0 前言

  随着电力建设的步伐加快，电网金属材料的使用量也大幅增加。与此同时，变电站暴露出愈来愈多的大气腐蚀问题，涉及到钢、铝、铜、锌及其合金等各种金属材料。其中，铝是电网中使用量最大的有色金属，具有较好的耐蚀性能，但服役于电网的输变电设备大多直接裸露于大气环境之中，受大气中腐蚀性介质的影响，铝及铝合金材料不断遭受侵蚀和破坏。

  特别是在高温、高湿、高盐分的海洋性大气环境中，铝及铝合金的腐蚀问题更加严重。铝及铝合金材料的腐蚀失效对运行中的输变电设备构成重大安全隐患，而有效的防腐蚀措施能够对输变电设备进行保护，延长设备的使用寿命，保障电网的健康、稳定运行。目前对变电站金属材料腐蚀问题的研究多集中在碳钢、镀锌钢和铜上，针对铝及铝合金材料的腐蚀研究相对较少。本文首先介绍了铝及铝合金材料在变电站中的应用，在此基础上总结了变电站铝及铝合金的大气腐蚀影响因素和常见的腐蚀部位。同时在实际腐蚀案例中分析了变电站铝及铝合金的腐蚀原因和腐蚀类型，并给出了一些腐蚀防护的建议，以期为相关工作的开展提供一定的参考。

  1 铝及铝合金在变电站中的应用

  铝及其合金具有质量轻、强度高、导电、导热能力强、塑性加工性能好、价格低廉等优点，作为导电体或结构材料在电网中得到了广泛地应用。一座高压 HGIS 和中压 GIS 装配方式的 500kV 变电站用铝量能达到 200 吨左右，这还不包括母线、设备外壳的用铝量。其中铝使用量较多的输变电设备有空心电抗器、断路器、电容器、互感器、避雷器、隔离刀闸、电力金具以及 GIS（气体绝缘全封闭组合电器）等，如表 1 所示。常用的铝及铝合金材料有纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝、铸造铝等几种，按其不同的电气性能和机械性能应用于输变电设备的不同部位。比如在高压隔离开关上，可用纯铝、锻铝做为导电零部件（导电板、导电管），防锈铝做结构件，硬铝做轴系零件，铸造铝做基座等 。

  2 铝及铝合金的大气腐蚀

  2.1 大气腐蚀影响因素

  铝及铝合金的大气腐蚀是一种特殊形式的电化学腐蚀，主要是材料与大气中的 H ₂ O、O ₂ 及腐蚀性介质联合作用而发生的电化学破坏。材料表面 H₂ O、O ₂ 的分布与含量受气候因素影响，包括大气的相对湿度、温度、日照时间、降雨等。其中大气相对湿度是影响铝合金腐蚀的一个非常重要的因素，铝的腐蚀临界相对湿度约在 70% ~ 80% 之间，当环境的相对湿度达到此值时，铝合金的腐蚀速率会迅速增加。腐蚀性介质主要来源于大气污染物，包括固体和气体两部分，固体污染物有灰尘、NaCl、ZnO 等，气体污染物有 S、C、N 等元素的气体。其中，氯离子（Cl - ） 沉积和二氧化硫 （SO ₂ ） 污染对铝及铝合金材料的腐蚀影响最大 。氯离子具有强烈的穿透性，能够吸附在铝材表面氧化膜的不完整或缺陷处，与氧化膜（主要成分为 Al（OH） ₃ ） 发生化学反应，导致氧化膜减薄，最终使金属基体发生腐蚀溶解，反应机制如下：

  二氧化硫极易溶于水形成亚硫酸，电离后使铝合金表面薄液膜呈酸性。酸性条件下，铝合金表面氧化膜容易被破坏，基体裸露发生腐蚀溶解，反应机制如下：

  2.2 常见腐蚀部位

  从相关文献报道和实际生产的检修记录来看，变电站内 GIS 穿墙套管、隔离刀闸和电流互感器导电管、设备线夹等铝制的零部件多有发生腐蚀现象。

  目前 GIS 生产厂家大多采用铝镁系合金或铝硅镁系铸铝合金生产穿墙套管。图 1 为 GIS 穿墙套管的腐蚀现场图，其腐蚀深度较浅，周边有大量白色腐蚀产物，呈现出明显的点蚀特征。点蚀的隐蔽性较强，但破坏性巨大，一旦腐蚀穿透套管壳体，可能导致气体的泄漏，进而危及到设备的安全运行。GIS 穿墙套管的腐蚀与密封挡板、封堵材料、表面涂漆以及雨水的浸入等因素密切相关。

