熱帶海島電氣設備金屬腐蝕因素與規(guī)律特點研究

邱劍洪，馬立紅，梁亞峰，程西，吳清川，李涵

（1.海南電網有限責任公司，?？?570100； 2.武漢大學電氣與自動化學院，武漢 430072）

引言

海南省西沙區(qū)某典型熱帶海島具有高溫、高濕、高鹽的環(huán)境特征[1-3]。前期調研表明，熱帶海島的工業(yè)產品、電氣設備服役環(huán)境嚴酷、戶內外環(huán)境條件、變化規(guī)律差異性巨大，設備失效問題突出。

當前中小獨立海島的供電模式主要為離網模式，離島供電核心主要為中小型微電網，一般依靠發(fā)電機和光伏發(fā)電等設備進行能源接納和供電。金屬材料大氣腐蝕直接影響電氣設備可靠運行和服役壽命[4,5]，受南海海洋氣候影響，空氣中含有大量的鹽類物質，導致設備金屬腐蝕問題嚴重，影響供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

服役于熱帶海島戶外的電氣設備存在大量金屬材料腐蝕問題，其空間分布、腐蝕狀態(tài)不均，局部區(qū)域設備失效情況較為嚴重。為保障服役電氣設備在熱帶海島環(huán)境下的安全可靠運行，針對某典型熱帶海島的不同地區(qū)設施服役環(huán)境和設備狀態(tài)進行檢測分析，針對不同設備工況條件和部署空間、材料、結構和狀態(tài)特征，圍繞獨特的熱帶海島環(huán)境特征進行綜合性設備-環(huán)境耐候性研究。

本文針對熱帶海島高溫、高濕、高鹽等復雜環(huán)境，對海島設備的腐蝕現(xiàn)狀進行調研分析，對設備服役環(huán)境腐蝕等級進行實際監(jiān)測，根據腐蝕等級結果提出相關防護建議?；诤u設備腐蝕現(xiàn)狀和環(huán)境等級，開展熱帶海島環(huán)境電氣設備性能狀態(tài)影響機制分析，重點分析多因素交互影響下的環(huán)境應力作用現(xiàn)象動態(tài)過程演化規(guī)律與理論機制，并提出針對熱帶海島電氣設備的金屬腐蝕防護技術要求與建議。

1 電氣設備的腐蝕現(xiàn)狀

海南省西沙區(qū)某典型熱帶海島四面環(huán)海、陸地面積??；終年高溫、高濕、高鹽，島上氣溫1 月最冷、平均氣溫23 ℃，6 月最熱、平均氣溫29 ℃，全年平均氣溫為26.5 ℃。島上日照時間長、紫外線強度高，雨量充沛，雨季為每年5 至6 月份、年降水量1 509.8 mm，屬典型熱帶海島型氣候。該氣候類型的環(huán)境空間差異性與狀態(tài)經時變化巨大，具有強非線性等顯著特征。受溫濕度、鹽霧、太陽輻照、大氣與海洋運動等環(huán)境因素交互影響，在連續(xù)變化的環(huán)境應力長期綜合作用下，島上服役的設施及電氣設備極易發(fā)生密封失效、潤濕滲透、腐蝕老化、漏電短路及機械損傷等現(xiàn)象，并進一步導致系統(tǒng)性能衰減與失效。

通過對海南省西沙區(qū)某典型熱帶海島服役電氣設備實地考察發(fā)現(xiàn)，電氣設備和設施相關部件存在大量局部腐蝕問題，設備或面臨系統(tǒng)性能衰減與失效等風險隱患，熱帶海島電氣設備的腐蝕現(xiàn)狀見表1。

