粉塵環境對變電站金屬材料腐蝕在役壽命的影響

郭軍科 蘇展 于金山 盧立秋 趙鵬

（天津市電力公司電力科學研究院 天津 300384）

粉塵環境對變電站金屬材料腐蝕在役壽命的影響

郭軍科 蘇展 于金山 盧立秋 趙鵬

（天津市電力公司電力科學研究院 天津 300384）

某變電站開關由于表面腐蝕原因不能正常閉合，采用表面形貌分析技術（電鏡-電子能譜表面分析技術）研究電網設備表面附著物和產物，探討分析了材料表面腐蝕形成的因素，發現主要是由粉塵性和潮濕性大氣引起，探討并提出相關解決措施及其效果。

粉塵；變電站；金屬材料；腐蝕；在役壽命

材料在大氣中發生腐蝕受環境因素的影響，如溫度和相對濕度，特別是大氣中所含的污染物：SO2、NOX、NH3、H2S等腐蝕性氣體及鹽、粉塵等細小塵埃[1-3]。本文主要從變電站室內的電工材料表面腐蝕形態和表面附著物兩個方面介紹和分析變電站金屬材料腐蝕情況。

某變電站室內的開關觸頭表面、覆鋁鋅板外表面、鋼鐵材質和銅排表面均有不同形態腐蝕產物和表面附著物，同時環網開關柜內設備表面特別是氣室環氧樹脂外表面有附著物，造成在正常運行操作中，開關有時不能正常閉合，無法按時、穩定送電，造成了用戶負面情緒和投訴等影響。通過對某變電站腐蝕產物及周邊環境分析，探討目前粉塵環境對變電站金屬材料在役壽命的影響。

1 腐蝕形態

從變電室現場可以看出，設備表面形態大致分為兩類。一是非金屬材料表面和涂有防腐油漆的金屬設備上表面有薄層浮塵，擦拭干凈后露出基體，而設備下表面較光潔無明顯腐蝕，SF6氣室環氧樹脂外表面有點狀和小面積的白色附著物；二是部分金屬材料表面腐蝕現象嚴重：覆鋁鋅板外表面布滿黃褐色顆粒物，去除后呈細小腐蝕坑狀。鐵表面為棕紅色鐵銹，局部可成片狀剝落。銅導線和銅排表面為均勻綠色腐蝕物；同時在鍍鋅鐵板表面也有點狀和小面積的白色附著物，見圖1。

圖1 變電站設備腐蝕狀況圖

2 腐蝕產物檢測與分析

由于不同材質表面附著物或腐蝕產生物形態不一，產生條件各不相同，開關等部分位置表面物取樣量少，故選取其中附著物或腐蝕物較多且對設備運行影響大的兩個部位進行電鏡-電子能譜表面分析檢測：A腐蝕產物～覆鋁鋅板外表面的黃褐色細小顆粒物；B腐蝕產物～氣室環氧樹脂外表面的白色豆狀和粉末狀物質。

2.1 腐蝕產物成分檢測

為研究腐蝕產物的成分，本研究對腐蝕后的試片進行了EDS分析。分析結果如下：

表1 A腐蝕產物的原子組成比例

基體的主要組成：主成分為鋁，同時有少量的錳、硅等。樣品中的C元素少量以碳酸根存在；N元素以硝酸根形式存在；Si可能是硅酸根或與硝酸根結合的Si離子；Al為三氧化二鋁和Al3+兩種形式；其中Mn為陽離子。

表2 B腐蝕產物的金屬原子組成比例

2.2 腐蝕環境

從腐蝕產物的原子組成可以大致看出，A腐蝕產物中出現大量的的C、Si元素，以及B腐蝕產物中的大量Ca元素，均非材質本身所具有，也非與正常環境大氣發生相關反應而形成，初步估計均為外部污染物所含有，形成表面沾污和發生化學-電化學反應，造成環氧樹脂外表面吸附和覆鋁鋅板表面腐蝕。

通過對變電站周邊環境檢查發現，距其南面約30m處有一建筑材料工程質量檢測單位，對水泥、磚、砼砌塊、沙石和外加劑、摻和劑等原材料進行檢驗，在建筑工程材料的儲存、運輸、加工和試驗檢測等階段會產生粉塵和灰塵，在特定的風向條件時，漂移至變電站室內。

同時，由于變電站后部緊靠一條小河渠，變電室內的底部局部曾被浸泡，空氣中濕度長期較大，這一點從變電室房屋墻角處浸泡水痕跡可以看出。

2.3 腐蝕原因分析

2.3.1 空氣中固體粉塵的影響[4-6]

大氣中通常稱為灰塵的固體微粒雜質能加速腐蝕。本事例中它的組成比較簡單，主要包括有碳和碳化物、硅酸鹽、鈣鎂石灰等固體顆粒。通過測定，測量顯示最大數據為133mg/m3。

建筑材料塵粒對變電站材料的影響方式可分為三類。（1）吸附：對于高分子聚合物、瓷質、塑料等非金屬電網材料表面和有防腐涂層的電網金屬材料來說，自然沉降粉塵或吸附的細微顆粒物不會造成表面腐蝕，但會造成絕緣下降或物理接觸不良。（2）塵粒本身沒有腐蝕性，但能吸附腐蝕性物質,如粉塵吸收大氣中SO2、NH3和水汽后，生成腐蝕性的酸堿性終液；或顆粒物本身是腐蝕性的，如建筑材料中石灰粉塵顆粒，它溶入金屬表面水膜后提高了電導率和堿度，起促進腐蝕的作用；（3）塵粒本身既無腐蝕性又不吸收腐蝕活性物質，但是它們落在金屬表面能開形成縫隙而凝聚水分，例如在砂粒的遮蔽作用下，在所形成的縫隙處很容易吸收水分并形成氧濃差的局部腐蝕條件。

