臺(tái)闖

（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 材料環(huán)境腐蝕研究中心，沈陽 110016）

腐蝕是指材料受環(huán)境介質(zhì)的作用而發(fā)生破壞與變質(zhì)的現(xiàn)象。大多數(shù)情況下，金屬腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，腐蝕介質(zhì)在金屬表面形成各種微小的原電池，進(jìn)而產(chǎn)生銹蝕。例如在潮濕的空氣中，鋼材表面吸附一層極薄的水膜，通過水膜和微電池，鐵被氧化成鐵銹。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大氣中使用的鋼材約占生產(chǎn)總量的60%，自然環(huán)境腐蝕的損失在總損失中所占的比例最大，其中材料大氣環(huán)境腐蝕損失占總損失的 50%以上[1-2]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力的需求與日俱增。電力輸送網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著全國(guó)電力輸送任務(wù)，安全可靠的電力供應(yīng)非常重要，輸電設(shè)備、線路、金具等重要部件的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

通常，變電站起著變換電壓和分配電能的作用。變電站金屬構(gòu)件較多，材質(zhì)涉及銅材、碳鋼、鍍鋅鋼、不銹鋼、鋁材等。由于腐蝕，金屬構(gòu)件材料性能降低，影響設(shè)備可靠性。正常情況下，腐蝕程度與設(shè)備、裝置的使用、服役年限有關(guān)。有些部件腐蝕的位置是固定的，如螺栓的接觸部位[3]。

變電站大部分碳鋼構(gòu)件采用熱鍍鋅防腐。抱箍、槽鋼、螺栓這幾類金屬構(gòu)件防腐鍍鋅層易出現(xiàn)質(zhì)量問題。由于鍍鋅層厚度不夠，鍍層瑕疵，或在運(yùn)輸、安裝過程中造成的局部鍍鋅層破壞，使原本包覆在鐵外面起電化學(xué)保護(hù)作用的鍍鋅層過早失效，露出下面的鐵基體而加速腐蝕[4]。因此，根據(jù)我國(guó)大氣環(huán)境特征和典型材料的大氣腐蝕規(guī)律，開發(fā)快速檢測(cè)和評(píng)估電力設(shè)施大氣腐蝕強(qiáng)度的方法及設(shè)備迫在眉睫。

浙江湖州市某變電站變電設(shè)備的大氣腐蝕情況如圖1—圖4所示。設(shè)備的材質(zhì)主要是碳鋼，可以看到由于大氣腐蝕而裸露的紅銹。腐蝕會(huì)造成電流有效傳導(dǎo)面積減小或喪失，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度下降，嚴(yán)重威脅輸電線路安全運(yùn)行，增加設(shè)備非正常停工概率。

圖1 JDCF-110電壓互感器腐蝕狀況Fig.1 Corrosion of JDCF-110 voltage transformer

圖2 LCWB-110電流互感器腐蝕狀況Fig.2 Corrosion condition of LCWB-110 current transformer

圖3 手力操動(dòng)機(jī)構(gòu)-手柄腐蝕狀況Fig.3 Hand operating mechanism-handle corrosion

圖4 法蘭盤腐蝕狀況Fig.4 Corrosion of flange

1 理論依據(jù)

大氣腐蝕的環(huán)境影響因素很多，如溫度、濕度、降雨量、沉降量及離海岸距離和污染狀況等。可以通過兩種方法對(duì)某一地區(qū)的大氣腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)：一是對(duì)大氣腐蝕關(guān)鍵因素——潤(rùn)濕時(shí)間及二氧化硫和氯化物污染物水平的檢測(cè)；二是檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)金屬試片的第1年或10年的平均腐蝕速率。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將大氣的腐蝕性劃分為5個(gè)等級(jí)，規(guī)定了通過檢測(cè)潤(rùn)濕時(shí)間及二氧化硫和氯化物沉積量的檢測(cè)值對(duì)大氣腐蝕性的分級(jí)方法（GB/T 19292.1—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》）和二氧化硫、氯化物沉積量的檢測(cè)方法（GB/T 19292.3—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 污染物的測(cè)量》）；規(guī)定了根據(jù)碳鋼、鋅、銅和鋁1年的腐蝕速率評(píng)價(jià)腐蝕等級(jí)的方法（GB/T 19292.1—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》）和用標(biāo)準(zhǔn)試樣檢測(cè)腐蝕速率的方法（GB/T 19292.4—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 用于評(píng)估腐蝕性的標(biāo)準(zhǔn)試樣的腐蝕速率的測(cè)定》）[5-9]。

