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(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，合肥 230061；3.安徽大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 230601)

0 引 言

鋁合金憑借較低的密度、較高的比強度、良好的導(dǎo)電性和成型性、較低的成本等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。在電力工業(yè)領(lǐng)域使用的鋁以及鋁合金制品主要包括各類導(dǎo)線和金具。

某220 kV變電站位于皖中地區(qū)，2009年4月投運，編號4W39間隔有兩組不同型號的隔離開關(guān)，每組隔離開關(guān)有三塊引流板。2016年8月17日14時，巡檢人員發(fā)現(xiàn)母線側(cè)隔離開關(guān)A相引流板的溫度比線路側(cè)A相引流板的高約16 ℃，其最高溫度可達(dá)117 ℃，超過最高允許值2 ℃，而此前兩處引流板溫度差異不大。母線側(cè)隔離開關(guān)引流板尺寸為16 mm×125 mm×220 mm，兩端分別配孔4個和6個。斷電后拆下，發(fā)現(xiàn)母線側(cè)三塊引流板表面均發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，鍍銀層脫落。通過鍍鋅螺栓螺母與腐蝕引流板相連的Al-Si合金線夾未發(fā)生腐蝕，線路側(cè)隔離開關(guān)引流板為6061鋁合金，也未見腐蝕。母線側(cè)A，B，C相三塊引流板材料均為Al-Mg-Cu合金，表面鍍銀。為了找到母線側(cè)隔離開關(guān)引流板腐蝕的原因，作者對其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀腐蝕形貌

由圖1(a)可見：引流板表面發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，表面被灰色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕產(chǎn)物具有層狀特征，從顏色判斷應(yīng)主要為鋁的氫氧化物或氧化物；B相引流板表面有少量干結(jié)青苔，表明該引流板曾經(jīng)長期處于濕潤環(huán)境。由圖1(b)可見，與線夾相連部分(圖中上部)輕度腐蝕，而與樁頭相連部分(圖中下部)由于接觸腐蝕性介質(zhì)較少，僅發(fā)生輕微腐蝕。

1.2 化學(xué)成分

采用SPECTROTEST型光譜儀對腐蝕引流板進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可知：發(fā)生腐蝕的引流板材料為Al-Mg-Cu合金，依據(jù)GB/T 3190-2008判斷，其成分接近牌號2A12鋁合金的，但是銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指標(biāo)。

圖1 A相和B相引流板宏觀腐蝕形貌Fig.1 Macroscopic corrosion morphology of the A- and B-phase drainage plates: (a) front panel and (b) rear panel

條件SiFeCuMnMgTiNiZnAl測試值0.1610.2025.640.601.510.045--余GB/T3190-2008≤0.50≤0.503.8～4.90.3～0.91.2～1.8≤0.15≤0.10≤0.30余

1.3 腐蝕產(chǎn)物形貌及組成

用硬毛刷將引流板表面的腐蝕產(chǎn)物刮下，采用X′Pert Powder型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析。由圖2可知，腐蝕產(chǎn)物中含有Al(OH)3和鋁。使用K值法計算可得Al(OH)3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52.7%，鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.3%?？紤]到Al-Mg-Cu合金不可能被硬毛刷刮下，因此，鋁必然是腐蝕發(fā)生后從基體上剝落的。

圖2 引流板表面腐蝕產(chǎn)物的XRD譜Fig.2 XRD pattern of corrosion products on surface of thedrainage plate

使用FEI Sirion 200型場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)及附帶的能譜儀(EDS)對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌觀察和成分分析。由圖3可見，腐蝕產(chǎn)物由粒徑在2～8 μm和粒徑小于微米量級的顆粒構(gòu)成，呈疏松狀態(tài)。

圖3 引流板表面腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌Fig.3 SEM photograph of corrosion products on surfaceof the drainage plate

由表2可見，引流板表面的腐蝕產(chǎn)物除了含有母材所含有的鋁、銅、鋅(鍍鋅緊固件鋅層溶解產(chǎn)物)元素之外，還含有原子分?jǐn)?shù)為0.77%的硫元素。

表2 腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results of corrosionproducts (atom) %