表1 熱帶海島電氣設備的腐蝕現(xiàn)狀

1）柴油發(fā)電機組

柴油發(fā)電機組投運后腐蝕問題頻發(fā)，需要經常性維修，使用壽命僅有7~8 年，現(xiàn)場有7 臺機組有2 臺運行保障供電。已發(fā)現(xiàn)散熱器、發(fā)電機組繞組腐蝕嚴重，出現(xiàn)絕緣層燒焦現(xiàn)象。因散熱通風需求，發(fā)電機房腐蝕環(huán)境較為惡劣，開始時因電化學作用產生腐蝕，后因缸套受負荷的沖擊、振動，將已腐蝕的金屬層剝掉，露出的新金屬表面繼續(xù)受腐蝕，這個過程持續(xù)下去，同時工況條件下柴油發(fā)電機組溫濕度較高加劇腐蝕。

2）光伏發(fā)電設備

圖1 發(fā)電機繞組腐蝕

圖2 光伏板表面積灰嚴重

圖3 支架螺栓腐蝕

圖4 戶外箱變空調機組腐蝕

光伏組件因屋頂限制采用了平放設計，無法達到最優(yōu)采光效果，同時受島上四高環(huán)境影響，光伏組件表面積塵明顯，腐蝕主要集中在固定支架和螺栓，無專人管理和運維方案，光伏發(fā)電效率有受到影響。衰減和失效問題較為突出。對海南省西沙區(qū)某典型熱帶海島上的早期光-儲微網系統(tǒng)進行了失效調研，伏組件原有500 kW，因衰減、失效、拆除等僅剩約200 kW；儲能設計1 000 kWh，因衰減、失效等導致僅能達到約400 kWh。

熱帶海島氣候環(huán)境中含有的大量鹽粒子以及酸堿性物質會直接作用于光伏組件的表面。當前主流光伏組件玻璃蓋板多為低鐵鋼化壓花玻璃，雖然具有較好的耐蝕性，但長期處于高溫、高濕及鹽含量高的氣候環(huán)境中極易受到污染、變色和腐蝕的影響，降低光伏組件對太陽輻照的利用率，進而導致光電轉換效率下降。

3）變電站用戶外設備

戶外攝像頭及支架腐蝕嚴重，結構件支架連接處等部位出現(xiàn)大面積腐蝕，并集中于易積液部位、縫隙部位、異種金屬連接部位，故障較多。戶外箱式變壓器和環(huán)網柜均配有空調，空調室外機腐蝕嚴重，部分區(qū)域部件表面附著疑似鹽類沉積物，表面涂層老化嚴重出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。戶外金屬管道、閥門腐蝕狀態(tài)嚴重，部分法蘭連接部位螺栓缺少防護措施，可明顯觀察到全面腐蝕/電偶腐蝕現(xiàn)象?？梢哉J為熱帶海島環(huán)境環(huán)境鹽霧、濕度和溫度綜合形成的冷凝潤濕、防護措施不充分是造成各戶外設備失效的重要原因。

2 環(huán)境等級監(jiān)測與分析

根據ISA 71.04 標準，采用高純度無氧銅制備高精度腐蝕表征片，可以有效表征電氣設備服役環(huán)境主要腐蝕影響因素以及設備所處環(huán)境的腐蝕速率及等級，并根據測試結果提出有效的防護建議。

根據海島設備實際使用狀態(tài)，監(jiān)測點包括有戶外、常規(guī)戶內和密閉戶內場景。同時為了對比海南省西沙區(qū)典型熱帶海島與海南省市區(qū)常規(guī)戶外環(huán)境的區(qū)別，在?？谑袇^(qū)某變電站戶外也放置了樣片，共放置了6 處地點，環(huán)境腐蝕等級監(jiān)測點見表2。

表2 環(huán)境腐蝕等級監(jiān)測點

根據ISA-71.04 標準，對監(jiān)測片進行腐蝕分析，測試結果見表3。

表3 環(huán)境腐蝕等級監(jiān)測結果

根據環(huán)境腐蝕等級監(jiān)測結果可知，海南省某典型熱帶海島整體服役環(huán)境水平均處于GX 等級下，戶外環(huán)境腐蝕性極強，其腐蝕強度約為海南省?？谑袇^(qū)某變電站戶外環(huán)境的10 倍。發(fā)電機房、急救包室空氣內外對流，其內部腐蝕性強，其腐蝕強度約為海南省?？谑袇^(qū)某變電站戶外環(huán)境的3 倍。

