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| 沿海變電站設備腐蝕狀況及其腐蝕機理與防護 |
| 發布時間：2023/8/9 來源：中能興恒建設有限公司 閱讀：3155次 |
變電站是聯結發電廠和電力用戶之間的關鍵節點，在變換電壓和分配電能方面發揮著不可或缺的重要作用。沿海地區屬于典型的高溫、高濕和高鹽霧大氣環境，而且工業企業分布密集，環境污染嚴重，導致沿海變電站存在不同程度的大氣腐蝕問題，影響電網的安全運行[1-4]。因此，充分認識沿海變電站主要設備的腐蝕狀況、腐蝕機理、現有防腐措施及其有效性，對于進一步有針對性地采取有效的防腐措施，提高變電站設備的使用壽命和安全性十分重要。
1 沿海變電站主要設備腐蝕狀況
金屬構件被大量應用于變電站，主要涉及鋼 (主要為碳鋼、鍍鋅鋼和不銹鋼)、Al和鋁合金以及銅等材質。我國東南沿海區域的平均氣溫常年在20 ℃以上，濕度高于70%，且工業發達。在海水蒸發與工業活動的雙重影響下，空氣中的鹽分較高，大氣腐蝕性較內陸地區明顯增強，給變電站金屬設備帶來了嚴重的腐蝕問題。經調研多個沿海變電站后發現，幾乎所有裸金屬、導體材料、觸頭材料及防護材料都存在嚴重的腐蝕與失效問題，涉及到變電站的多個部位及部件，特別是集中在戶外氣體絕緣組合電器、絕緣子、金屬構架以及電氣設備的外殼、戶外端子箱等[5,6]，嚴重威脅到變電站的安全運行。以下對沿海變電站主要設備的腐蝕狀況進行介紹。
1.1 戶外GIS腐蝕
沿海地區變電站戶外GIS (Gas-insulated sunstation)銹蝕嚴重，已嚴重威脅到GIS、斷路器等充氣壓力容器設備的安全運行。通過對福建省戶外GIS的腐蝕情況調研發現，涉及戶外GIS腐蝕的有122座，主要表現為殼體腐蝕68座，法蘭面腐蝕31座，傳動連桿銹蝕23座。例如，僅在泉州和漳州地區由于腐蝕問題造成的SF6泄露已超過50起，最嚴重的某220 kV GIS每20 h就要補氣1次，才能勉強維持運行。甚至發生220 kV主變因SF6連接管漏氣造成差動保護動作跳閘等問題。
1.1.1 殼體腐蝕
戶外GIS的殼體材質多為不銹鋼、鑄鋁等金屬材料。在沿海腐蝕性大氣環境中，其腐蝕問題非常嚴重。特別是鋁質設備，受大氣中高濃度Cl-的影響，造成點蝕，甚至是穿孔、剝層等，大幅度增大了鋁材的腐蝕速率，使用壽命急劇下降。圖1為GIS鋁質蓋帽、SF6斷路器鑄鋁三角箱、SF6電流互感器鋁質壓力釋放膜管和密度繼電器接頭座的腐蝕情況。此外，不銹鋼母線管也發生銹蝕，造成刀閘、開關、電流互感器等多個氣室發生漏氣現象。
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圖1 沿海工業環境GIS等設備腐蝕形貌
1.1.2 法蘭面腐蝕
變電站的電流互感器 (CT) 承擔著電流變換和電氣隔離作用，用于測量和繼電保護，并將二次系統與大電流和高電壓隔離開，從而保護人身和設備的安全[6]。因此，電流互感器能否正常運行對變電站輸變電功能的安全穩定運行具有至關重要的作用。調研多座沿海地區的變電站發現，電流互感器壓力釋放膜的鋁合金法蘭是最容易發生腐蝕的部位。如某220 kV變電站間隔的一組電流互感器B、C相一次導電桿P1側法蘭出現了明顯的開裂。2014年9月，某沿海220 kV變電站的GIS鋁合金殼體法蘭發生嚴重腐蝕。試驗人員通過X射線光譜儀、漆膜測厚儀及垢樣能譜分析等手段，與相應的環境監測數據相結合，從多角度分析了GIS鋁合金殼體法蘭構件嚴重腐蝕的原因，最終認為沿海大氣環境是造成其銹蝕的主要原因。
1.1.3 接線板及動靜觸頭腐蝕
