鹽霧環境下發電機定子停用防護技術

王 珂，張貴泉，張 兆，劉 鋒，王 靜

（1.國能（連江）港電有限公司，福建 福州 350500； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 3.西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西 西安 710054）

隨著國家電力行業去產能政策的實施，大量緩建和停建電廠的發電設備長期存放于工程現場，如果保養不當會引起設備損傷甚至報廢，將造成極大的資金損失和資源浪費。特別是處于沿海地區的電廠，空氣濕度大，空氣中鹽分含量高，如果保養不當，必然會加重設備腐蝕程度[1-4]。

發電機是電廠的重要設備，百萬千瓦機組發電機定子價格昂貴，在結構設計及工藝方面比較復雜，對其長期存放提出了更嚴格的絕緣防護和腐蝕控制要求。另外，發電機定子絕緣系統的穩定性在很大程度上決定著發電機運行的可靠性，據統計，絕緣故障導致發電機事故占發電機總事故的56%左右[5]，因此發電機定子的絕緣電阻是發電機的重要監測指標之一。但是，目前針對發電機定子的研究多集中于定子線棒水系統腐蝕[6-7]、定子冷卻器腐蝕[8]、定子電腐蝕[9-10]及防護技術等方面，對發電機定子絕緣電阻的影響因素及停用防護報道較少。

本文以某電廠百萬千瓦機組發電機定子為研究對象，研究了高鹽霧環境下長期存放的腐蝕防護方法和發電機定子絕緣影響因素及控制技術，以期為其他機組發電機定子的停用防護提供依據。

1 定子腐蝕防護實驗

1.1 實驗內容

實驗材料采用與某電廠百萬千瓦機組發電機定子內材質相同的碳鋼、硅鋼腐蝕試片，其化學成分見表1。試片分別用80號、200號和800號水磨砂紙逐級打磨，用丙酮擦洗試樣表面油污，然后將試片放入干凈的丙酮中浸泡2 min，取出后冷風吹干，置于干燥器內備用。

表1 試片化學成分 w/% Tab.1 Chemical composition of the specimens

采用圖1所示腐蝕模擬實驗裝置研究發電機定子材質在不同環境下的腐蝕情況。為了模擬鹽霧環境中金屬表面的鹽沉積，將一定質量濃度的NaCl溶液滴加到試片表面，然后將其放入真空室中加速溶液蒸發，在試片表面形成100 mg/m2的鹽膜。將試片夾持好后，掛入反應裝置內，調節箱內相對濕度至80%（模擬沿海城市空氣濕度），并通入空氣或氮氣調節箱體內氣體成分，120 h后觀察試片的表面狀態。

圖1 腐蝕模擬實驗裝置示意 Fig.1 Schematic diagram of the corrosion test equipment

采用Quanta400HV型掃描電子顯微鏡（SEM）對實驗后試片表面腐蝕形貌進行微觀分析。采用INCA Energy X射線能譜儀（EDS）檢測試片表面成分。采用D/max-3C型X射線衍射儀對腐蝕產物進行分析，其工作條件為Cu靶等Kα（λ=0.154 06 μm）輻射，管電壓35 kV，管電流40 mA。

1.2 實驗結果分析

1.2.1 鹽分影響

在相對濕度80%的空氣環境中比較分析鹽分對發電機定子材質腐蝕的影響，結果如圖2和圖3所示。由圖2可見，在相對濕度80%的空氣環境中保持120 h后，無鹽碳鋼和硅鋼試片表面均呈現明亮光潔狀態，無明顯腐蝕情況。由圖3可見，涂覆鹽膜的碳鋼和硅鋼試片實驗后均出現嚴重的腐蝕現象，碳鋼試片表面被一層暗紅色銹蝕產物包覆，硅鋼表現出較好的抗腐蝕性能，但是仍在邊緣處生成黃褐色銹蝕產物。可見，鹽分對碳鋼和硅鋼材質在大氣環境中的腐蝕具有明顯加速作用。

圖2 無鹽試片實驗后宏觀照片 Fig.2 Photos of the specimens without salt-coating after reaction

圖4為涂鹽碳鋼試片實驗后的SEM表征結果。由圖4可見，碳鋼試片表面生成疏松多孔的銹蝕產物，呈現雜亂無序的堆積形態。

圖4 涂鹽碳鋼試片實驗后SEM照片 Fig.4 SEM image of the salt-coated carbon steel specimen after experiment

采用EDS對實驗后碳鋼試片表面銹蝕產物進行元素分析，結果見表2。由表2可見，碳鋼試片表面銹蝕產物主要有O、Na、Cl、Fe 4種元素構成，其中Na和Cl元素為涂覆的鹽膜，由此可知腐蝕產物主要為鐵氧化物。郭明曉等[11]在模擬碳鋼在海洋大氣環境中的腐蝕行為中提出，碳鋼在薄液膜下會發生基體陽極溶解和溶解氧陰極還原的腐蝕過程，形成Fe(OH)2水解產物層，隨后在空氣中轉化生成疏松、有大量孔洞的銹層結構，這與本文表征結果一致。

表2 涂鹽碳鋼試片實驗后EDS分析結果 w/% Tab.2 EDS analysis result of the salt-coated carbon steel specimen after experiment

圖5為碳鋼試片實驗后腐蝕產物的XRD表征結果。由圖5可見，XRD譜圖在2θ=25.2°、32.2°、34.1°、40.8°、50.3°、54.2°附近檢測到歸屬于Fe2O3的特征衍射峰[12]，同時在2θ=18.2°、30.1°、36.8°、43.6°附近檢測到歸屬于Fe3O4的特征衍射峰[13]。根據衍射峰強度得知，腐蝕產物主要為Fe2O3。