1.4 顯微組織及元素面掃描結(jié)果

在腐蝕引流板和備用新引流板(同一廠家同一批次產(chǎn)品，成分一致)上分別取樣，使用Keller試劑腐蝕后，用Axiovert 200 MAT型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖4可知：腐蝕引流板的顯微組織為α-Al+θ相(Al2Cu)+T相(Al12Mn2Cu)，同批次新引流板的顯微組織為α-Al+少量一次θ相。根據(jù)組織形態(tài)判斷，引流板的熱處理狀態(tài)為固溶態(tài)，腐蝕引流板中θ相的析出和粗化以及T相的出現(xiàn)應(yīng)是由電流熱效應(yīng)導(dǎo)致的[4]。

使用Zeiss ULTRA型掃描電鏡及附帶的能譜儀對腐蝕引流板試樣進(jìn)行形貌觀察和元素面掃描分析。由圖5可知，經(jīng)Keller試劑腐蝕后，第二相粒子浮凸于基體表面，腐蝕溝槽中殘留有θ相，腐蝕溝槽間有殘存的片層狀金屬鋁。該結(jié)果表明微觀上腐蝕主要圍繞著θ相進(jìn)行，腐蝕溝槽沿θ相向母材內(nèi)部擴(kuò)展。

圖4 腐蝕引流板和新引流板的顯微組織Fig.4 Microstructures of the corroded drainage plate (a) and the new drainage plate (b)

圖5 腐蝕引流板的SEM形貌及元素面掃描結(jié)果Fig.5 SEM morphology (a) and element mapping results (b-e) of the corroded drainage plate

圖6 腐蝕引流板和新引流板的極化曲線Fig.6 Polarization curves of the corroded and the new drainage plates

1.5 電化學(xué)腐蝕性能

在腐蝕引流板和新引流板上截取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣，從試樣背面引出電極，冷鑲嵌后用240#，500#，800#水磨砂紙依次打磨，再用W1金剛石研磨膏拋光后，在pH6.1的0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中靜置至開路電位穩(wěn)定，用IM6ex型電化學(xué)工作站進(jìn)行極化曲線測試。采用三電極法，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑片，工作電極為試樣，工作面積為10 mm×10 mm，掃描速率為0.01 V·s-1，室溫測試。由圖6可見：腐蝕引流板和新引流板試樣的極化曲線形狀大體相似，表明兩種試樣在模擬腐蝕溶液中具有相似的電化學(xué)行為；腐蝕引流板試樣的自腐蝕電位為-1.156 V，而新引流板試樣的自腐蝕電位為-1.101 V，自腐蝕電流密度則分別為7.76×10-6，4.098×10-6A·cm2。自腐蝕電位和自腐蝕電流密度均表明腐蝕引流板在Na2SO4溶液中的耐腐蝕性能弱于新引流板的。

測完極化曲線的試樣重新打磨拋光后，用IM6ex型電化學(xué)工作站進(jìn)行阻抗譜測試，采用三電極法，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑片，在pH6.1的0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中靜置至開路電位穩(wěn)定后，測試腐蝕引流板和新引流板的阻抗譜，阻抗譜測試初始電壓為-0.5 V，測試頻率范圍為10 mHz～100 kHz，正弦波交流激勵信號幅值為±5 mV。

由圖7可見，腐蝕引流板的高頻圓弧半徑小于新引流板的。高頻部分圓弧的半徑越大，說明電荷從金屬向介質(zhì)中轉(zhuǎn)移的阻抗越大，試樣的耐腐蝕性能越好，由此可見腐蝕引流板的耐腐蝕性能弱于新引流板的。

圖7 腐蝕引流板和新引流板的電化學(xué)阻抗譜Fig.7 Electrochemical impedance spectra of the corroded and the new drainage plates

2 腐蝕原因分析

適量銅元素的添加可提高鋁合金的屈服強度和抗拉強度，但也降低了鋁合金的耐腐蝕性能[5-6]，因此Al-Mg-Cu合金的耐腐蝕性能比Al-Si和Al-Mg-Si合金的差[7-9]。腐蝕引流板材料中的銅含量高于2A12鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，這對該引流板的耐腐蝕性能不利。

