GIS 鋁合金法蘭腐蝕原因分析及防范措施

張榮輝

（深能安所固電力（加納）有限公司，廣東深圳 518031）

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）具有占地面積小、運行可靠性高、維護工作量小和不受外界環境條件影響等優點，特別適用于沿海、高原、污穢等地區。加納某燃機電廠所采用的戶外ZF9A-252 型氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）自2009 年投入運行以來性能總體穩定，工作狀態良好。但自2013 年以來，該設備鋁合金接地外殼連接法蘭陸續出現法蘭面鼓包、開裂和剝落等腐蝕現象。該腐蝕現象的出現可能帶來GIS 氣室漏氣，絕緣強度減低的隱患，對GIS 設備的安全運行帶來嚴重威脅。因此分析該現象發生的原因和找出具體應對措施對維護GIS 設備的安全性和可靠性具有重要意義。

本文通過對比不同部位的鋁合金連接法蘭腐蝕程度，結合相關理論分析，根據現場實際情況提出相應的防范措施和注意事項，以期減輕GIS 接地外殼連接法蘭的腐蝕程度，同時提高GIS 設備的運行可靠性，減少設備維護工作量。

1 GIS 鋁合金接地外殼連接法蘭腐蝕現象

加納某燃機電廠南臨幾內亞灣，距離海邊不足百米，各生產設備受熱帶海洋環境影響，設備腐蝕現象尤其嚴重。為提高設備可靠性和降低設備維護工作量，該廠選用國內某廠ZF9A-252 型戶外型體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）。該產品自投入運行以來性能總體較為穩定，工作狀態良好。但自2013 年以來，該設備鋁合金連接法蘭陸續出現鼓包、開裂和剝落等腐蝕現象。

經過2018 年10 月GIS 設備小修，現場共更換22塊腐蝕嚴重的接地外殼連接法蘭。經現場觀察和統計，GIS 鋁合金外殼發生腐蝕的部位均為接地外殼連接法蘭。各六氟化硫（SF6）氣室本體、隔離開關連接法蘭等部位均未發生明顯腐蝕現象。經過進一步總結，處于不同安裝位置的接地外殼連接法蘭腐蝕程度不一。部分接地外殼連接法蘭僅有鼓包或輕微腐蝕現象。腐蝕最為嚴重的部件為母線電壓互感器（PT）接地外殼連接法蘭和安裝位置處于迎風面的接地外殼連接法蘭。

母線電壓互感器（PT）接地外殼連接法蘭腐蝕處外觀圖片如圖1 所示，經拆解后發現2 條母線、16 只PT接地外殼連接法蘭均發生較為嚴重的腐蝕現象。腐蝕部位呈不規則環狀分布；法蘭內側圓周均發生較為嚴重腐蝕，腐蝕深度最深處約在4～5 mm 處，腐蝕特征均為坑蝕，腐蝕面積約占整個法蘭面的1/2，且個別法蘭的O 型圈安裝位置外側均已出現腐蝕現象，極易發生SF6氣體泄漏事故。

圖1 母線電壓互感器接地外殼連接法蘭外觀圖

安裝于迎風面處接地外殼連接法蘭如圖2 所示，該法蘭因鋁合金腐蝕導致外部漆皮鼓包、剝落。鋁合金腐蝕物外部呈灰白色粉末狀，內部呈灰白色層狀。腐蝕程度隨迎風面位置而發生變化。總體而言，無遮擋物處接地外殼連接法蘭腐蝕嚴重程度重于有遮擋處，背風面處接地外殼連接法蘭（圖3）腐蝕程度輕于迎風面處。

圖2 迎風面處接地外殼連接法蘭外觀圖

圖3 背風面處接地外殼連接法蘭外觀圖

與接地外殼連接法蘭相接觸的GIS 本體側法蘭及隔離開關連接法蘭，除表面涂層漆老化外，均未發生腐蝕現象。總體而言，接地外殼連接法蘭的分布位置均沿法蘭內側分布。相較于法蘭外側腐蝕程度，法蘭內側腐蝕程度更為嚴重。在沿圓周方向上，法蘭的分布位置無明顯特征。

2 鋁合金腐蝕因素和機理分析

與其他金屬材料相比，由于鋁合金材料在自然條件下表面會形成一層保護性氧化膜，故在大氣中有較好的耐腐蝕性。目前GIS 生產廠家殼體材料一般均采用鎂系合金或鋁硅鎂系鑄鋁合金，而這類合金耐點蝕性能比其他系鋁合金好[1]。通過查閱相關文獻，現場GIS 設備出現的大規模鋁合金腐蝕現象與交流電化學腐蝕和大氣腐蝕有關。