變電站設備接線板主要使用導電鋁或者鋁鍍銀材料，而隔離開關動靜觸頭則主要使用銅基或其他基體的鍍銀材料。這些材料基本上能滿足內陸地區低腐蝕環境下的服役要求，但在高溫、高濕、高鹽分的沿海工業腐蝕大氣環境下，很容易出現鋁材穿孔、剝層等腐蝕問題，增大鋁材的腐蝕速率，導致使用壽命急劇下降。2011年11月13日，專業人員對某500 kV變電站線路間隔進行小修預試，在對刀閘進行檢查時發現刀閘A、C相導流板腐蝕嚴重，其中C相腐蝕尤為嚴重。現場檢查發現，C相導流板上下面及側面均有嚴重腐蝕，腐蝕層厚度最大達3 mm左右，手捏后成粉末狀。2012年9月4日，在對某220 kV變電站的母線PT單元例行檢修過程中，發現某剪刀式刀閘兩側的鋁接線板被嚴重腐蝕，出現分層脫落現象。對于鍍銀觸頭，高濃度的Cl-以及工業大氣環境中較高濃度的SO2會造成鍍銀觸頭的硫化，加快其腐蝕失效。
1.2 絕緣子腐蝕
在鹽霧和高溫環境下長期運行的絕緣子，其表面形成的積垢層在電場的作用下會發生電離，形成導電膜層，繼而引發放電，造成絕緣子表面溫度分布不均和持續溫升，最終引起絕緣子爆裂、導線單相接地等故障，嚴重影響到電網的安全運行[2]。絕緣子在遭受腐蝕后即使尚未達到爆裂的程度，但其絕緣能力也會顯著下降，影響絕緣和安全性能。例如，某220 kV變電站距離海邊500 m，所處污穢等級為e級，附近有大型化工廠，長期受海風、海水、化學物質等影響，運行1 a多以后出現了銹蝕嚴重、漏氣頻繁等缺陷，嚴重影響設備的可靠運行。其中，絕緣子法蘭面進水引起表面及密封件腐蝕，導致氣體泄漏 (共發現6處)，見圖2。
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圖2 絕緣子法蘭面表面及密封件腐蝕
1.3 其他金屬構架及電氣設備外殼、戶外端子箱腐蝕
對沿海變電站設備近年來的腐蝕狀況調研表明，鋼結構件、鋁質連接件與支架等腐蝕現象均十分嚴重。例如，某變電站投運僅13個月就出現嚴重腐蝕問題，包括普通碳鋼部件表面普遍出現的銹蝕 (圖3a)，因銹蝕嚴重發生斷裂的彈簧 (圖3b)，不銹鋼和鋁合金部件表面的銹斑 (如圖3c、d) 等。GIS出線套管接頭也常發生腐蝕，瓷套外面的PRTV表面覆蓋了一層厚厚的鹽層沉積物，外絕緣受到破壞，造成放電。SF6密度繼電器外殼受腐蝕影響風化起皮，造成螺絲無法拆除。某接地刀閘機構箱二次航空插頭位于上部，機構箱內部進水，導致彈簧等金屬件發生嚴重銹蝕。
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圖3 某變電站構件腐蝕
2 沿海變電站金屬設備腐蝕機理
除了施工工藝不規范導致的金屬設備腐蝕失效之外，幾乎所有金屬構件的腐蝕都和其與自然環境的相互作用有關，是金屬基體表面與所處環境中的介質發生化學或電化學作用的結果。對于不同材質的金屬構件來說，其腐蝕現象呈現出特有的規律[7,8]。因此，深刻理解沿海地區變電站中主要種類金屬構件的腐蝕機理，對于加強相關設備的防護，提高電網的安全穩定運行是十分必要的。
2.1 鋼構件的腐蝕機理
