陳浩，張彥軍，郝文海，喬欣，謝利明

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.包頭供電局，內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

電力金具起著連接和固定裸導(dǎo)線、導(dǎo)體及絕緣子，傳遞機(jī)械載荷、電氣負(fù)荷的重要作用，通常安裝在戶外，服役環(huán)境比較惡劣，因此腐蝕銹蝕不可避免[1-2]。一旦金具提前腐蝕失效，將造成連接線路斷開或掉落，引起停電跳閘事故，因此金具腐蝕防護(hù)層的可靠性對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

運(yùn)維檢修人員在某220 kV變電站巡檢過程中發(fā)現(xiàn)多支母線懸吊復(fù)合絕緣子高壓側(cè)連接金具銹蝕嚴(yán)重。該變電站為老舊變電站，目前已投運(yùn)33年，位于電解鋁工業(yè)園區(qū)內(nèi)，屬于重工業(yè)污染區(qū)，復(fù)合絕緣子連接金具材質(zhì)為Q235B碳素結(jié)構(gòu)半鎮(zhèn)靜鋼，表面采用熱浸鍍鋅處理。本文對腐蝕損傷的復(fù)合絕緣子連接金具進(jìn)行檢驗(yàn)分析，以找出腐蝕原因，避免同類失效問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

對腐蝕損傷的復(fù)合絕緣子連接金具進(jìn)行宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)絕緣子高壓側(cè)聯(lián)板及直角掛板銹蝕嚴(yán)重，其中聯(lián)板表面鍍鋅層已完全脫落，直角掛板及其連接螺栓大部分區(qū)域鍍鋅層已脫落，銹層表面呈麻坑狀，腐蝕產(chǎn)物為紅褐色，而低壓側(cè)連接金具及高壓側(cè)雙聯(lián)碗頭掛板、連接螺栓鍍鋅層則相對完好，未見明顯銹蝕。此外，復(fù)合絕緣子連接金具未見明顯機(jī)械損傷及塑性變形，如圖1所示。

圖1 腐蝕復(fù)合絕緣子連接金具宏觀形貌

1.2 金相分析

對腐蝕損傷的復(fù)合絕緣子連接金具取樣進(jìn)行金相顯微組織分析，腐蝕的復(fù)合絕緣子連接金具微觀組織形貌如圖2所示?？梢钥闯?，聯(lián)板、直角掛板及連接螺母的組織均為塊狀鐵素體+少量沿晶分布的珠光體，未見異常組織；此外，與聯(lián)板和U形掛環(huán)相比，連接螺母的晶粒尺寸更細(xì)小。

圖2 腐蝕復(fù)合絕緣子連接金具微觀組織形貌

1.3 化學(xué)成分分析

采用火花放電原子發(fā)射光譜法對腐蝕損傷較為嚴(yán)重的聯(lián)板取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表1。結(jié)果表明，聯(lián)板中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對Q235B材質(zhì)的要求[3]。

表1 腐蝕損傷的聯(lián)板各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.4 腐蝕產(chǎn)物形貌及能譜分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對腐蝕損傷的復(fù)合絕緣子連接金具腐蝕產(chǎn)物微觀形貌進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，銹蝕的連接金具表面腐蝕產(chǎn)物較致密，其中，聯(lián)板表面存在眾多大小不一的球狀顆粒，直角掛板表面腐蝕產(chǎn)物呈塊狀并伴有球狀顆粒，連接螺母表面腐蝕產(chǎn)物呈片層狀。

圖3 腐蝕損傷的復(fù)合絕緣子連接金具表面腐蝕產(chǎn)物SEM形貌

利用能譜分析儀（EDS）對腐蝕損傷的復(fù)合絕緣子連接金具腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，檢測結(jié)果如圖4—圖6及表2所示?？梢钥闯?，絕緣子金具腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物和硫酸鹽，金具表面的硅和鈣主要以氧化硅和氧化鈣的形式存在，應(yīng)為砂石吸附在其表面所致。

表2 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 %

圖4 聯(lián)板腐蝕產(chǎn)物EDS分析譜圖

圖6 連接螺母腐蝕產(chǎn)物EDS分析譜圖

2 腐蝕機(jī)理分析

由于電力金具的腐蝕在本質(zhì)上可以看做是電化學(xué)腐蝕，金具表面熱浸鍍鋅層中的鋅電極電位較低，因此會先于鐵基體發(fā)生腐蝕。當(dāng)雨水、雪水或潮氣吸附于鍍鋅層表面形成薄液膜時，即構(gòu)成了電解液環(huán)境，將發(fā)生如下的微觀腐蝕電池反應(yīng)[4-7]。

