缪春辉１,张 涛１,陈国宏１,王若民１,李坚林２,汤 泉３
(１．国网安徽省电力有限公司电力科学研究院,合肥 ２３０６０１;２．国网安徽省电力有限公司,合肥 ２３００６１;
３．安徽大学生命科学学院,合肥 ２３０６０１)
摘 要:研究了腐蚀后 AlＧMgＧCu合金引流板的显微组织、微区成分、电化学腐蚀性能以及腐蚀产物成分等,并与新引流板的进行了对比,分析了其腐蚀失效的原因.结果表明:AlＧMgＧCu合金引流板的腐蚀是由含硫的酸雨引起的,电流热效应导致引流板的组织老化,θ相的析出和粗化使引流板的耐腐蚀性能进一步降低.
关键词:AlＧMgＧCu合金;引流板;腐蚀
中图分类号:TG１７２．３ 文献标志码:B 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０５Ｇ００７８Ｇ０４
０ 引 言
铝合金凭借较低的密度、较高的比强度、良好的导电性和成型性、较低的成本等优点而得到了广泛应用[１Ｇ３].在电力工业领域使用的铝以及铝合金制品主要包括各类导线和金具.某２２０kV 变电站位于皖中地区,２００９年４月投运,编号４W３９间隔有两组不同型号的隔离开关,每组隔离开关有三块引流板.２０１６年８月１７日１４时,巡检人员发现母线侧隔离开关 A 相引流板的温度比线路侧 A 相引流板的高约１６ ℃,其最高温度可达１１７℃,超过最高允许值２℃,而此前两处引流板温度差异不大.母线侧隔离开关引流板尺寸为１６mm×１２５mm×２２０mm,两端分别配孔４个和６个.断电后拆下,发现母线侧三块引流板表面均发生严重腐蚀,镀银层脱落.通过镀锌螺栓螺母与腐蚀引流板相连的 AlＧSi合金线夹未发生腐蚀,线路侧隔离开关引流板为６０６１铝合金,也未见腐蚀.母线侧 A,B,C 相三块引流板材料均为 AlＧMgＧCu合金,表面镀银.为了找到母线侧隔离开关引流板腐蚀的原因,作者对其进行了失效分析.
１ 理化检验及结果
１．１ 宏观腐蚀形貌
由图１(a)可见:引流板表面发生严重腐蚀,表面被灰色腐蚀产物覆盖,腐蚀产物具有层状特征,从颜色判断应主要为铝的氢氧化物或氧化物;B 相引流板表面有少量干结青苔,表明该引流板曾经长期处于湿润环境.由 图１(b)可见,与线夹相连 部 分
(图中上部)轻度腐蚀,而与桩头相连部分(图中下部)由于接触腐蚀性介质较少,仅发生轻微腐蚀.
１．２ 化学成分
采用SPECTROTEST 型光谱仪对腐蚀引流板进行化学成分分析.由表１可知:发生腐蚀的引流板材料为 AlＧMgＧCu合金,依据 GB/T３１９０－２００８判断,其成分接近牌号２A１２铝合金的,但是铜质量分数高于标准规定指标.
１．３ 腐蚀产物形貌及组成
用硬毛刷将引流板表面的腐蚀产物刮下,采用X′PertPowder型 X射线衍射仪(XRD)进行物相分析.由图２可知,腐蚀产物中含有 Al(OH)３ 和铝.
使用 K 值 法 计 算 可 得 Al(OH)３ 的 质 量 分 数 为５２．７％,铝的质量分数为４７．３％.考虑到 AlＧMgＧCu合金不可能被硬毛刷刮下,因此,铝必然是腐蚀发生后从基体上剥落的.
使 用 FEI Sirion ２００ 型 场 发 射 扫 描 电 镜(FESEM)及附带的能谱仪(EDS)对腐蚀产物进行形貌观察和成分分析.由图３可见,腐蚀产物由粒径在２~８μm 和粒径小于微米量级的颗粒构成,呈疏松状态.
由表２可见,引流板表面的腐蚀产物除了含有母材所含有的铝、铜、锌(镀锌紧固件锌层溶解产物)元素之外,还含有原子分数为０．７７％的硫元素.
１．４ 显微组织及元素面扫描结果
在腐蚀引 流 板 和 备 用 新 引 流 板(同 一 厂 家 同一批次 产 品,成 分 一 致)上 分 别 取 样,使 用 Keller试剂腐蚀后,用 Axiovert２００ MAT 型光学显微镜观察显微 组 织.由 图 ４ 可 知:腐 蚀 引 流 板 的 显 微组织为αＧAl＋θ相(Al２Cu)＋T 相(Al１２Mn２Cu),同批次新引流板的显微组织为αＧAl＋少量一次θ相.根据组织形态判断,引流板的热处理状态为固溶态,腐蚀引流板中θ相的析出和粗化以及 T 相的出现应是由电流热效应导致的[４].