腐蝕產(chǎn)物含有硫元素，由此推測，硫化物是導(dǎo)致腐蝕發(fā)生的重要原因[6, 10]。該變電站靠近火力發(fā)電廠，電廠含硫排放物是腐蝕性介質(zhì)的可能來源。腐蝕產(chǎn)物中硫原子分?jǐn)?shù)達(dá)到0.77%，如此高的硫含量必然為多次酸雨累積所致。由腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌可見，腐蝕產(chǎn)物較疏松。疏松結(jié)構(gòu)的腐蝕產(chǎn)物易于蓄積腐蝕介質(zhì)，高濃度硫化物促進(jìn)了腐蝕的進(jìn)行。

由腐蝕引流板的SEM形貌可知，腐蝕主要圍繞著θ相進(jìn)行，θ相作為陰極在腐蝕過程中得以保留，基體α-Al作為陽極被氧化。疏松的腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，鍍銀層也因此而發(fā)生脫落，接觸面由銀-銀接觸變?yōu)殇X合金-氧化物-鋁合金接觸，接觸電阻增大。通流狀態(tài)下增大的接觸電阻產(chǎn)生了額外熱量，促進(jìn)了引流板組織的老化，θ相的析出和粗化導(dǎo)致Al-Mg-Cu合金耐腐蝕性能的進(jìn)一步降低。

3 結(jié)論與措施

(1) 腐蝕引流板材料為Al-Mg-Cu合金，耐腐蝕性能較差，在含硫的酸雨作用下發(fā)生腐蝕；電流的熱效應(yīng)導(dǎo)致引流板組織老化、耐腐蝕性能降低，促進(jìn)了腐蝕的進(jìn)行。

(2) 發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象后，某供電公司針對該站內(nèi)露天使用的鋁合金部件進(jìn)行了成分排查，對發(fā)生腐蝕的Al-Mg-Cu合金部件進(jìn)行了更換；目前電網(wǎng)企業(yè)關(guān)于金屬材料選用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)處于空白階段，應(yīng)加強對新采購鋁合金金具、戶外箱體以及傳動桿和管母線等部件成分的檢查，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失的情況下，相應(yīng)招標(biāo)技術(shù)規(guī)范中應(yīng)充分考慮金屬材料的耐腐蝕性能，并約束材料成分范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁儉,杜喜望,靳子惠,等. 加入Al-5Ti-B細(xì)化劑和Al-2Zr-Sc中間合金后鋁鋅鎂合金的組織和拉伸性能[J]. 機械工程材料, 2017, 41(1): 38-42.

[2] 王少華,馬志鋒, 劉惠, 等. 鋁鋅鎂銅鋯鈧合金型材的組織和性能[J]. 機械工程材料, 2014, 38(6):60-65.

[3] DESCHAMPS A, TEXIERB G, RINGEVAL S,etal. Influence of cooling rate on the precipitation microstructure in a medium strength Al-Zn-Mg alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2009, 501(1/2): 133-139.

[4] 劉春燕，邱義倫，王斌. 2A12鋁合金熱處理工藝研究[J]. 熱處理, 2008, 23(5):59-61.

[5] 王芝秀，李海，顧建華，等. Cu含量對Al-Mg-Si-Cu合金微觀組織和性能的影響[J]. 中國有色金屬學(xué)報, 2012, 22(12):3348-3355.

[6] 雷阿利,馮拉俊, 馬小菊. 幾種不同材料在含硫介質(zhì)中的腐蝕性[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報, 2007, 27(2):65-69.

[7] 李旭東,劉元海,劉治國,等. 預(yù)腐蝕7A09鋁合金腐蝕坑處萌生疲勞裂紋擴(kuò)展深度的估算[J]. 機械工程材料, 2017, 41(1): 25-29.

[8] 聶輝文,曾小玲,聶俊紅,等. 不同時效狀態(tài)下Al-Zn-Mg-Zr-Sc合金的應(yīng)力腐蝕行為[J]. 機械工程材料, 2016, 40(11): 98-102.

[9] KIMBERLI J A, SACHIN R S, PAUL N C,etal. Effect of prior corrosion on short crack behavior in 2024-T3 aluminum alloy[J]. Corrosion Science, 2008, 50(9): 2588-2595.

[10] 馬少華,回麗,許良,等. 空氣環(huán)境對預(yù)腐蝕2XXX系鋁合金疲勞性能的影響[J]. 機械工程材料, 2015, 39(3): 65-70.