在鋅層表面缺陷處，陽極的鋅不斷溶解，形成大量肉眼可見的小孔，而陰極則發(fā)生氧的去極化反應(yīng)。具體反應(yīng)如下：

圖5 直角掛板腐蝕產(chǎn)物EDS分析譜圖

若大氣未被污染，酸性介質(zhì)含量較低，因腐蝕產(chǎn)生的氫氧化鋅、氧化鋅、碳酸鋅等化合物，將進(jìn)一步反應(yīng)生成堿式碳酸鋅，并以沉淀的形式析出形成難溶于水的致密薄膜，可有效阻止水分滲入鋅層，減緩后續(xù)腐蝕反應(yīng)的發(fā)生，起到自我保護(hù)的效果。

該220 kV變電站位于電解鋁工業(yè)園區(qū)內(nèi)，因生產(chǎn)電解鋁而排放的廢氣和煙塵造成變電站周邊空氣中二氧化硫含量偏高，對金屬材料的腐蝕性極強(qiáng)?？諝庵卸趸虻娜芙饧把趸^程可生成大量的H+，導(dǎo)致鍍鋅層表面液化膜的酸化。一方面作為去極化劑參與陰極反應(yīng)，可加快陽極鋅的溶解；另一方面，在酸性環(huán)境中，原本較致密的堿式碳酸鋅保護(hù)膜可與硫反應(yīng)生成硫酸鋅[8-9]，反應(yīng)式如下：

Zn（OH）2ZnCO3+2SO2+O2→2ZnSO4+H2O+CO2↑。（4）

硫酸鋅為水溶性鹽，極易被雨水、雪水沖走，從而導(dǎo)致金具表面鍍鋅層的快速消耗。一旦金具失去了防腐鍍層的保護(hù)，暴露在大氣中的鐵基體將快速腐蝕，形成大面積的點(diǎn)蝕坑，若其腐蝕減薄量過大，就會直接影響連接金具的承載能力。

此外，復(fù)合絕緣子連接金具中聯(lián)板和直角掛板表面銹蝕嚴(yán)重，鍍鋅層已完全脫落，但處在相同運(yùn)行工況下的低壓側(cè)連接金具和高壓側(cè)雙聯(lián)碗頭掛板、連接螺栓鍍鋅防護(hù)層保存相對完好，說明聯(lián)板和直角掛板的鍍鋅層質(zhì)量較差，防腐能力嚴(yán)重不足，在一定程度上加劇了其腐蝕損傷程度。

3 結(jié)論和建議

3.1 腐蝕原因

綜上分析可知，本次220 kV變電站母線懸掛絕緣子連接金具銹蝕主要源于以下兩方面：

（1）復(fù)合絕緣子高壓側(cè)連接金具表層鍍鋅層質(zhì)量較差，導(dǎo)致其耐蝕性能無法滿足服役環(huán)境的腐蝕工況；

（2）變電站位于電解鋁工業(yè)園區(qū)內(nèi)，多年來因工業(yè)生產(chǎn)所排放的煙氣及粉塵使得周邊空氣中二氧化硫等腐蝕性氣體含量較高，造成金具鍍鋅層提前失效，導(dǎo)致暴露在強(qiáng)腐蝕性大氣環(huán)境中的鐵基體快速腐蝕損傷并出現(xiàn)大面積點(diǎn)蝕坑。

3.2 處理建議

基于造成該變電站母線懸掛絕緣子高壓側(cè)連接金具銹蝕的主要原因，提出如下建議。

（1）對同批次在役復(fù)合絕緣子高壓側(cè)連接金具進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)銹蝕損傷嚴(yán)重的應(yīng)及時更換。

（2）金具安裝前應(yīng)加強(qiáng)鍍鋅層質(zhì)量的檢測力度，在滿足尺寸精度的前提下，盡量增加鍍鋅層厚度，以避免類似腐蝕失效再次發(fā)生。

（3）在典型的重工業(yè)污染區(qū)，可以考慮使用抗硫化腐蝕能力更強(qiáng)的鋁鋅合金或鋁鋅合金作為腐蝕防護(hù)層[10-11]。