大氣腐蝕監測傳感器的研究與應用

潘建喬,吳 迪,余方召,胡家元,李博文,臺 闖,張 鵬,李延偉

(1. 國網浙江平湖市供電有限公司，平湖 314200； 2. 杭州意能電力技術有限公司，杭州 310014；3. 中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

電網系統是由變電站及輸配電線路組成的整體，其中的大部分設備為金屬材料制品，碳鋼、鍍鋅鋼、銅材、鋁材是電網線路、輸電線路塔材、緊固件和電力金具中常用的金屬材料。多數電網設備服役于戶外大氣環境中，設備材料常年遭受大氣環境的腐蝕影響，時常發生因腐蝕引起的設備損壞和安全事故。尤其我國東南部沿海地區是高溫、高濕、高含鹽量的海洋大氣環境，金屬部件在此環境中的腐蝕情況更加惡劣[1]，嚴重影響電網系統的安全、可靠運行。近年來，隨著電網規模的持續擴大和高服役年限設備的不斷增多，金屬部件的腐蝕問題已成為限制電網發展的突出問題。

金屬材料在大氣環境中的腐蝕行為及規律研究主要采用戶外大氣暴露試驗及室內加速試驗，然而，這種傳統試驗方法試驗周期長，試驗數據少，易產生大的誤差，且不能獲得腐蝕隨時間變化的過程信息，給大氣腐蝕研究帶來了一定的困難。大氣環境腐蝕檢測(ACM)技術作為一種新興檢測技術，已用于研究環境對材料的腐蝕作用[2-10]。ACM技術是基于腐蝕電化學中的電偶腐蝕原理設計的，利用兩種電位不同的金屬材料組成電偶腐蝕傳感器的兩組電極，傳感器與大氣環境構成腐蝕體系，當兩種金屬電極間有液膜產生時，就會形成腐蝕原電池，產生電偶腐蝕電流。通過高靈敏度電流計檢測得到的電偶腐蝕電流來反映材料在環境中的腐蝕狀態。ACM技術能夠實現連續自動監測，可獲得全周期內的腐蝕數據，為大氣腐蝕研究提供方便。在大氣腐蝕(薄液膜下)的電化學研究中已被認為是一種有效的研究工具[6-10]。現有的文獻大多是將ACM技術作為一種研究手段，重在研究材料在環境中的腐蝕行為，而對于傳感器本身開展的研究較少[11-12]。目前，傳感器在制備過程中的多項關鍵技術指標如電極表面積、電極間絕緣膜厚度等，仍依據經驗給出，缺少科學系統的研究及標準。本工作通過室內試驗和沈陽地區戶外大氣環境中的現場試驗，針對電極間絕緣膜厚度對傳感器測量效果的影響進行了研究，以期得出適用于長期戶外現場監測的傳感器的最佳絕緣膜厚度范圍，規范傳感器制作過程中的關鍵技術參數，為傳感器的制備提供指導。

1 試驗

1.1 傳感器的制備

試驗用雙電極原電池傳感器選用5A06鋁合金作為研究電極，2205不銹鋼材料作為對電極，單片電極暴露面積為20 mm×2.5 mm，每個傳感器使用8片電極，研究電極和對電極各4片，按照ACAC…順序排列，相鄰兩電極間用絕緣膜進行隔離，相同材料的電極用銅導線連接在一起，電極除測試面外其余部分采用環氧樹脂密封，如圖1所示。制備了3種絕緣膜厚度(0.35 mm、0.5 mm和0.8 mm)的雙電極原電池傳感器。

(a) 示意圖 (b) 實物圖圖1 雙電極電池的結構Fig. 1 The structural configuration of dual electrode galvanic cell: (a) schematic diagram; (b) picture of real product

1.2 鹽霧試驗

中性鹽霧環境腐蝕試驗在Q-fog鹽水噴霧試驗箱內進行，試驗過程參考GJB 150.11A-2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第十一部分：鹽霧試驗》。試驗溶液為(5±1)%(質量分數，下同)NaCl水溶液。周期噴霧復合腐蝕試驗過程以噴霧24 h、干燥24 h為一個周期，共進行2個周期。噴霧階段試驗箱溫度(35±2) ℃，沉降量1～3 mL/(80 cm2·h)，干燥階段溫度15～30 ℃，濕度50%以下。使用中國科學院金屬研究所研制的ACM-400大氣腐蝕測量儀進行ACM電流檢測[13]，測量精度為10-6mA，電流采集頻率為30 s/次。傳感器測量表面與水平面約成45°。每種傳感器設置3個平行試樣。同時用尺寸為50 mm×40 mm×4 mm的5A06鋁合金腐蝕試片驗證傳感器與腐蝕掛片的相關性，掛片取樣周期分別為4，8，16，24 h。每組測試設置3個平行試樣。試片腐蝕后進行腐蝕產物清洗、稱量、計算腐蝕失重。

1.3 現場測試

在國家沈陽大氣腐蝕試驗站進行現場測試，監測傳感器采用絕緣膜厚度為0.35 mm的Cu/Zn傳感器，Cu、Zn電極的有效面積均為2 cm2。監測開始于下午17∶00，到次日上午9∶00結束，歷經一夜，監測周期約為16 h，相鄰兩次數據采集時間間隔為1 min。

2 結果與討論

2.1 絕緣膜厚度對傳感器可靠性的影響

絕緣膜厚度是影響傳感器可靠性的關鍵因素。傳感器的制作需經過電極鑲嵌、表面研磨、拋光等過程，若絕緣膜厚度太小，則會增大制作中發生電極間短路的概率，增大廢品率；傳感器在使用過程中常常會有腐蝕產物或大氣中的固體顆粒堆積于測試表面，若絕緣膜厚度太小，同樣會增大傳感器使用中由于腐蝕產物等引起的電極間短路失效的概率。因此，絕緣膜不宜過薄。相反，若絕緣膜太厚，會由于輸出電流太小，而提高測量設備對測量精度的要求。根據經驗值，適宜的絕緣膜厚度為0.3～1 mm。