鋼結構在電力設施里使用非常普遍，如變電站的變壓器、輸配電線路的桿塔以及各種鋼構等。在我國東南沿海的大氣和工業腐蝕環境中，鋼結構長時間遭受晝夜溫差、季節溫差變化、鹽霧沉積以及風吹日曬等，銹蝕問題通常非常嚴重。這主要是由于沿海大氣環境很容易滿足鋼結構發生電化學銹蝕的4個條件，即陰極、陽極、金屬接觸以及氧氣和電解質[9,10]。在陽極，Fe釋放電子形成Fe2+和OH-；在陰極，水中溶解的氧氣吸收陽極產生的OH-，使電子從陽極向陰極不斷流動，形成腐蝕電流。也就是說，鋼的表面會發生2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2反應，生成Fe(OH)2薄膜，而其進一步與水和氧氣發生4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3反應，造成鋼的銹蝕。一般情況下，不銹鋼構件的腐蝕較輕微，普通碳鋼構件的腐蝕則較為嚴重。這是因為碳鋼中含有由鐵素體和滲碳體組成的珠光體，其中鐵素體的電極電位比滲碳體低，因此當鋼件表面吸附了含有電解質的水時，鐵素體成為陽極，滲碳體成為陰極，二者接觸后就會形成許多腐蝕微電池[11]。沿海工業區大氣中由于含有高濃度的鹽分、H2S和SO2等污染物，不僅會加速鋼結構的電化學腐蝕過程，還因為這些污染物在經過一系列的電化學反應后又重新生成，使底層的金屬得以繼續腐蝕，因此對鋼構件的腐蝕危害更大[12]。
2.2 Al及鋁合金構件的腐蝕機理
暴露于大氣中的Al和鋁合金，其表面會生成一層納米級的致密γ-Al2O3鈍化膜，在有水或大量水蒸氣存在的情況下，該γ-Al2O3膜層會進一步轉化為γ-AlOOH，最后轉化為Al(OH)3，從而對Al及鋁合金基體起到保護作用[13]。然而，沿海大氣環境中的Cl-會吸附在鋁合金表面的氧化膜缺陷或材質不均勻等活性位置，進而與氧化膜發生化學反應，取代Al(OH)3中的OH-，逐步形成Al(OH)2Cl和Al(OH)Cl2，并最終生成可溶性的AlCl3，使部分氧化膜減薄、破裂，最終導致Al的腐蝕[14]。同時，處于沿海工業環境中的Al及鋁合金構件還將受到大氣中SO2的影響，其在Al及鋁合金構件表面吸附后會發生溶解和水化，生成HSO3-，并逐步被氧化成SO42-，與鋁合金或者Al(OH)3溶解生成的Al3+形成Al的硫酸鹽化合物，從而促進鋁合金的進一步腐蝕[15]。
2.3 銅構件的腐蝕機理
Cu+和Cu2+離子化的標準電極電位分別為0.522和0.345 V (SHE)，因此在一般的干燥大氣環境中不容易被腐蝕[16]。但當受到輕微氧化后銅材表面會生成Cu2O和CuO層。其中，Cu2O膜層靠近基體，比較致密，對銅基體可以起到一定防腐蝕作用。但當大氣達到一定濕度且存在SO2和H2S的情況下，該層氧化膜會被SO2、H2S與水生成的酸性物質所溶解，生成溶解度更小的堿式硫酸銅等物質[16]。因此，長期暴露在沿海地區潮濕大氣環境下的Cu，其表面會同時形成Cu2O內層和多孔的堿式硫酸銅 (主要是Cu4(OH)6SO4) 和堿式氯化銅外層。Cu的標準電極電位大于0，因此其腐蝕時主要發生O的去極化作用，而不是H的去極化作用。也就是說，Cu先被氧化成CuO，然后再與H2S反應，生成CuS。這些腐蝕產物疏松多孔，不僅無法在Cu表面形成保護膜還會吸附水分，加劇銅材的腐蝕[17]。當環境中HS-的濃度較高時，Cu的表面會發生硫化作用，生成Cu2S膜層。當其厚度較薄時，Cu2+在其中的擴散受到限制，膜的生長較慢。但當Cu2S膜達到臨界厚度時 (約1 μm)，腐蝕層的內部應力增大、缺陷增多，使H2S和O2很容易到達膜的基層，腐蝕加速[18]。
3 沿海變電站設備常用防腐措施及有效性分析
金屬發生腐蝕既存在內在因素，也存在外在因素，因此，其腐蝕防護也要從如何克服內在和外在兩種腐蝕因素出發[16]。其中，改變材料設計或材質 (如采用耐腐蝕鋁合金材料) 是克服內在腐蝕因素，提高沿海變電站設備防腐性能的主要手段之一，而在金屬構件表面涂刷防護涂層或者采用電化學犧牲陽極法，則是典型的克服外在腐蝕因素的主要方法。另外，針對單一防護措施各有優缺點的問題，工程上越來越鼓勵采取綜合的防腐措施來提高防腐蝕效果。
