单相接地等故障，严重影响到电网的安全运行[2]。绝缘子在遭受腐蚀后即使尚未达到爆裂的程度，但其绝缘能力也会显著下降，影响绝缘和安全性能。例如，某220 kV变电站距离海边500 m，所处污秽等级为e级，附近有大型化工厂，长期受海风、海水、化学物质等影响，运行1 a多以后出现了锈蚀严重、漏气频繁等缺陷，严重影响设备的可靠运行。其中，绝缘子法兰面进水引起表面及密封件腐蚀，导致气体泄漏 (共发现6处)，见图2。
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图2 绝缘子法兰面表面及密封件腐蚀
1.3 其他金属构架及电气设备外壳、户外端子箱腐蚀
对沿海变电站设备近年来的腐蚀状况调研表明，钢结构件、铝质连接件与支架等腐蚀现象均十分严重。例如，某变电站投运仅13个月就出现严重腐蚀问题，包括普通碳钢部件表面普遍出现的锈蚀 (图3a)，因锈蚀严重发生断裂的弹簧 (图3b)，不锈钢和铝合金部件表面的锈斑 (如图3c、d) 等。GIS出线套管接头也常发生腐蚀，瓷套外面的PRTV表面覆盖了一层厚厚的盐层沉积物，外绝缘受到破坏，造成放电。SF6密度继电器外壳受腐蚀影响风化起皮，造成螺丝无法拆除。某接地刀闸机构箱二次航空插头位于上部，机构箱内部进水，导致弹簧等金属件发生严重锈蚀。
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图3 某变电站构件腐蚀
2 沿海变电站金属设备腐蚀机理
除了施工工艺不规范导致的金属设备腐蚀失效之外，几乎所有金属构件的腐蚀都和其与自然环境的相互作用有关，是金属基体表面与所处环境中的介质发生化学或电化学作用的结果。对于不同材质的金属构件来说，其腐蚀现象呈现出特有的规律[7,8]。因此，深刻理解沿海地区变电站中主要种类金属构件的腐蚀机理，对于加强相关设备的防护，提高电网的安全稳定运行是十分必要的。
2.1 钢构件的腐蚀机理
钢结构在电力设施里使用非常普遍，如变电站的变压器、输配电线路的杆塔以及各种钢构等。在我国东南沿海的大气和工业腐蚀环境中，钢结构长时间遭受昼夜温差、季节温差变化、盐雾沉积以及风吹日晒等，锈蚀问题通常非常严重。这主要是由于沿海大气环境很容易满足钢结构发生电化学锈蚀的4个条件，即阴极、阳极、金属接触以及氧气和电解质[9,10]。在阳极，Fe释放电子形成Fe2+和OH-；在阴极，水中溶解的氧气吸收阳极产生的OH-，使电子从阳极向阴极不断流动，形成腐蚀电流。也就是说，钢的表面会发生2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2反应，生成Fe(OH)2薄膜，而其进一步与水和氧气发生4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3反应，造成钢的锈蚀。一般情况下，不锈钢构件的腐蚀较轻微，普通碳钢构件的腐蚀则较为严重。这是因为碳钢中含有由铁素体和渗碳体组成的珠光体，其中铁素体的电极电位比渗碳体低，因此当钢件表面吸附了含有电解质的水时，铁素体成为阳极，渗碳体成为阴极，二者接触后就会形成许多腐蚀微电池[11]。沿海工业区大气中由于含有高浓度的盐分、H2S和SO2等污染物，不仅会加速钢结构的电化学腐蚀过程，还因为这些污染物在经过一系列的电化学反应后又重新生成，使底层的金属得以继续腐蚀，因此对钢构件的腐蚀危害更大[12]。