在采用空調控溫，保持室內常溫，可以顯著降低內部環(huán)境的腐蝕性，但如不采取密閉或除鹽措施，空氣流動性較快導致其效果并不顯著。如此次監(jiān)測的發(fā)電機房，雖然有空調24 h 控溫，但其環(huán)境腐蝕性較高，強于?？谑袇^(qū)某變電站戶外條件。

設備所處環(huán)境氣體中含有較高濃度的鹽霧時，隨著鹽霧腐蝕時間延長，金屬材料極易發(fā)生腐蝕[6,7]，只有綜合采取空調控溫、空間密閉或者有效的除鹽措施，才能有效控制室內環(huán)境腐蝕程度，比如配電室等。

銅片在有鹽霧和無鹽霧試驗條件下的腐蝕量差異很大，在鹽霧條件下，銅片的腐蝕程度明顯比無鹽霧的濕熱試驗條件下重，而在無鹽霧條件下，隨著時間的延長，腐蝕產物量增加的極少。

由圖5 試驗關系結果說明，環(huán)境中鹽霧對設備設施的腐蝕影響程度最重，因此，應增加控制濕度及鹽霧凈化裝置系統(tǒng)，去除環(huán)境中的鹽霧以及控制環(huán)境濕度，通過改善運行環(huán)境的散熱通風技術，達到對運行環(huán)境優(yōu)化的目的。

圖5 不同試驗條件下銅片腐蝕量與試驗時間的關系

3 環(huán)境影響因素與規(guī)律特點

金屬在高溫潮濕的大氣環(huán)境下，且受海島鹽霧等影響，在吸附等作用下容易在金屬材料表面形成薄液膜；大氣腐蝕起始于材料表面生成電解質液膜在溶液/金屬界面發(fā)生電化學反應，這層薄液膜具有較強的氣體溶解性及擴散性，形成含有一定濃度氧及其他可溶性腐蝕氣體的腐蝕性電解液薄膜，對金屬造成腐蝕?？諝庵胁煌廴疚锝橘|能改變液膜化學性質，在溫濕度共同作用下液膜厚度、電解質濃度、pH 及溶液內反應活性物質的擴散速度等會發(fā)生改變，直接影響物質傳遞過程與腐蝕反應速度。沿海城市中空氣鹽霧濃度高，沉積鹽溶解/潮解形成電解質溶液，伴隨晝夜干濕循環(huán)液膜中的Cl-會達到較高的濃度，加劇腐蝕。了解環(huán)境因素對金屬材料大氣腐蝕規(guī)律的影響，對發(fā)電裝備、電網等設施金屬部件材料的壽命預測、選材和維護具有重要意義。

對于熱帶海島型氣候需特別關注環(huán)境溫度、濕度及鹽霧濃度（鹽沉積率）。在大氣腐蝕中海洋鹽霧粒子氯化物的影響是最常見的，暴露在海洋大氣中的金屬表面有細小鹽粒子的沉降。海洋大氣由于攜帶大量鹽霧粒子而具有較高的侵蝕性，能夠對金屬造成嚴重的影響作用，腐蝕性強弱依賴風向，風速和海岸線距離，海洋的風浪條件、離海面的高度等，這類大氣通過海風吹到金屬表面并沉積下來的氯化物顆粒進行表征。風浪較大的時候，海洋鹽霧發(fā)生量、遷移量、沉積量都會增大，金屬受腐蝕程度增加。海鹽粒子吸收空氣中的水分后很容易在金屬表面形成液膜，同時與其他腐蝕性介質相互影響引起腐蝕。當在海洋大氣中的鹽霧顆粒沉積在金屬表面，海鹽粒子會受溫濕度控制發(fā)生潮解產生電解質液膜，從而為電化學反應提供基礎的發(fā)生條件。鹽的沉積會使金屬表面液膜層的電解質增多，增大液膜的電導率，且因為氯離子有很強的穿透性和極化特性，大大加重金屬腐蝕。沉積鹽濃度、溫度及濕度等環(huán)境因素的變化會改變電解質液膜濃度、厚度及氧在溶液中的溶解度、擴散速度，進而改變（物質傳遞過程）腐蝕反應速率。據熱力學定律，鹽類水解產生的電解液濃度隨相對濕度升高而降低，成線性關系；鹽在水中的溶解度隨溫度的上升而上升，同時飽和溶液的密度及臨界潮解濕度降低。