3.1 鋼構件的主要防腐措施及有效性分析
針對沿海變電站鋼結構的防腐措施主要包括犧牲陽極法、隔絕防護法和緩蝕防護法等。犧牲陽極法主要是通過在鋼結構表面采用熱浸鍍鋅或冷噴鋅的方法進行鋅粉涂抹覆蓋，利用鋅涂層為犧牲陽極，實現對鋼結構的保護[19,20]。其中，熱浸鍍鋅主要是利用熔融態的鋅在鋼構件表面形成金屬鋅表層來發揮腐蝕防護效用。楊帆等[21]采用實地掛片與模擬相結合的手段研究了鍍鋅鋼在東莞沿海大氣環境中的腐蝕行為，發現鍍鋅鋼在含SO2大氣中暴露時，開始是局部腐蝕，然后腐蝕速率先迅速降低然后逐步趨于穩定。當腐蝕產物增多并形成較為致密的膜狀結構時，可以一定程度上防止基體被進一步腐蝕。然而，在鋼構件熱浸鍍鋅的過程中，有可能出現鍍鋅層厚度不夠、鍍層缺陷、以及運輸和安裝過程中局部鍍鋅層遭到破壞等問題，導致設備最外層原本起電化學保護作用的鍍鋅層過早失效，露出下面的鋼鐵基體，從而加速鋼構件的腐蝕。冷噴鋅是運用涂裝的手段使鋼構件表層形成金屬鋅的保護涂層。經過常溫噴涂作業后，鋼結構表面鋅鍍層中鋅的含量高于96%，而且鍍層孔隙率低，重涂性能較好，在二次修復等方面具有熱浸鍍鋅技術不可比擬的優越性。從施工作業難度方面考慮，相對于熱浸鍍鋅，冷噴鋅方法更為簡單便捷。此外，冷噴鋅方法節能環保、成本較低，其經濟和環保效益較熱浸鍍鋅方法更好。也正因為上述優點，冷噴鋅方法已成為目前變電站鋼結構防腐作業時的首選方法[22]。
隔絕防護法主要通過在鋼構件表面涂刷涂料來實現[23]。一般的隔絕防護法是采用有機或者無機防腐涂料來進行涂裝防護。常用的防腐涂料主要是具有優異的耐化學介質、耐油拒水、電絕緣性良好、使用壽命長的氟樹脂基、聚氨酯樹脂基和硅氟共聚物基防腐涂料[2]。此外，針對單一涂料對鋼結構件腐蝕防護能力不足的缺點，近年來提出來的重防腐涂料在變電站鋼結構件的腐蝕防護上引起了更多的重視。重防腐蝕涂裝一般由中間層、面漆、防銹底漆幾道工序組成，其對鋼結構的防護時效，大大節省了電力設施的運維成本[24]。近年，經石墨烯改性的無機物和有機物再經化學合成的產物 (如陶瓷有機防腐涂料) 作為一種新型的重防腐涂料，其防腐蝕效果受到了人們高度的重視，有望在變電站鋼構件的防腐上發揮重要作用[25]。涂料涂層防護技術施工工藝簡單、防腐效果較好，且有較強的適應性，因此成為輸變電鋼結構的常用防護方法。但如果涂料型號不適合，施工質量、環境因素、涂刷工藝參數等控制不好，可能會產生涂層厚度不均，局部過薄等缺陷，造成涂層出現橘皮、針孔、花似開裂等現象，進而引發基體的腐蝕[12]。
緩蝕防護法是通過在鋼結構表層涂料中添加能有效減緩鋼結構腐蝕過程的緩蝕填料，從而在鋼結構表層形成保護性氧化層，達到提高鋼構件使用壽命的目的[26,27]。以AlH2P3O10·2H2O緩蝕劑來說，其防銹機理是它的縮合磷酸鹽在三聚物階段或者解聚成三聚磷酸根離子 (P3O105-) 時，最容易與Fe3+發生反應，螯合Fe3+在鋼構件表面形成卓越的保護膜，起到防銹蝕的作用。
3.2 Al及鋁合金構件的主要防腐措施及有效性分析
Al及鋁合金的防腐措施一般包括自身改性、表面處理、引入合適涂層等。針對鋁及鋁合金的自身改性，主要策略是控制主合金元素的比例，提高其抗應力腐蝕性能，或者添加Sc、Zr等微量元素、稀土元素以及采用適當的固溶處理等方法，控制晶界析出相的含量及形態，使析出相的不連續性增加，從而達到提高耐腐蝕性能的目的[28-30]。張強等[31]研究了變電站設備用Al-Mg合金、Al-Mg-Mn合金、Al-Cu-Mg-Mn合金及鍍Ag鋁合金材料在模擬沿海工業大氣環境中的腐蝕行為，發現實驗合金在腐蝕初期以點蝕為主，隨著腐蝕產物不斷堆積，合金的腐蝕過程會受到一定程度的抑制。