2.2 Al及铝合金构件的腐蚀机理
暴露于大气中的Al和铝合金，其表面会生成一层纳米级的致密γ-Al2O3钝化膜，在有水或大量水蒸气存在的情况下，该γ-Al2O3膜层会进一步转化为γ-AlOOH，最后转化为Al(OH)3，从而对Al及铝合金基体起到保护作用[13]。然而，沿海大气环境中的Cl-会吸附在铝合金表面的氧化膜缺陷或材质不均匀等活性位置，进而与氧化膜发生化学反应，取代Al(OH)3中的OH-，逐步形成Al(OH)2Cl和Al(OH)Cl2，并最终生成可溶性的AlCl3，使部分氧化膜减薄、破裂，最终导致Al的腐蚀[14]。同时，处于沿海工业环境中的Al及铝合金构件还将受到大气中SO2的影响，其在Al及铝合金构件表面吸附后会发生溶解和水化，生成HSO3-，并逐步被氧化成SO42-，与铝合金或者Al(OH)3溶解生成的Al3+形成Al的硫酸盐化合物，从而促进铝合金的进一步腐蚀[15]。
2.3 铜构件的腐蚀机理
Cu+和Cu2+离子化的标准电极电位分别为0.522和0.345 V (SHE)，因此在一般的干燥大气环境中不容易被腐蚀[16]。但当受到轻微氧化后铜材表面会生成Cu2O和CuO层。其中，Cu2O膜层靠近基体，比较致密，对铜基体可以起到一定防腐蚀作用。但当大气达到一定湿度且存在SO2和H2S的情况下，该层氧化膜会被SO2、H2S与水生成的酸性物质所溶解，生成溶解度更小的碱式硫酸铜等物质[16]。因此，长期暴露在沿海地区潮湿大气环境下的Cu，其表面会同时形成Cu2O内层和多孔的碱式硫酸铜 (主要是Cu4(OH)6SO4) 和碱式氯化铜外层。Cu的标准电极电位大于0，因此其腐蚀时主要发生O的去极化作用，而不是H的去极化作用。也就是说，Cu先被氧化成CuO，然后再与H2S反应，生成CuS。这些腐蚀产物疏松多孔，不仅无法在Cu表面形成保护膜还会吸附水分，加剧铜材的腐蚀[17]。当环境中HS-的浓度较高时，Cu的表面会发生硫化作用，生成Cu2S膜层。当其厚度较薄时，Cu2+在其中的扩散受到限制，膜的生长较慢。但当Cu2S膜达到临界厚度时 (约1 μm)，腐蚀层的内部应力增大、缺陷增多，使H2S和O2很容易到达膜的基层，腐蚀加速[18]。
3 沿海变电站设备常用防腐措施及有效性分析
金属发生腐蚀既存在内在因素，也存在外在因素，因此，其腐蚀防护也要从如何克服内在和外在两种腐蚀因素出发[16]。其中，改变材料设计或材质 (如采用耐腐蚀铝合金材料) 是克服内在腐蚀因素，提高沿海变电站设备防腐性能的主要手段之一，而在金属构件表面涂刷防护涂层或者采用电化学牺牲阳极法，则是典型的克服外在腐蚀因素的主要方法。另外，针对单一防护措施各有优缺点的问题，工程上越来越鼓励采取综合的防腐措施来提高防腐蚀效果。
3.1 钢构件的主要防腐措施及有效性分析