隨著工業(yè)的發(fā)展，大氣中污染成分越來越復(fù)雜，像氨（NH3）、氮氧化物（NOx）和硫化氫（H2S）等也會(huì)對(duì)金屬腐蝕有一定影響，實(shí)際上金屬的腐蝕是環(huán)境的諸多因素共同作用或協(xié)同作用的結(jié)果。因此，通過檢測(cè)金屬的腐蝕速率來劃分大氣腐蝕性等級(jí)更能客觀地反應(yīng)實(shí)際狀況。文中的研究及應(yīng)用背景基于浙江省電網(wǎng)所屬變電站大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)[10]。

2 大氣環(huán)境腐蝕分級(jí)原則

由于浙江省內(nèi)除沿海工業(yè)區(qū)外，環(huán)境因素沒有很大差別，腐蝕速率的差異不是很大，如果按 GB/T 19292.1—2003《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性分類》的方法劃分等級(jí)，很多地區(qū)會(huì)在同一等級(jí)下。因此，依據(jù)浙江電網(wǎng)提供的2012年度浙江省各區(qū)縣SO2和Cl-檢測(cè)數(shù)據(jù)，將國(guó)標(biāo)等級(jí)可能覆蓋最多的兩個(gè)等級(jí)細(xì)分，并按浙江省的環(huán)境特點(diǎn)，劃分了6個(gè)等級(jí)，見表1。

表1 與標(biāo)準(zhǔn)金屬腐蝕速率對(duì)應(yīng)的大氣腐蝕性等級(jí)Tab.1 Atmospheric corrosivity grade corresponding to standard metal corrosion rate

3 大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀功能設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)依據(jù)上述大氣腐蝕分級(jí)原則[11]，并根據(jù)浙江當(dāng)?shù)毓r條件，選擇測(cè)量的參數(shù)及功能。大氣腐蝕的影響因素很多，其中主要的有大氣的相對(duì)濕度、溫度、成分以及大氣中的污染物等，在個(gè)別重工業(yè)污染區(qū)，SO2影響最嚴(yán)重。大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀綜合考慮上述大氣腐蝕性影響因素，對(duì)大氣腐蝕主要影響因子（溫度、相對(duì)濕度、二氧化硫濃度、ACM 電流等四個(gè)關(guān)鍵影響因素）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)。

通過對(duì)比大氣腐蝕因子檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)而對(duì)被測(cè)大氣環(huán)境腐蝕等級(jí)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)。為輸變電系統(tǒng)在材料的選擇、腐蝕防護(hù)工作的開展、設(shè)備更新與維護(hù)方面提供重要的數(shù)據(jù)支持。

3.1 溫、濕度檢測(cè)傳感器

大氣溫、濕度檢測(cè)采用Sensirion公司的SHT7x系列產(chǎn)品。該傳感器將測(cè)溫模塊、濕度測(cè)量模塊集成在一塊微型電路板上，采用CMOSens?技術(shù)，直接輸出溫度和濕度數(shù)字信號(hào)，經(jīng)后續(xù)計(jì)算，轉(zhuǎn)換成可以顯示的溫濕度值。因此，該產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。溫度精度為±0.3 ℃，相對(duì)濕度精度為±1.8%。

該傳感器采用兩線制的串行接口及內(nèi)部的電壓調(diào)整模塊，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。