對比可見，Al-Mg合金的耐蝕性能較Al-Cu-Mg-Mn合金明顯好得多。鍍Ag可以明顯降低Al-Cu-Mg-Mn合金的腐蝕速率，但相對于Al基體，Ag鍍層屬陰極性鍍層，當其因腐蝕產生破損后反而會使鋁合金的腐蝕速率迅速增加。雖然通過自身改性鋁合金的防腐蝕性能得到明顯改善，但是摻雜Sc、Zr等其它微量合金元素會影響鋁合金的力學性能，在提高防腐蝕性能方面效果也不是十分理想，通常還需要結合涂刷防腐涂料等手段來滿足防腐要求。
鋁及鋁合金的表面處理包括電化學陽極氧化法和化學氧化法，用以構筑保護性氧化膜。激光熔覆法是一種常用的鋁合金表面改性技術，通過熔覆一層鎳基或者銅基復合材料，或者是陶瓷粉末等，能夠有效改善鋁合金的抗腐蝕性能。此外，溶膠-凝膠法、等離子燒蝕法等也可以被用來改善鋁合金的表面狀態，提高其防腐蝕性能[32-34]。然而，鋁及鋁合金的表面處理工藝也可能會因為混入雜質、氧化不均，導致型材表面顏色不均，產品外觀不良等問題。
在Al及鋁合金表面引入一層對基體有防腐作用的厚度均勻、無孔、粘結力強的聚合物膜也是一種有效的防腐蝕手段[33]。其中，非導電聚合物膜是通過屏蔽周圍腐蝕環境發揮防腐作用，而導電聚合物膜是利用其導電性，使其與鋁及鋁合金表面間發生氧化還原反應，從而形成穩定的氧化膜來實現防腐蝕的目的[13]。聚合物防腐蝕膜法具有操作簡單、環保、低成本等優勢，但對于如何選擇合適成分的聚合物膜以及其與鋁基體的界面作用如何、工藝條件如何控制等方面還需要深入研究。
在Al及鋁合金表面涂刷防腐涂料是最常用的防腐措施之一，且常與其它防腐蝕方法結合使用。一般情況下，在常用的環氧樹脂等樹脂基料中添加一定量具有防腐功能的顏料即可以顯著改善防腐蝕效果，施工操作非常簡便。例如，常用的鉻酸鹽防腐蝕顏料遇水時會釋放出CrO42-，將鋁合金表面很好地封閉起來，起到防腐蝕的效果[35]。涂刷防腐涂料是目前較為成熟且經濟有效的Al及鋁合金防腐蝕手段，不過，由于絡酸鹽等有害物質的使用會帶來環保問題，今后應朝向無污染或低污染方向發展，盡量開發無毒或低毒的顏料來代替常用的鉻酸鹽。
3.3 銅構件的主要防腐措施及有效性分析
針對沿海變電站銅構件的防腐蝕措施主要從改善外部腐蝕環境入手，一是盡可能地將銅材設備放在室內，且保持室內良好的除濕、凈化、溫度恒定效果，避免銅與空氣中的水蒸氣、H2S等接觸；二是對室外設備采取表面電鍍、涂層保護及涂覆緩蝕劑等方法來提高其耐腐蝕性能。針對問題較為突出的H2S腐蝕，對電接觸銅材可以涂覆電接觸潤滑保護劑涂層，而當銅材的面積較大時，應先噴涂一層鋁，再刷涂防腐涂層，如高聚氯乙烯等。研究發現，相較于鍍金或其它防護性鍍層，使用電接觸潤滑保護劑涂層對于提高銅材的耐腐蝕性能效果更加明顯，而且也不會影響電氣性能。舉例來說，苯并三氮唑 (BTA) 作為一種新型接觸緩蝕劑，其最低未占分子軌道 (LUMO) 具有最低的軌道能量，容易接受金屬表面的電子形成反饋鍵，并與銅結合生成BTACu配合物保護膜，從而起到有效抵抗H2S腐蝕的作用[36]。
3.4 綜合防護措施
在高溫、高濕、高鹽分的沿海工業大氣環境中，對變電站設備采用單一的防腐蝕措施往往很難達到腐蝕控制要求，通常需要聯合應用多種防腐蝕技術。如對鋼構件的保護，可以同時釆用熱浸鍍鋁和防護涂層來進行雙重保護。對于采用了熱浸鍍鋅防腐蝕層的鋼構件，也應定期在熱浸鍍鋅層表面噴涂防腐蝕漆來確保前者的完整，從而達到更持久的防腐效果。
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