對絕緣膜厚度分別為0.35,0.5,0.8 mm的傳感器進行干濕交替鹽霧腐蝕測試。試驗結束后，用萬用表分別檢測傳感器在腐蝕產物清洗前后相鄰電極間的電學狀態。檢測結果顯示，腐蝕產物清洗前后，均未發現相鄰電極間有短路現象，傳感器各電學狀態均正常。表明這幾種傳感器均具有較高的可靠性，可用于大氣腐蝕監測工作。

2.2 絕緣膜厚度對傳感器敏感性的影響

由圖2可見：在整個試驗過程中3種傳感器測得腐蝕電流變化規律基本相同，腐蝕電流隨“濕潤-干燥”交替過程出現周期性變化特點。當環境發生轉變時，腐蝕電流可以隨著環境濕度的變化做出快速、連續的響應，表明傳感器可以很好地跟蹤環境變化引起的材料腐蝕效應變化情況，且具有較高的敏感性和很好的穩定性。

圖2 鹽霧腐蝕試驗過程中3種絕緣膜厚度傳感器的腐蝕電流監測結果Fig. 2 Corrosion current monitoring results of sensors with 3 thicknesses of insulation film during salt spray corrosion test

由圖3可見：在干燥階段，各傳感器穩定后的腐蝕電流約為10-4mA數量級，且腐蝕電流隨電極間絕緣膜厚度的增大而降低；在噴霧階段，傳感器穩定后的腐蝕電流為0.5～0.9 mA。噴霧階段與干燥階段不同，傳感器穩定后的腐蝕電流并非隨緣膜厚度的增大單調變化，而是呈拋物線型變化規律，在絕緣膜厚度為0.5 mm處出現極大值，最大腐蝕電流達到0.85 mA。這是傳感器有效測試面積和絕緣膜厚度綜合影響的結果，即傳感器有效測試面積越大，測試面上的有效電解質就越多，其腐蝕電流越高；而兩個相鄰異種金屬電極間隔越大，電子流過的路徑越長，電流越小。

圖3 3種絕緣膜厚度傳感器在不同鹽霧環境測試階段的腐蝕電流Fig. 3 Corrosion current of sensors with 3 thicknesses of insulation film in different salt spray environment test stages

以上測試結果表明，在不同的環境濕度條件下，傳感器的最佳絕緣膜厚度是不同的。在濕度較低的檢測環境中，絕緣膜厚度越小，傳感器的敏感性越好；而在濕度較高的檢測環境中，傳感器的敏感性在絕緣膜厚度為0.5 mm時較好。考慮到戶外大氣環境復雜多變，傳感器在使用過程中可能經歷雨、雪、風、霜等惡劣環境，適用于長期戶外現場檢測的傳感器的最佳絕緣膜厚度為0.3～0.5 mm。

2.3 傳感器與腐蝕掛片的相關性

由圖4可見：整個測試過程中腐蝕電流基本穩定，表明在噴霧階段材料的腐蝕速率相對恒定。

圖4 3種絕緣膜傳感器在噴霧階段測得的腐蝕電流變化曲線Fig. 4 Corrosion current change curves measured by sensors with 3 thicknesses of insulating film in the spray stage

根據腐蝕電流監測曲線，分別計算出4,8,16,24 h內的累積腐蝕電量Q和等效腐蝕失重量，并與腐蝕掛片測試結果進行對比，見圖5。

圖5 傳感器檢測結果與腐蝕掛片試驗結果對比Fig. 5 Comparison of sensor test results and corrosion coupon test results

由圖5可見：3種絕緣膜厚度傳感器的監測結果與腐蝕掛片檢測結果基本一致，均表現出腐蝕失重隨測試時間增加呈線性增長關系。表明這兩種測試方法測得結果具有很好的線性相關性。

2.4 現場測試

由圖6可見：腐蝕電流與環境溫度、環境濕度同步變化，受環境溫度和環境濕度共同作用的影響；且在被測環境濕度范圍內(35%～50%)，腐蝕速率受環境溫度影響更為明顯。環境溫度在日落后緩慢降低，濕度也隨之逐漸增大，腐蝕電流同步逐漸減低；進入深夜，溫度降到最低，此時腐蝕電流也達到最小值；清晨太陽升起，環境溫度回升，濕度緩慢下降，腐蝕電流出現快速上升，這是因為環境濕度的下降速度遠小于環境溫度的上升速度，在試驗結束時刻環境的溫度、濕度均處于相對較高的狀態，因此此刻腐蝕電流達到最大值。整個監測過程中腐蝕電流在nA級變化，大氣腐蝕性較弱。現場測試結果表明，ACM技術及傳感器可以很好地應用于戶外大氣環境的腐蝕監測和研究。

(a) RH-t

(b) T-t

(c) Iacm-t圖6 傳感器在大氣站現場的監測結果Fig. 6 Sensor test curves at atmospheric station

3 結論

(1) 雙電極原電池傳感器適用于長期戶外大氣環境腐蝕監測的最佳絕緣膜厚度為0.3～0.5 mm；

(2) 雙電極原電池傳感器與腐蝕掛片測得結果具有很好的線性相關性；

(3) 雙電極原電池傳感器具有較高的可靠性，能夠適應戶外大氣環境復雜多變的監測條件，可以很好地應用于戶外大氣環境的腐蝕監測和研究。