圖5 涂鹽碳鋼試片實驗后XRD譜圖 Fig.5 XRD spectrum of the salt-coated carbon steel specimen after experiment

金屬停用腐蝕的主要誘因是凝結水和氧氣，當鹽分沉積于金屬表面，尤其是腐蝕性陰離子，促進了碳鋼和合金鋼點蝕誘發及初期發展，并降低金屬的點蝕電位，顯著加快了金屬的腐蝕速度[14-15]。這就解釋了本文研究中碳鋼和硅鋼材質在模擬的高鹽霧、高濕度環境中發生嚴重腐蝕的原因。

1.2.2 充氮作用

氮氣環境中發電機定子材質的腐蝕情況實驗結果如圖6所示。實驗過程保持氮氣純度大于98%，系統內相對濕度為80%。由圖6可見，實驗后碳鋼和硅鋼試片表面呈現明亮的金屬光澤，僅在試片部分區域殘留白色的鹽膜，整體無明顯腐蝕跡象。對比圖3可知，在高鹽分沉積和高濕度環境下，采用氮氣置換空氣可有效抑制發電機定子的腐蝕。氧氣是金屬停用腐蝕的必要因素之一，采用充氮方法降低系統內的氧體積分數或完全排除系統內氧氣，利用氮氣的惰性特質對金屬進行保護，可有效抑制停用腐蝕的發生[16-17]。

圖6 氮氣環境中涂鹽試片實驗后宏觀照片 Fig.4 Photos of the salt-coated specimens after experiment in N2 atmosphere

2 定子絕緣防護技術應用實例

2.1 出現問題

神華（福州）羅源灣港電有限公司百萬千瓦機組停運過程中發電機定子的絕緣電阻（60 s，1 000 V）監測情況見表3。

表3 發電機定子絕緣電阻監測值 單位：MΩ Tab.3 The monitoring value of generator stator insulation resistance

由表3可見，停機初期發電機定子絕緣電阻值高達2 500 MΩ，隨著停用時間的延長，絕緣電阻值持續降低，到2020年5月降至58 MΩ，降低了97%以上，已經低于發電機定子絕緣電阻合格標準 （80 MΩ），必須采取措施改善。

2.2 保養系統設計

為了有效避免機組停運過程中發電機定子的腐蝕和絕緣電阻降低問題，設計了圖7所示充氮保養系統，并進行了工業試驗。該充氮保養系統由制氮系統、循環系統、除濕系統、加熱系統、監測及控制系統構成。具有以下技術特點：1）可自產氮氣，且氮氣產量滿足保養要求；2）保養系統可自動運行，有效降低運行維護人員工作量；3）保養系統具有除濕、加熱功能，將定子內已有的濕氣去除，并在定子設備溫度低于存放要求下限（5 ℃）的情況下對定子進行加熱。

圖7 充氮保養系統示意 Fig.7 Schematic diagram of the nitrogen filling maintenance system

2.3 工業試驗結果

圖8為神華（福州）羅源灣港電有限公司發電機定子采用充氮保養系統后相對濕度、氮氣純度的變化趨勢。當地大氣的相對濕度約為73%。

圖8 相對濕度和氮氣純度變化趨勢 Fig.8 Change trends of the relative humidity and nitrogen purity

由圖8可見：充氮保養系統投運后，定子內部濕度開始快速降低，充氮113 h后，定子內氮氣濕度降至5%以下（達到濕度計檢測下限）；定子內氮氣純度在充氮保養系統投運后快速上升，41 h后氮氣純度達到98.8%并保持穩定，達到了抑制碳鋼和硅鋼材質停用腐蝕防護的要求。

圖9為充氮保養系統投運前后發電機定子絕緣電阻的變化情況。由圖9可見，當充氮保養系統投運78 h后，發電機定子絕緣電阻迅速升至468 MΩ，絕緣電阻值隨著保養時間的延長持續增長，218 h后達到1 370 MΩ。這與定子內相對濕度的變化趨勢剛好相反，即隨著定子內相對濕度的降低絕緣電阻增大。環境中的水分是影響發電機定子絕緣電阻的重要因素之一，在高濕度鹽霧環境下，鹽分逐漸附著于發電機定子絕緣表面，使得絕緣表面吸濕性進一步增強，導致定子絕緣電阻降低。因此，采用合理的除濕工藝是抑制機組停運過程中發電機定子絕緣電阻降低的最有效方法。

圖9 發電機定子充氮前后絕緣電阻變化情況 Fig.9 Variation of insulation resistance of the generator stator before and after nitrogen filling

工業試驗過程中，向定子內部分別懸掛碳鋼和硅鋼腐蝕指示片，試驗過程始終保持定子內氮氣純度大于98%、相對濕度低于5%。停用保護9個月后，試片宏觀照片如圖10所示。

圖10 工業試驗后試片照片 Fig.10 Photos of the specimens after industrial test

由圖10可見，碳鋼和硅鋼試片光潔明亮，無明顯腐蝕現象，表明腐蝕防護效果良好。

3 結 論

1）發電機定子金屬組件表面鹽分的沉積，顯著加快金屬的停用腐蝕速度。采用充氮法排除定子內的氧氣，能夠有效抑制金屬腐蝕的發生。

2）環境中的水分是影響發電機定子絕緣電阻的重要因素之一。在高濕度鹽霧環境下，鹽分附著于發電機定子絕緣表面，使得絕緣表面吸濕性進一步增強，導致定子絕緣電阻下降。通過降低環境濕度，能夠有效提高發電機定子絕緣電阻。

3）在鹽霧環境下，充氮和降低環境濕度可有效保護發電機定子。該技術一方面可抑制發電機定子金屬組件的腐蝕，另一方面可防止發電機定子受環境水分影響造成的絕緣值降低。