针对沿海变电站钢结构的防腐措施主要包括牺牲阳极法、隔绝防护法和缓蚀防护法等。牺牲阳极法主要是通过在钢结构表面采用热浸镀锌或冷喷锌的方法进行锌粉涂抹覆盖，利用锌涂层为牺牲阳极，实现对钢结构的保护[19,20]。其中，热浸镀锌主要是利用熔融态的锌在钢构件表面形成金属锌表层来发挥腐蚀防护效用。杨帆等[21]采用实地挂片与模拟相结合的手段研究了镀锌钢在东莞沿海大气环境中的腐蚀行为，发现镀锌钢在含SO2大气中暴露时，开始是局部腐蚀，然后腐蚀速率先迅速降低然后逐步趋于稳定。当腐蚀产物增多并形成较为致密的膜状结构时，可以一定程度上防止基体被进一步腐蚀。然而，在钢构件热浸镀锌的过程中，有可能出现镀锌层厚度不够、镀层缺陷、以及运输和安装过程中局部镀锌层遭到破坏等问题，导致设备最外层原本起电化学保护作用的镀锌层过早失效，露出下面的钢铁基体，从而加速钢构件的腐蚀。冷喷锌是运用涂装的手段使钢构件表层形成金属锌的保护涂层。经过常温喷涂作业后，钢结构表面锌镀层中锌的含量高于96%，而且镀层孔隙率低，重涂性能较好，在二次修复等方面具有热浸镀锌技术不可比拟的优越性。从施工作业难度方面考虑，相对于热浸镀锌，冷喷锌方法更为简单便捷。此外，冷喷锌方法节能环保、成本较低，其经济和环保效益较热浸镀锌方法更好。也正因为上述优点，冷喷锌方法已成为目前变电站钢结构防腐作业时的首选方法[22]。
隔绝防护法主要通过在钢构件表面涂刷涂料来实现[23]。一般的隔绝防护法是采用有机或者无机防腐涂料来进行涂装防护。常用的防腐涂料主要是具有优异的耐化学介质、耐油拒水、电绝缘性良好、使用寿命长的氟树脂基、聚氨酯树脂基和硅氟共聚物基防腐涂料[2]。此外，针对单一涂料对钢结构件腐蚀防护能力不足的缺点，近年来提出来的重防腐涂料在变电站钢结构件的腐蚀防护上引起了更多的重视。重防腐蚀涂装一般由中间层、面漆、防锈底漆几道工序组成，其对钢结构的防护时效，大大节省了电力设施的运维成本[24]。近年，经石墨烯改性的无机物和有机物再经化学合成的产物 (如陶瓷有机防腐涂料) 作为一种新型的重防腐涂料，其防腐蚀效果受到了人们高度的重视，有望在变电站钢构件的防腐上发挥重要作用[25]。涂料涂层防护技术施工工艺简单、防腐效果较好，且有较强的适应性，因此成为输变电钢结构的常用防护方法。但如果涂料型号不适合，施工质量、环境因素、涂刷工艺参数等控制不好，可能会产生涂层厚度不均，局部过薄等缺陷，造成涂层出现橘皮、针孔、花似开裂等现象，进而引发基体的腐蚀[12]。
缓蚀防护法是通过在钢结构表层涂料中添加能有效减缓钢结构腐蚀过程的缓蚀填料，从而在钢结构表层形成保护性氧化层，达到提高钢构件使用寿命的目的[26,27]。以AlH2P3O10·2H2O缓蚀剂来说，其防锈机理是它的缩合磷酸盐在三聚物阶段或者解聚成三聚磷酸根离子 (P3O105-) 时，最容易与Fe3+发生反应，螯合Fe3+在钢构件表面形成卓越的保护膜，起到防锈蚀的作用。
3.2 Al及铝合金构件的主要防腐措施及有效性分析
Al及铝合金的防腐措施一般包括自身改性、表面处理、引入合适涂层等。针对铝及铝合金的自身改性，主要策略是控制主合金元素的比例，提高其抗应力腐蚀性能，或者添加Sc、Zr等微量元素、稀土元素以及采用适当的固溶处理等方法，控制晶界析出相的含量及形态，使析出相的不连续性增加，从而达到提高耐腐蚀性能的目的[28-30]。张强等[31]研究了变电站设备用Al-Mg合金、Al-Mg-Mn合金、Al-Cu-Mg-Mn合金及镀Ag铝合金材料在模拟沿海工业大气环境中的腐蚀行为，发现实验合金在腐蚀初期以点蚀为主，随着腐蚀产物不断堆积，合金的腐蚀过程会受到一定程度的抑制。对比可见，Al-Mg合金的耐蚀性能较Al-Cu-Mg-Mn合金明显好得多。镀Ag可以明显降低Al-Cu-Mg-Mn合金的腐蚀速率，但相对于Al基体，Ag镀层属阴极性镀层，当其因腐蚀产生破损后反而会使铝合金的腐蚀速率迅速增加。虽然通过自身改性铝合金的防腐蚀性能得到明显改善，但是掺杂Sc、Zr等其它微量合金元素会影响铝合金的力学性能，在提高防腐蚀性能方面效果也不是十分理想，通常还需要结合涂刷防腐涂料等手段来满足防腐要求。