  图 2 为电流互感器一次导电 U 型铝管外露部分发生腐蚀的现场图，图中可以看到铝合金材料出现了鼓包、开裂和剥落，是典型的铝合金剥蚀现象。剥蚀会导致材料强度和塑性的大幅下降，缩短材料使用寿命的同时埋下了重大安全隐患。研究表明，对铝合金剥蚀产生重要影响的因素有两个，即材料的晶间腐蚀敏感性和腐蚀产物所产生的内应力，在晶间腐蚀与内应力的协同作用下，拉长变形的扁平晶粒向外鼓起，使材料表面出现鼓包，并最终被一层一层地腐蚀剥开。

  导电杆是隔离刀闸的重要部件之一，一般多采用导电性能好、强度较高且重量轻的铝合金材料。但隔离刀闸的导电杆一直是变电站腐蚀的高发部位 ，甚至发生过导电杆直接腐蚀断裂的事故。图 3 中的铝合金导电杆出现了应力腐蚀开裂，这是材料在应力和腐蚀的共同作用下产生的失效现象，应力主要包括外加载荷，残余应力和腐蚀产物在局部产生的楔形力等。在海洋性环境下铝合金具有较高的应力腐蚀敏感性，所以相对于内陆地区，沿海地区隔离刀闸导电杆的腐蚀现象更为常见，腐蚀程度也更严重 。

  铜铝过渡设备线夹是利用钎料将铝板和铜板钎焊在一起的复杂结构，在实际运行环境下，水汽及腐蚀性介质容易在铜铝焊缝处的空隙、裂纹中聚集，形成电解液。又因为铝的电极电位比铜更负，两种金属构成宏电池，产生电偶电流，加速铝的腐蚀溶解。腐蚀在线夹表面生成腐蚀产物层，使其导电性能变差，接触电阻增加，导致温度升高，从而加剧线夹的腐蚀，严重时造成线夹的烧毁和断裂，如图 4 所示。

  3 腐蚀案例分析

  某 220kV 滨海变电站内六氟化硫电气设备的气体阀块出现较大范围的锈蚀，并有部分腐蚀产物剥落，如图 5 所示。为深入分析其发生腐蚀的原因，从气体阀块上截取腐蚀试样进行化学成分分析和腐蚀产物分析，并用扫描电镜观察其表面微观形貌。

  3.1 化学成分分析

  利用德国 Bruker 公司的 Quantax 400 能谱分析仪对腐蚀试样进行化学成分分析，结果见表 2。参照GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》，该气体阀块材质为铝合金，应属于 Al-Cu-Mg-Si 系，即2xxx 系铝合金的一种。

  3.2 表面微观形貌

  采用日本 Hitachi 公司 S-3700N 扫描电镜观察腐蚀试样的表面微观形貌。从图 6 中，能清晰地看到试样表面的蚀孔及其周边的白色腐蚀产物。当蚀孔逐渐变深，腐蚀行为发展到表层以下的高度定向的层状晶粒位置时，晶间腐蚀就会沿着平行于表面的狭长晶界发展。而 Al-Cu-Mg-Si 系铝合金的主要强化相为θ（CuAl 2 ） 相和 S（Al 2 CuMg） 相，θ 相和 S 相的电极电位差较大，存在着晶间腐蚀的倾向。如图 7 所示，观察到材料内部拉长而变形的晶粒，这是剥蚀发生的条件之一。在晶间腐蚀和腐蚀产物产生内应力的联合作用下，拉长变形的扁平晶粒向外鼓起，使材料表面生成鼓包，腐蚀开裂后与基体出现层状分离。