3.2 二氧化硫濃度檢測(cè)傳感器

大氣二氧化硫濃度檢測(cè)采用國(guó)產(chǎn) ME3-SO2型氣體傳感器。該傳感器根據(jù)電化學(xué)原理，利用被測(cè)氣體在傳感器工作電極和對(duì)電極上發(fā)生相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)，并釋放電荷，通過外電路形成電流，電流大小與氣體濃度成正比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的定量測(cè)量。該傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。廣泛適合工業(yè)、環(huán)保中SO2的檢測(cè)。

3.3 腐蝕電偶電流檢測(cè)（ACM）

大氣腐蝕電流檢測(cè)的測(cè)量原理是利用電化學(xué)的ACM 技術(shù)，根據(jù)薄層電解質(zhì)液膜下電化學(xué)電池的電流信號(hào)來反映大氣環(huán)境腐蝕性強(qiáng)弱[12]。目前，此技術(shù)已成為一種比較成熟的評(píng)價(jià)大氣腐蝕強(qiáng)弱的方法。

為模擬大氣腐蝕，采用不同或者相同材質(zhì)偶合，構(gòu)成電偶接觸型或外加電壓的原電池。這種電偶腐蝕原電池中，兩種不同腐蝕電位的材料，通過電介質(zhì)這個(gè)媒介，直接或者經(jīng)過其他導(dǎo)體間接形成電連接，使電流從一種材料經(jīng)過電介質(zhì)流向另一種材料。電位較低的材料由于和腐蝕電位較高的材料偶合而產(chǎn)生陽極極化，電位較高的材料由于和電位較低的材料偶合而發(fā)生陰極極化，結(jié)果溶解得到抑制，受到保護(hù)[13-15]。

ACM 技術(shù)就是通過測(cè)量曝露在大氣中電偶腐蝕原電池的電流及電流積分來監(jiān)測(cè)大氣的腐蝕性。ACM 技術(shù)可以真實(shí)地再現(xiàn)薄液膜下金屬大氣腐蝕過程，可連續(xù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)金屬腐蝕電流隨時(shí)間、環(huán)境的變化[16]。

3.4 檢測(cè)儀總體設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀可以同時(shí)檢測(cè)大氣SO2濃度、ACM電流強(qiáng)度、環(huán)境溫濕度等參數(shù)，如圖5所示。檢測(cè)儀集成的各類環(huán)境參數(shù)傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，傳輸給中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。中央處理器處理將收集來的各數(shù)字信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部程序運(yùn)算后，最終結(jié)果顯示在液晶屏（TFT）上。除上述直接數(shù)據(jù)外，還包括大氣腐蝕性等級(jí)判斷及顯示。

圖5 檢測(cè)儀總體設(shè)計(jì)功能Fig.5 Overall design function of detector

4 沈陽國(guó)家大氣監(jiān)測(cè)站測(cè)試

2013年 7月，大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀在沈陽監(jiān)測(cè)站進(jìn)行了穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)跟蹤實(shí)時(shí)性測(cè)試。該次測(cè)試采用 ACM測(cè)試傳感器，從第一天下午 17:00開始采集，到第二天上午 9:00時(shí)結(jié)束，歷經(jīng)一夜，采樣間隔為1次/min，測(cè)試總時(shí)間約為16.66 h。

圖6 沈陽監(jiān)測(cè)站大氣腐蝕參數(shù)測(cè)試曲線Fig.6 Test curve of atmospheric corrosion parameters in Shenyang monitoring station

監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。從監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，溫度、相對(duì)濕度和ACM電流變化趨勢(shì)與理論完全吻合。溫度從日落開始緩慢降低，相對(duì)濕度也隨之緩慢增大，ACM 電流隨著溫度的降低而降低；進(jìn)入深夜，溫度降到最低（28 ℃），相對(duì)濕度同樣也達(dá)到最大值（48%），ACM電流達(dá)到最小值；清晨太陽升起，溫度回升，相對(duì)濕度下降，但ACM電流出現(xiàn)迅速上升趨勢(shì)。整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，ACM 電流在納安數(shù)量級(jí)變化，腐蝕性較輕。從溫度、相對(duì)濕度和ACM這三個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)完全吻合的情況來看，ACM 電流在一定的濕度范圍內(nèi)，受環(huán)境溫度的影響更為敏感。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果來看，通過監(jiān)測(cè)ACM電流來評(píng)價(jià)環(huán)境腐蝕性是可行的。