熱帶海島典型大氣環(huán)境中，同時受空氣的相對濕度、光照、降雨、凝露等天氣因素的影響，相對濕度升高使海洋大氣腐蝕加劇，在季節(jié)或晝夜變化氣溫達到露點時尤為明顯。金屬表面發(fā)生電化學腐蝕的水膜層由于存在時間短，金屬表面的大氣腐蝕通常伴隨著干濕交替。在眾多環(huán)境因素中，相對濕度，溫度與沉積鹽量的共同作用會改變潮解液膜的狀態(tài)（濃度/厚度等）進而影響腐蝕反應，隨著環(huán)境體系的不斷變化，劇烈的溫/濕度變化會造成液膜短時間內迅速干燥或潮解；使得液膜的加速干燥過程中物質轉移速度加速，導致腐蝕速率上升。

4 金屬腐蝕防護技術與建議

熱帶海島復雜環(huán)境條件會加重金屬材料的腐蝕，對于影響設備安全運行的材料劣化現(xiàn)象，一半針對材料的服役環(huán)境進行優(yōu)化控制，降低熱帶海島環(huán)境下金屬材料腐蝕速率，并對材料本身進行新防腐工藝和成分的調整，提高材料的環(huán)境適應能力。根據當前熱帶海島典型環(huán)境特征、設備工況條件及腐蝕現(xiàn)狀，針對設備給出以下防腐工藝建議：

1）電氣設備外部螺栓、支架等金屬結構件可采用石墨烯環(huán)氧富鋅底漆80 μm+環(huán)氧中間漆160 μm +氟碳面漆80 μm，該涂層體系適用于C5 及以上海洋環(huán)境。施工過程中要確?？諝庀鄬穸炔淮笥?5 %，要做到均勻涂刷，杜絕產生流掛、漏刷現(xiàn)象，根據ISO 12944-7 的要求，由制造方具備專業(yè)資格的人員進行監(jiān)督和檢查打砂清理和涂漆工作，現(xiàn)場可進行涂層干膜厚度檢測、視覺檢查、附著力試驗、光澤度測試和涂漏點測試等。

2）加強電氣設備密封處理，使用耐候性密封部件，密封材料老化失效，極力避免由于密封失效導致的鹽霧入侵、凝露潤濕等現(xiàn)象。

3）不同結構間件接部位應極力做到避免不同金屬的直接接觸，防止異種金屬接觸造成的電偶腐蝕，施工過程應注意連接點涂層的完整性，避免機械損傷。焊接接頭及母材易產生內部應力、裂紋和氣孔等缺陷，后期服役過程容易出現(xiàn)滲漏等故障，可針對性增加防腐涂層厚度或采用復合材料、高分子材料進行補強。

4）對電氣設備的防護材質、機械結構等重要材料和部件，需根據實際使用情況可更換耐候性更好的不銹鋼材質及涂層，同時提高抗磨損能力。

5 結語

海南省西沙區(qū)某典型熱帶海島環(huán)境條件嚴酷，對電氣設備金屬材料和部件的腐蝕性極強，設備不同部件結構特征、材料屬性及局部環(huán)境狀態(tài)的空間差異性大。應針對性提出熱帶海島環(huán)境電氣設備不同環(huán)境等級、運行工況和部署空間部件的熱帶環(huán)境技術規(guī)范和耐久性評價標準，提升電氣設備密封性、防腐能力等耐候性能力，加強控溫、除濕、除鹽等環(huán)境控制策略方案，推進工業(yè)產品設備科學安全運維、實現(xiàn)健康高效服役。