2.3.2 覆鋁鋅板和銅排腐蝕的原因

鋁的耐大氣腐蝕性較好，已被廣泛應用于建筑等方面，它在污染的空氣中不受H2S和CO2的作用。但是鋁為兩性元素，對SO2一類的強酸性物質、Cl-以及強堿性物質都很敏感，產生孔蝕等局部腐蝕。

銅是不太活潑的重金屬元素，銅在大氣中也具有很好的耐蝕性，其耐蝕的原因，主要是由于銅的熱力學穩定性，以及它在大氣中能形成自保護膜。但在潮濕空氣中，銅的表面慢慢生成一層綠色銅腐蝕物，其成分主要是堿式碳酸銅：Cu2(OH)2CO3，通常稱為“銅綠”[7]。或當大氣中含有氨或二氧化硫時，受到拉伸應力的黃銅易產生應力腐蝕破裂[8]。在富氧潮濕空氣條件下，鐵表面生成疏松、均勻的棕褐色銹蝕。

3 處理措施及防治方法

對于已經沉積有污物或腐蝕物的材料表面，采取下述表面處理：裸露于大氣中有較大表面積的材料，進行人工物理清掃，即對開關觸頭表面等金屬部位進行手工砂紙和機械打磨。另外對附著層結合牢固的非金屬材料表面采用酸性清洗劑進行化學清洗處理。

為了防止周邊環境空氣中各類粉塵顆粒或灰塵吸入變電站后，長時間積聚造成設備的腐蝕損害和表面污穢，進一步采用了降低站內空氣濕度和防止粉塵進入站內的方式。降低濕度方式：消除外部進入變電室的水源，同時加強室內對外的排風通流。或者對特定區域進行封閉處理后，干燥除濕降低大氣中水分；加裝溫濕度儀，加強對變電站的濕度巡視和記錄。眾所周知，空氣中的相對濕度越大，金屬材質腐蝕速率越快，這是由于空氣中水分起到了一種介質和溶劑的作用，如果空氣中相對濕度小于40%，在其它條件不變的情況下則銅與大氣中的有害氣體反應速度就大大降低。消除粉塵方式：這一點最重要，要從根本上解決設備腐蝕和不能正常投運的問題，必須消除變電站所處的粉塵環境，在建筑材料工程質量檢測單位采取措施防止揚塵或飄散的基礎上，由吸風機抽取室外空氣通過水膜箱凈化處理，進行水膜吸塵、干燥除濕處理后，把處理后的清新空氣補充進入變電室；同時對變電站關鍵設備區域進行微正壓通風處理，維持室內相對正壓20Pa左右，為此提出和設計了一種維持變電站微正壓控制控制的有效方法。主要目的是使變電站內維持微正壓，改善設備運行環境，避免將周邊環境空氣中鹽類、酸性物質、粉塵顆粒或灰塵吸入站內，造成對設備的腐蝕和積灰。主要措施內容是：（1）采用除塵系統。除塵過濾系統中過濾器內濾料采用可再生物質，通過除塵過濾系統完成對新風凈化，改善設備運行環境。（2）計算相關風量。根據變電站室內漏風面積計算得出正壓漏風量和開啟門漏風量，再由兩者計算正壓風量，同時由排風機排風量得出排風機開啟時需補入風量，選用相應風機，并保持常開以維持室內微正壓。圖2為變電站微正壓空氣凈化處理系統示意圖。

圖2 變電站微正壓空氣凈化處理系統示意圖

4 結語

（1）變電站室內開關不能正常運作、非金屬電氣材料表面附著物以及金屬材料的腐蝕，主要是由于建筑材料粉塵（空氣中的懸浮粒子，污染性氣體如硫的氧化物，氮的氧化物等）在潮濕環境條件下物理覆蓋或發生化學-電化學反應造成的；

（2）金屬表面存在的薄電解液層及氧氣是影響潮大氣金屬材料腐蝕的主要因素；

（3）消除大氣中粉塵和降低環境濕度能夠消除事故的發生，保證設備安全穩定運行。

[1]天華化工機械及自動化研究設計院.腐蝕與防護手冊[M],化學工業出版社.2008.

[2]宋卓,郭軍科,郭錦龍.環境對電網材料的腐蝕影響分析及評價[J].山西電力.2008(5)：7.

[3]魏寶明.金屬腐蝕理論及應用[M].北京:化學工業出版社,1984.

[4]王鳳平,康萬利,敬和民.腐蝕電化學原理方法和應用[M].北京:化學工業出版社,2008:1-426.

[5]汪川,王振堯,柯偉.Q235碳鋼在SO2氣體中的初期腐蝕行為[J].金屬學報,2008,6:729-734.

[6]Henriksen J,Hienonen R,Imrell T,et al.Corrosion of electronics,a handbook based on experiences from a Nordic research project.Bulletin No102,Swedish Corrosion Institute,Stockholm,Sweden,1991.

[7]孫秋霞,材料腐蝕與防護[M].北京:冶金工業出版社,2001.

[8]陳卓元.銅的大氣腐蝕及其研究方法[M].北京:科學出版社,2011.

郭軍科（1971—），男，漢族，湖南益陽人，學士，高級工程師，主要研究方向為材料腐蝕與防護、水質控制。