  3.3 腐蚀产物分析

  利用能谱仪分析试样表面腐蚀产物中的元素成分，结果如图 8 所示。同时利用德国 Bruker 公司 D8Advance 型 X- 射线衍射仪对腐蚀产物进行分析，并用 PCPDF 和 Jade 软件进行 X 射线衍射结果的标定，结果如图 9 所示。综合 EDS 和 XRD 分析的结果可知，铝合金阀块的主要腐蚀产物为 Al（OH） 3 和 AlOOH，而氯元素和硫元素以一定的比例存在，表明变电站大气环境中含有氯离子和硫化物。它们在材料表面沉降溶解，导致基体发生腐蚀，生成腐蚀产物，是影响铝合金大气腐蚀的主要因素，这与前文的分析是一致的。

  4 腐蚀防护对策

  变电站铝及铝合金材料的腐蚀愈发严重，迫切需要一套符合变电站自身特点的腐蚀防护体系来最大限度地降低腐蚀可能带来的损失。但这是一项复杂的系统工程，需要综合考虑各方面的影响，比如在变电站设计阶段就要开展选址、选材、结构设计以及环境评价等工作。在这里仅从选材、结构设计以及涂层保护简要介绍变电站铝及铝合金的腐蚀防护对策。

  4.1 正确的选材及结构设计

  材料的选择需要考虑环境条件、受力情况、设备历史使用情况、经济性等因素的影响，要有针对性、因地制宜地选择材料，才能取得理想的防腐效果。比如，输变电设备外壳和隔离刀闸导电杆在设计中不宜采用具有较强晶间腐蚀敏感性的 Al-Cu 系硬铝合金，包括 2xxx 系和 7xxx 系合金，可改用耐蚀性能较好的5xxx 和 6xxx 系合金。合理的结构设计对腐蚀的控制同样十分重要。在设计中考虑到可能出现的腐蚀形态，做好各种零部件材料的选配和绝缘：在容易出现缝隙的部位可以通过增加橡胶垫片或焊接等措施加以消除；若无法避免形成缝隙，应设计结构能妥善排流，以便出现沉积物时能及时清除；在设备线夹安装过程中控制螺栓的预紧力，或改变线夹与导线接触方式，消除可能发生的应力腐蚀等等。

  4.2 涂层保护

  表面涂漆仍是变电站金属材料最经济有效的防腐手段之一。变电站铝及铝合金材料应根据服役环境、设备结构、施工条件、经济效益等设计适用的防腐涂层体系。铝合金表面的涂层保护体系一般包括三层 ：第一层为转变层，起增加基材与底漆间的黏结和防腐作用；第二层是底漆，主要起防腐蚀作用；第三层为面漆，主要起耐紫外线、耐介质腐蚀以及装饰等作用。转变层可以通过阳极氧化法、稀土转化膜法、电沉积法、激光熔覆法等表面处理方法获得，不仅提高了铝及铝合金的耐蚀性能还能为所配套的底漆形成更容易黏附的表面。底漆和面漆则是在考虑腐蚀环境以及铝合金表面状态的基础之上进行选择的。比如在对主体材料为铝合金的 GIS 进行整体涂装时，底漆可以选择双组分环氧通用底漆或单组分环氧底漆，面漆可选用丙烯酸聚氨酯面漆，如果输变电设备服役于海洋性大气环境或高原大气环境中，就有必要采用耐候性更高的氟碳面漆。

  5 结语

  变电站铝及铝合金材料出现愈来愈多的腐蚀现象，常见的腐蚀部位包括 GIS 穿墙套管、电流互感器和隔离刀闸导电管、设备线夹等。腐蚀类型也多种多样，有点蚀、晶间腐蚀、剥蚀、电偶腐蚀以及应力腐蚀。因此，需要我们从服役环境的评价、选材和结构设计、防腐涂层的应用等方面入手，加强设计、建造、运行和检修等全过程的腐蚀防护工作，并做好腐蚀信息的整理和记录，同时深入开展变电站铝及铝合金的腐蚀机理研究，构建一整套适合变电站自身特点的腐蚀防护体系，为整个电网的安全、稳定、健康运行提供强有力的保障。