2.1 交流感應電化學腐蝕及機理分析

金屬處于電解質體系中在交流作用下可以誘導產生交流電化學腐蝕，交流腐蝕是在大小和方向變化的電場作用下進行的電化學過程，這個外施電場比起自然極化過程的內電場，在強度上要大得多。在電介質中的金屬結構，電流流入的部位，是陰極，不受腐蝕；在電流流出的部位是陽極，要遭受腐蝕。

交流腐蝕的必要條件：①必須有不同電極電位的兩電極；②兩電極必須有導線連接；③兩電極必須存在同一電解質體系中；④電極上帶有交流電位。

在電解質中的鋁合金表面缺陷部位，當交流電處于正半周波時，缺陷處為陽極，處于缺電子狀態；由于在電解質容易形成濃差極化，去極化作用使得金屬鋁原子失去電子形成陽離子進入溶液，溶液中的陰離子如氫氧根離子、氯離子等會向缺陷表面處富集，而鋁離子會與氫氧根離子結合形成膠體狀的氫氧化鋁。

當交流電處于負半周波時，缺陷處為陰極，處于富電子極，溶液中的陽離子向金屬表面移動，溶液中帶正電荷的氫離子在電場作用下遷移至金屬表面得到電子并生成氫氣。

電極反應如下

半波為正（陽）極時，Al-3e=Al3+；

半波為負（陰）極時，2H2O+2e=H2↑+2OH-。

一個交流周波在電極上2 種反應交替進行，逐漸造成鋁基上鋁原子的損失，宏觀上表象為鋁基體的腐蝕。隨著交流電化學腐蝕進程，溶液中鋁離子和氫氧根離子濃度逐漸增加，氫氧根離子濃度會使鋁基腐蝕電位下降及腐蝕區域附近氧化鋁鈍化膜的破壞，增大腐蝕區，同時在腐蝕表面會形成灰白色氫氧化鋁水合物的沉積物[1]。

2.2 大氣腐蝕及機理分析

鋁及鋁合金的大氣腐蝕是一種特殊形式的電化學腐蝕，主要是材料與大氣中的H2O、O2及腐蝕性介質聯合作用而發生的電化學破壞。材料表面H2O、O2的分布與含量受氣候因素影響，包括大氣的相對濕度、溫度、日照時間及降雨等。其中大氣相對濕度是影響鋁合金腐蝕的一個非常重要的因素，鋁的腐蝕臨界相對濕度約在70%～80%，當環境的相對濕度達到此值時，鋁合金的腐蝕速率會迅速增加。腐蝕性介質主要來源于大氣污染物，包括固體和氣體2 部分，固體污染物有灰塵、NaCl、ZnO 等，氣體污染物有S、C、N等元素的氣體。其中，氯離子（Cl-）沉積和二氧化硫（SO2）污染對鋁及鋁合金材料的腐蝕影響最大[2]。氯離子具有強烈的穿透性，能夠吸附在鋁材表面氧化膜的不完整或缺陷處，與氧化膜（主要成分為Al（OH）3）發生化學反應，導致氧化膜減薄，最終使金屬基體發生腐蝕溶解，反應機制如下

3 GIS 鋁合金接地外殼連接法蘭腐蝕原因分析

由文獻[3]可知，在GIS 外殼處，GIS 外殼受感應交流電流影響，接地外殼連接法蘭產生一定的環流，并產生交流感應電壓。從現場發現，該產品各六氟化硫（SF6）氣室本體、隔離開關連接法蘭均通過接地銅排實現多點接地，接地條件良好，均未發現有鋁合金腐蝕現象。但接地外殼連接法蘭除與接地外殼連接外，沒有通過專設的接地銅排進行良好接地。在接地外殼連接法蘭結合面密封膠的作用下，接地外殼連接法蘭接地效果不佳，因此接地外殼連接法蘭沿徑向有一定的感應電壓分布，呈現法蘭內側感應電壓高、外側感應電壓低的特征，而現場法蘭的腐蝕分布也呈現出內側腐蝕比外側腐蝕嚴重的特征，且最先發生腐蝕的部位處于法蘭內側，如圖3 所示。因此該現象也印證了交流感應電化學腐蝕對鋁合金造成的影響。

在現場GIS 設備的布置中，其他接地外殼連接法蘭安裝方式均為垂直安裝，但母線電壓互感器（PT）鋁合金接地外殼連接法蘭安裝方式為水平安裝。在自然雨水的作用下，法蘭與接地外殼之間的縫隙留存了一定的水分且無法快速排出，在某種原因下，鋁合金表面涂層損壞后，水分吸收空氣中的鹽霧，形成良好的導電溶液，連接法蘭鋁合金腐蝕現象開始發生。在交流感應電化學腐蝕的作用下，鋁合金法蘭內側加速腐蝕。內側受腐蝕部位的金屬基體變得低凹，同時疏松的氧化鋁腐蝕物又較好地保存了雨水，創造了較好的外部腐蝕條件，進一步加速了腐蝕的發生。所以母線電壓互感器（PT）鋁合金接地外殼連接法蘭腐蝕最為嚴重，且腐蝕部位沿法蘭內側呈環狀分布，腐蝕深度較深，如圖2 所示。