使用 ZeissULTRA 型扫描电镜及附带的能谱仪对腐蚀引流板试样进行形貌观察和元素面扫描分析.由图５可 知,经 Keller试 剂 腐 蚀 后,第 二 相粒子浮凸于基体表面,腐蚀沟槽中残留有θ相,腐蚀沟槽间有残存的片层状金属铝.该结果表明微
观上腐蚀主要围绕着θ相进行,腐蚀沟槽沿θ相向母材内部扩展.
１．５ 电化学腐蚀性能
在腐 蚀 引 流 板 和 新 引 流 板 上 截 取 尺 寸 为１０mm×１０mm×１０mm 的试样,从试样背面引出电极,冷镶嵌后用２４０＃ ,５００＃ ,８００＃ 水磨砂纸依次打磨,再用 W１金刚石研磨膏抛光后,在 pH６．１的０．１mol??L－１Na２SO４ 溶液中静置至开路电位稳定,用IM６ex型电化学工作站进行极化曲线测试.采用三电极法,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂片,工作电极为试样,工作面积为１０ mm×１０mm,扫描速率为０．０１V??s－１,室温测试.由图６可见:腐蚀引 流 板 和 新 引 流 板 试 样 的 极 化 曲 线 形状大体相似,表 明 两 种 试 样 在 模 拟 腐 蚀 溶 液 中 具有相似的电 化 学 行为;腐 蚀 引 流 板 试 样 的 自 腐 蚀电位为－１．１５６V,而新引流板试样的自腐蚀电位
为－１．１０１ V,自 腐 蚀 电 流 密 度 则 分 别 为 ７．７６×１０－６,４．０９８×１０－６ A??cm２.自腐蚀电位和自腐蚀电流密度均表明腐蚀引流板在 Na２SO４ 溶 液 中 的耐腐蚀性能弱于新引流板的.
测完 极 化 曲 线 的 试 样 重 新 打 磨 抛 光 后,用IM６ex型电化学工作站进行阻抗谱测试,采用三电极法,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂片,在pH６．１的０．１mol??L－１ Na２SO４ 溶液中静置至开路电位稳定后,测试腐蚀引流板和新引流板的阻抗谱,阻抗谱测试初始电压为－０．５V,测试频率范围为１０mHz~１００kHz,正弦波交流激励信号幅值为±５mV.
由图７可见,腐蚀引流板的高频圆弧半径小于新引流板的.高频部分圆弧的半径越大,说明电荷从金属向介质中转移的阻抗越大,试样的耐腐蚀性能越好,由此可见腐蚀引流板的耐腐蚀性能弱于新引流板的.
２ 腐蚀原因分析
适量铜元素的添加可提高铝合金的屈服强度和抗拉强度,但也降低了铝合金的耐腐蚀性能[５Ｇ６],因此AlＧMgＧCu合金的耐腐蚀性能比 AlＧSi和 AlＧMgＧSi合金的差[７Ｇ９].腐蚀引流板材料中的铜含量高于２A１２铝合金的标准指标,这对该引流板的耐腐蚀性能不利.
腐蚀产物含有硫元素,由此推测,硫化物是导致腐蚀发生的重要原因[６,１０].该变电站靠近火力发电厂,电厂含硫排放物是腐蚀性介质的可能来源.腐蚀产物中硫原子分数达到０．７７％,如此高的硫含量必然为多次酸雨累积所致.由腐蚀产物的 SEM 形貌可见,腐蚀产物较疏松.疏松结构的腐蚀产物易于蓄积腐蚀介质,高浓度硫化物促进了腐蚀的进行.
由腐蚀引流板的 SEM 形貌可知,腐蚀主要围绕着θ相进行,θ相作为阴极在腐蚀过程中得以保留,基体αＧAl作为阳极被氧化.疏松的腐蚀产物体积膨胀,镀银层也因此而发生脱落,接触面由银Ｇ银接触变为铝合金Ｇ氧化物Ｇ铝合金接触,接触电阻增大.通流状态下增大的接触电阻产生了额外热量,促进了引流板组织的老化,θ相的析出和粗化导致AlＧMgＧCu合金耐腐蚀性能的进一步降低.
３ 结论与措施
(１)腐蚀引流板材料为 AlＧMgＧCu合金,耐腐蚀性能较差,在含硫的酸雨作用下发生腐蚀;电流的热效应导致引流板组织老化、耐腐蚀性能降低,促进了腐蚀的进行.
(２)发现腐蚀现象后,某供电公司针对该站内露天使用的铝合金部件进行了成分排查,对发生腐蚀的 AlＧMgＧCu合金部件进行了更换;目前电网企业关于金属材料选用的技术标准处于空白阶段,应加强对新采购铝合金金具、户外箱体以及传动杆和管母线等部件成分的检查,在技术标准缺失的情况下,相应招标技术规范中应充分考虑金属材料的耐腐蚀性能,并约束材料成分范围.
