隔離開關用Al-Mg-Cu合金引流板的腐蝕原因

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(1.國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥 230601；2.國網安徽省電力有限公司，合肥 230061；3.安徽大學生命科學學院，合肥 230601)

0 引 言

鋁合金憑借較低的密度、較高的比強度、良好的導電性和成型性、較低的成本等優點而得到了廣泛應用[1-3]。在電力工業領域使用的鋁以及鋁合金制品主要包括各類導線和金具。

某220 kV變電站位于皖中地區，2009年4月投運，編號4W39間隔有兩組不同型號的隔離開關，每組隔離開關有三塊引流板。2016年8月17日14時，巡檢人員發現母線側隔離開關A相引流板的溫度比線路側A相引流板的高約16 ℃，其最高溫度可達117 ℃，超過最高允許值2 ℃，而此前兩處引流板溫度差異不大。母線側隔離開關引流板尺寸為16 mm×125 mm×220 mm，兩端分別配孔4個和6個。斷電后拆下，發現母線側三塊引流板表面均發生嚴重腐蝕，鍍銀層脫落。通過鍍鋅螺栓螺母與腐蝕引流板相連的Al-Si合金線夾未發生腐蝕，線路側隔離開關引流板為6061鋁合金，也未見腐蝕。母線側A，B，C相三塊引流板材料均為Al-Mg-Cu合金，表面鍍銀。為了找到母線側隔離開關引流板腐蝕的原因，作者對其進行了失效分析。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀腐蝕形貌

由圖1(a)可見：引流板表面發生嚴重腐蝕，表面被灰色腐蝕產物覆蓋，腐蝕產物具有層狀特征，從顏色判斷應主要為鋁的氫氧化物或氧化物；B相引流板表面有少量干結青苔，表明該引流板曾經長期處于濕潤環境。由圖1(b)可見，與線夾相連部分(圖中上部)輕度腐蝕，而與樁頭相連部分(圖中下部)由于接觸腐蝕性介質較少，僅發生輕微腐蝕。

1.2 化學成分

采用SPECTROTEST型光譜儀對腐蝕引流板進行化學成分分析。由表1可知：發生腐蝕的引流板材料為Al-Mg-Cu合金，依據GB/T 3190-2008判斷，其成分接近牌號2A12鋁合金的，但是銅質量分數高于標準規定指標。

圖1 A相和B相引流板宏觀腐蝕形貌Fig.1 Macroscopic corrosion morphology of the A- and B-phase drainage plates: (a) front panel and (b) rear panel

條件SiFeCuMnMgTiNiZnAl測試值0.1610.2025.640.601.510.045--余GB/T3190-2008≤0.50≤0.503.8～4.90.3～0.91.2～1.8≤0.15≤0.10≤0.30余

1.3 腐蝕產物形貌及組成

用硬毛刷將引流板表面的腐蝕產物刮下，采用X′Pert Powder型X射線衍射儀(XRD)進行物相分析。由圖2可知，腐蝕產物中含有Al(OH)3和鋁。使用K值法計算可得Al(OH)3的質量分數為52.7%，鋁的質量分數為47.3%。考慮到Al-Mg-Cu合金不可能被硬毛刷刮下，因此，鋁必然是腐蝕發生后從基體上剝落的。

圖2 引流板表面腐蝕產物的XRD譜Fig.2 XRD pattern of corrosion products on surface of thedrainage plate

使用FEI Sirion 200型場發射掃描電鏡(FESEM)及附帶的能譜儀(EDS)對腐蝕產物進行形貌觀察和成分分析。由圖3可見，腐蝕產物由粒徑在2～8 μm和粒徑小于微米量級的顆粒構成，呈疏松狀態。

圖3 引流板表面腐蝕產物的SEM形貌Fig.3 SEM photograph of corrosion products on surfaceof the drainage plate

由表2可見，引流板表面的腐蝕產物除了含有母材所含有的鋁、銅、鋅(鍍鋅緊固件鋅層溶解產物)元素之外，還含有原子分數為0.77%的硫元素。

表2 腐蝕產物的EDS分析結果(原子分數)Tab.2 EDS analysis results of corrosionproducts (atom) %

1.4 顯微組織及元素面掃描結果

在腐蝕引流板和備用新引流板(同一廠家同一批次產品，成分一致)上分別取樣，使用Keller試劑腐蝕后，用Axiovert 200 MAT型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖4可知：腐蝕引流板的顯微組織為α-Al+θ相(Al2Cu)+T相(Al12Mn2Cu)，同批次新引流板的顯微組織為α-Al+少量一次θ相。根據組織形態判斷，引流板的熱處理狀態為固溶態，腐蝕引流板中θ相的析出和粗化以及T相的出現應是由電流熱效應導致的[4]。