5 浙江地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

5.1 湖州110 kV變電站

監(jiān)測(cè)開始時(shí)間為2014年01月07日，小雨，采用大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀對(duì)浙江省湖州110 kV變電站環(huán)境（大氣、土壤）進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。環(huán)境溫度為 5 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度為 60%～70%，ACM 電流采用Cu/Zn監(jiān)測(cè)傳感器，監(jiān)測(cè)采樣間隔為2 s，共采集了2677組數(shù)據(jù)。湖州大氣腐蝕電流測(cè)試曲線如圖7所示。

圖7 湖州某變電站大氣腐蝕監(jiān)測(cè)曲線Fig.7 Atmospheric corrosion monitoring curve of a substation in Huzhou

測(cè)試初期，傳感器表面干爽，電偶電流較小，為納安級(jí)。在 16 min后，傳感器表面液膜形成，電偶電流迅速增大，最高達(dá)到約 7 μA。隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)，Cu/Zn兩電極自身的開路電位差逐漸減小，并有腐蝕產(chǎn)物生成，覆蓋在電極表面，電偶電流從最高的7 μA緩慢減小，最終穩(wěn)定于3.5 μA。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可判斷測(cè)試當(dāng)天湖州110 kV變電站大氣腐蝕較為嚴(yán)重。

5.2 浙江嘉興某變電所

2014年 01月15日，采用腐蝕檢測(cè)儀對(duì)浙江省嘉興共建變電所環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，監(jiān)測(cè)顯示環(huán)境溫度為15 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度為50%～60%，電偶電流用Cu/Zn監(jiān)測(cè)傳感器，監(jiān)測(cè)采樣間隔為10 s。大氣腐蝕電流測(cè)試曲線如圖8所示。從電偶電流監(jiān)測(cè)曲線看，在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)（從中午到晚上），電偶電流整體呈逐漸增大趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)初期（午間）的電偶電流為 1.5 nA左右，進(jìn)入晚間時(shí)，電偶電流增大到20 nA左右。整體來看，測(cè)試當(dāng)天嘉興區(qū)大氣電偶電流不大，腐蝕性較輕。

圖8 嘉興某變電所大氣腐蝕監(jiān)測(cè)曲線Fig.8 Atmospheric corrosion monitoring curve of a substation in Jiaxing

6 結(jié)語

依據(jù)大氣腐蝕性分級(jí)原則研發(fā)的大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)儀可以實(shí)時(shí)采集各腐蝕傳感器的信號(hào)，判斷大氣腐蝕性。國(guó)外同類產(chǎn)品只能通過指示燈顯示對(duì)應(yīng)的腐蝕性，不能獲得過程數(shù)據(jù)值。

通過在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，上述研制的檢測(cè)儀能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，反映了變電站所在地測(cè)試日期的大氣腐蝕環(huán)境。后續(xù)應(yīng)加大數(shù)據(jù)測(cè)試積累的時(shí)間（如1～2年），這樣才能真正反映出一年四季變電站所在地的大氣腐蝕規(guī)律及特點(diǎn)。

智能化、自動(dòng)化腐蝕監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展很快，出現(xiàn)了許多集成不同種類傳感器、控制器的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。集成度高、自檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)化已成為21世紀(jì)腐蝕監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展的一個(gè)重要特點(diǎn)。相信隨著電子技術(shù)、腐蝕科學(xué)的不斷進(jìn)步，將來會(huì)有更多的腐蝕監(jiān)測(cè)智能儀器或系統(tǒng)出現(xiàn)，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需要。