铝及铝合金的表面处理包括电化学阳极氧化法和化学氧化法，用以构筑保护性氧化膜。激光熔覆法是一种常用的铝合金表面改性技术，通过熔覆一层镍基或者铜基复合材料，或者是陶瓷粉末等，能够有效改善铝合金的抗腐蚀性能。此外，溶胶-凝胶法、等离子烧蚀法等也可以被用来改善铝合金的表面状态，提高其防腐蚀性能[32-34]。然而，铝及铝合金的表面处理工艺也可能会因为混入杂质、氧化不均，导致型材表面颜色不均，产品外观不良等问题。
在Al及铝合金表面引入一层对基体有防腐作用的厚度均匀、无孔、粘结力强的聚合物膜也是一种有效的防腐蚀手段[33]。其中，非导电聚合物膜是通过屏蔽周围腐蚀环境发挥防腐作用，而导电聚合物膜是利用其导电性，使其与铝及铝合金表面间发生氧化还原反应，从而形成稳定的氧化膜来实现防腐蚀的目的[13]。聚合物防腐蚀膜法具有操作简单、环保、低成本等优势，但对于如何选择合适成分的聚合物膜以及其与铝基体的界面作用如何、工艺条件如何控制等方面还需要深入研究。
在Al及铝合金表面涂刷防腐涂料是最常用的防腐措施之一，且常与其它防腐蚀方法结合使用。一般情况下，在常用的环氧树脂等树脂基料中添加一定量具有防腐功能的颜料即可以显著改善防腐蚀效果，施工操作非常简便。例如，常用的铬酸盐防腐蚀颜料遇水时会释放出CrO42-，将铝合金表面很好地封闭起来，起到防腐蚀的效果[35]。涂刷防腐涂料是目前较为成熟且经济有效的Al及铝合金防腐蚀手段，不过，由于络酸盐等有害物质的使用会带来环保问题，今后应朝向无污染或低污染方向发展，尽量开发无毒或低毒的颜料来代替常用的铬酸盐。
3.3 铜构件的主要防腐措施及有效性分析
针对沿海变电站铜构件的防腐蚀措施主要从改善外部腐蚀环境入手，一是尽可能地将铜材设备放在室内，且保持室内良好的除湿、净化、温度恒定效果，避免铜与空气中的水蒸气、H2S等接触；二是对室外设备采取表面电镀、涂层保护及涂覆缓蚀剂等方法来提高其耐腐蚀性能。针对问题较为突出的H2S腐蚀，对电接触铜材可以涂覆电接触润滑保护剂涂层，而当铜材的面积较大时，应先喷涂一层铝，再刷涂防腐涂层，如高聚氯乙烯等。研究发现，相较于镀金或其它防护性镀层，使用电接触润滑保护剂涂层对于提高铜材的耐腐蚀性能效果更加明显，而且也不会影响电气性能。举例来说，苯并三氮唑 (BTA) 作为一种新型接触缓蚀剂，其最低未占分子轨道 (LUMO) 具有最低的轨道能量，容易接受金属表面的电子形成反馈键，并与铜结合生成BTACu配合物保护膜，从而起到有效抵抗H2S腐蚀的作用[36]。
3.4 综合防护措施
在高温、高湿、高盐分的沿海工业大气环境中，对变电站设备采用单一的防腐蚀措施往往很难达到腐蚀控制要求，通常需要联合应用多种防腐蚀技术。如对钢构件的保护，可以同时釆用热浸镀铝和防护涂层来进行双重保护。对于采用了热浸镀锌防腐蚀层的钢构件，也应定期在热浸镀锌层表面喷涂防腐蚀漆来确保前者的完整，从而达到更持久的防腐效果。
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