使用Zeiss ULTRA型掃描電鏡及附帶的能譜儀對腐蝕引流板試樣進行形貌觀察和元素面掃描分析。由圖5可知，經Keller試劑腐蝕后，第二相粒子浮凸于基體表面，腐蝕溝槽中殘留有θ相，腐蝕溝槽間有殘存的片層狀金屬鋁。該結果表明微觀上腐蝕主要圍繞著θ相進行，腐蝕溝槽沿θ相向母材內部擴展。

圖4 腐蝕引流板和新引流板的顯微組織Fig.4 Microstructures of the corroded drainage plate (a) and the new drainage plate (b)

圖5 腐蝕引流板的SEM形貌及元素面掃描結果Fig.5 SEM morphology (a) and element mapping results (b-e) of the corroded drainage plate

圖6 腐蝕引流板和新引流板的極化曲線Fig.6 Polarization curves of the corroded and the new drainage plates

1.5 電化學腐蝕性能

在腐蝕引流板和新引流板上截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣，從試樣背面引出電極，冷鑲嵌后用240#，500#，800#水磨砂紙依次打磨，再用W1金剛石研磨膏拋光后，在pH6.1的0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中靜置至開路電位穩定，用IM6ex型電化學工作站進行極化曲線測試。采用三電極法，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑片，工作電極為試樣，工作面積為10 mm×10 mm，掃描速率為0.01 V·s-1，室溫測試。由圖6可見：腐蝕引流板和新引流板試樣的極化曲線形狀大體相似，表明兩種試樣在模擬腐蝕溶液中具有相似的電化學行為；腐蝕引流板試樣的自腐蝕電位為-1.156 V，而新引流板試樣的自腐蝕電位為-1.101 V，自腐蝕電流密度則分別為7.76×10-6，4.098×10-6A·cm2。自腐蝕電位和自腐蝕電流密度均表明腐蝕引流板在Na2SO4溶液中的耐腐蝕性能弱于新引流板的。

測完極化曲線的試樣重新打磨拋光后，用IM6ex型電化學工作站進行阻抗譜測試，采用三電極法，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑片，在pH6.1的0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中靜置至開路電位穩定后，測試腐蝕引流板和新引流板的阻抗譜，阻抗譜測試初始電壓為-0.5 V，測試頻率范圍為10 mHz～100 kHz，正弦波交流激勵信號幅值為±5 mV。

由圖7可見，腐蝕引流板的高頻圓弧半徑小于新引流板的。高頻部分圓弧的半徑越大，說明電荷從金屬向介質中轉移的阻抗越大，試樣的耐腐蝕性能越好，由此可見腐蝕引流板的耐腐蝕性能弱于新引流板的。

圖7 腐蝕引流板和新引流板的電化學阻抗譜Fig.7 Electrochemical impedance spectra of the corroded and the new drainage plates

2 腐蝕原因分析

適量銅元素的添加可提高鋁合金的屈服強度和抗拉強度，但也降低了鋁合金的耐腐蝕性能[5-6]，因此Al-Mg-Cu合金的耐腐蝕性能比Al-Si和Al-Mg-Si合金的差[7-9]。腐蝕引流板材料中的銅含量高于2A12鋁合金的標準指標，這對該引流板的耐腐蝕性能不利。

腐蝕產物含有硫元素，由此推測，硫化物是導致腐蝕發生的重要原因[6, 10]。該變電站靠近火力發電廠，電廠含硫排放物是腐蝕性介質的可能來源。腐蝕產物中硫原子分數達到0.77%，如此高的硫含量必然為多次酸雨累積所致。由腐蝕產物的SEM形貌可見，腐蝕產物較疏松。疏松結構的腐蝕產物易于蓄積腐蝕介質，高濃度硫化物促進了腐蝕的進行。

由腐蝕引流板的SEM形貌可知，腐蝕主要圍繞著θ相進行，θ相作為陰極在腐蝕過程中得以保留，基體α-Al作為陽極被氧化。疏松的腐蝕產物體積膨脹，鍍銀層也因此而發生脫落，接觸面由銀-銀接觸變為鋁合金-氧化物-鋁合金接觸，接觸電阻增大。通流狀態下增大的接觸電阻產生了額外熱量，促進了引流板組織的老化，θ相的析出和粗化導致Al-Mg-Cu合金耐腐蝕性能的進一步降低。

3 結論與措施

(1) 腐蝕引流板材料為Al-Mg-Cu合金，耐腐蝕性能較差，在含硫的酸雨作用下發生腐蝕；電流的熱效應導致引流板組織老化、耐腐蝕性能降低，促進了腐蝕的進行。

(2) 發現腐蝕現象后，某供電公司針對該站內露天使用的鋁合金部件進行了成分排查，對發生腐蝕的Al-Mg-Cu合金部件進行了更換；目前電網企業關于金屬材料選用的技術標準處于空白階段，應加強對新采購鋁合金金具、戶外箱體以及傳動桿和管母線等部件成分的檢查，在技術標準缺失的情況下，相應招標技術規范中應充分考慮金屬材料的耐腐蝕性能，并約束材料成分范圍。

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