加納該燃機電廠南臨幾內亞灣，所處位置靠近赤道，終年高溫，年平均氣溫達26 ℃，常年有較為穩定的西南風。每年12 月至2 月有較為嚴重的哈馬丹天氣（一種嚴重的沙塵暴氣候）。經測量，電廠每日16 點至次日10 點之間相對濕度均超過70%。在穩定的西南風作用下，迎風面處接地外殼連接法蘭邊緣表面涂層率先受到磨損并暴露于潮濕的空氣中，在含有鹽霧的空氣中形成較好的微小導電溶液，經交流感應電化學腐蝕的作用下，腐蝕現象持續發生并逐漸加重。由于該處法蘭為垂直布置，雨水在重力的作用下自然排走，沒有形成較長時間、大面積的導電溶液。因此相比母線電壓互感器（PT）接地外殼連接法蘭腐蝕程度，該處接地外殼連接法蘭腐蝕程度較輕，但明顯嚴重于背風面處接地外殼連接法蘭。

4 防范措施與注意事項

4.1 對接地外殼連接法蘭進行良好接地

由以上分析可知，接地外殼連接法蘭普遍發生腐蝕現象的原因在于該法蘭沒有良好接地。因此對接地外殼連接法蘭進行良好接地，降低接地外殼連接法蘭感應電壓是阻止鋁合金發生腐蝕的重要措施。在檢修過程中，每塊法蘭均增加了4 塊紫銅接地連接板（寬×厚=60 mm×2 mm）。為保證紫銅板與已接地的GIS 殼體和連接法蘭良好接觸，在安裝時，利用砂紙磨去紫銅板表面氧化層，同時通過小刀將原鋁合金部件涂層刮去，直至露出鋁合金本色并涂抹導電膏。

4.2 接地外殼連接法蘭再次進行漆化處理

表面涂漆是金屬材料最經濟有效的防腐手段之一。盡管新購法蘭已噴有良好涂層，但考慮迎風面風沙對涂層的磨損作用，現場再次對鋁合金法蘭進行漆化處理。現場為法蘭表面涂刷雙組分環氧底漆后，再噴涂特氟龍850 防腐涂料。底漆主要起防腐蝕作用；面漆主要起耐紫外線、耐介質腐蝕、增厚防腐涂層等作用。在涂刷時應注意，在原廠家涂層遭到破壞的位置處應加強涂刷，以避免金屬基體裸露。在涂刷底漆前，待涂刷部位應保證表面干凈，無臟污。為避免接地連接板自身發生腐蝕，連接板也應做好防腐措施。

根據現場經驗，對于已經發生輕微腐蝕的連接法蘭，通過涂刷防腐涂料的方式也可以有效減緩鋁合金的腐蝕進程。但在涂刷防腐涂料前應確保原腐蝕物已清除干凈，否則發生腐蝕處依舊會發生涂層開裂，鋁合金基體鼓包、剝落的腐蝕現象。對于腐蝕嚴重的連接法蘭，應盡快進行更換處理，以免發生SF6氣壓降低，絕緣強度下降的后果。

此外，根據以上分析，現場還采取相關措施延緩鋁合金腐蝕的發生：①為避免雨水積聚于法蘭內側縫隙，在接地外殼連接法蘭和接地外殼之間涂抹防水膠。②為了減少風力對迎風面接地連接法蘭涂層的侵蝕作用，在受迎風面較大的間隔處增加擋墻以減少風力影響。

5 結束語

現場鋁合金接地外殼連接法蘭發生腐蝕的部位和嚴重程度較好地印證了鋁合金腐蝕的2 個主要因素。因此，采取措施降低連接法蘭內側的交流感應電壓和減少鋁合金與外界空氣的接觸對減緩鋁合金法蘭的腐蝕具有重要作用。在采取防腐措施方面，應從腐蝕原理出發，破壞腐蝕反應發生的條件。在腐蝕發生后，腐蝕位置應及時處理，否則腐蝕范圍和嚴重程度具有加速現象。介于海洋性環境的嚴重腐蝕性，為根除GIS 的腐蝕現象，提高相關設備的使用壽命，減少維護工作量，建議熱帶沿海地區GIS 采用戶內安裝方式。