邱劍洪，馬立紅，梁亞峰，程西，吳清川，李涵

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，?？?570100； 2.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)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(diào)研表明，熱帶海島的工業(yè)產(chǎn)品、電氣設(shè)備服役環(huán)境嚴(yán)酷、戶內(nèi)外環(huán)境條件、變化規(guī)律差異性巨大，設(shè)備失效問(wèn)題突出。

當(dāng)前中小獨(dú)立海島的供電模式主要為離網(wǎng)模式，離島供電核心主要為中小型微電網(wǎng)，一般依靠發(fā)電機(jī)和光伏發(fā)電等設(shè)備進(jìn)行能源接納和供電。金屬材料大氣腐蝕直接影響電氣設(shè)備可靠運(yùn)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(lèi)物質(zhì)，導(dǎo)致設(shè)備金屬腐蝕問(wèn)題嚴(yán)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(shè)備存在大量金屬材料腐蝕問(wèn)題，其空間分布、腐蝕狀態(tài)不均，局部區(qū)域設(shè)備失效情況較為嚴(yán)重。為保障服役電氣設(shè)備在熱帶海島環(huán)境下的安全可靠運(yùn)行，針對(duì)某典型熱帶海島的不同地區(qū)設(shè)施服役環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析，針對(duì)不同設(shè)備工況條件和部署空間、材料、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)特征，圍繞獨(dú)特的熱帶海島環(huán)境特征進(jìn)行綜合性設(shè)備-環(huán)境耐候性研究。

本文針對(duì)熱帶海島高溫、高濕、高鹽等復(fù)雜環(huán)境，對(duì)海島設(shè)備的腐蝕現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，對(duì)設(shè)備服役環(huán)境腐蝕等級(jí)進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)，根據(jù)腐蝕等級(jí)結(jié)果提出相關(guān)防護(hù)建議?；诤u設(shè)備腐蝕現(xiàn)狀和環(huán)境等級(jí)，開(kāi)展熱帶海島環(huán)境電氣設(shè)備性能狀態(tài)影響機(jī)制分析，重點(diǎn)分析多因素交互影響下的環(huán)境應(yīng)力作用現(xiàn)象動(dòng)態(tài)過(guò)程演化規(guī)律與理論機(jī)制，并提出針對(duì)熱帶海島電氣設(shè)備的金屬腐蝕防護(hù)技術(shù)要求與建議。

1 電氣設(shè)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、陸地面積小；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(shí)間長(zhǎng)、紫外線強(qiáng)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(lèi)型的環(huán)境空間差異性與狀態(tài)經(jīng)時(shí)變化巨大，具有強(qiáng)非線性等顯著特征。受溫濕度、鹽霧、太陽(yáng)輻照、大氣與海洋運(yùn)動(dòng)等環(huán)境因素交互影響，在連續(xù)變化的環(huán)境應(yīng)力長(zhǎng)期綜合作用下，島上服役的設(shè)施及電氣設(shè)備極易發(fā)生密封失效、潤(rùn)濕滲透、腐蝕老化、漏電短路及機(jī)械損傷等現(xiàn)象，并進(jìn)一步導(dǎo)致系統(tǒng)性能衰減與失效。

通過(guò)對(duì)海南省西沙區(qū)某典型熱帶海島服役電氣設(shè)備實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，電氣設(shè)備和設(shè)施相關(guān)部件存在大量局部腐蝕問(wèn)題，設(shè)備或面臨系統(tǒng)性能衰減與失效等風(fēng)險(xiǎn)隱患，熱帶海島電氣設(shè)備的腐蝕現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

表1 熱帶海島電氣設(shè)備的腐蝕現(xiàn)狀

1）柴油發(fā)電機(jī)組

柴油發(fā)電機(jī)組投運(yùn)后腐蝕問(wèn)題頻發(fā)，需要經(jīng)常性維修，使用壽命僅有7~8 年，現(xiàn)場(chǎng)有7 臺(tái)機(jī)組有2 臺(tái)運(yùn)行保障供電。已發(fā)現(xiàn)散熱器、發(fā)電機(jī)組繞組腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)絕緣層燒焦現(xiàn)象。因散熱通風(fēng)需求，發(fā)電機(jī)房腐蝕環(huán)境較為惡劣，開(kāi)始時(shí)因電化學(xué)作用產(chǎn)生腐蝕，后因缸套受負(fù)荷的沖擊、振動(dòng)，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(gè)過(guò)程持續(xù)下去，同時(shí)工況條件下柴油發(fā)電機(jī)組溫濕度較高加劇腐蝕。

2）光伏發(fā)電設(shè)備

圖1 發(fā)電機(jī)繞組腐蝕

圖2 光伏板表面積灰嚴(yán)重

圖3 支架螺栓腐蝕

圖4 戶外箱變空調(diào)機(jī)組腐蝕

光伏組件因屋頂限制采用了平放設(shè)計(jì)，無(wú)法達(dá)到最優(yōu)采光效果，同時(shí)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(wú)專(zhuān)人管理和運(yùn)維方案，光伏發(fā)電效率有受到影響。衰減和失效問(wèn)題較為突出。對(duì)海南省西沙區(qū)某典型熱帶海島上的早期光-儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了失效調(diào)研，伏組件原有500 kW，因衰減、失效、拆除等僅剩約200 kW；儲(chǔ)能設(shè)計(jì)1 000 kWh，因衰減、失效等導(dǎo)致僅能達(dá)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(zhì)會(huì)直接作用于光伏組件的表面。當(dāng)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(zhǎng)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(duì)太陽(yáng)輻照的利用率，進(jìn)而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降。

3）變電站用戶外設(shè)備

戶外攝像頭及支架腐蝕嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)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(wǎng)柜均配有空調(diào)，空調(diào)室外機(jī)腐蝕嚴(yán)重，部分區(qū)域部件表面附著疑似鹽類(lèi)沉積物，表面涂層老化嚴(yán)重出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。戶外金屬管道、閥門(mén)腐蝕狀態(tài)嚴(yán)重，部分法蘭連接部位螺栓缺少防護(hù)措施，可明顯觀察到全面腐蝕/電偶腐蝕現(xiàn)象。可以認(rèn)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(rùn)濕、防護(hù)措施不充分是造成各戶外設(shè)備失效的重要原因。

2 環(huán)境等級(jí)監(jiān)測(cè)與分析

根據(jù)ISA 71.04 標(biāo)準(zhǔn)，采用高純度無(wú)氧銅制備高精度腐蝕表征片，可以有效表征電氣設(shè)備服役環(huán)境主要腐蝕影響因素以及設(shè)備所處環(huán)境的腐蝕速率及等級(jí)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果提出有效的防護(hù)建議。

根據(jù)海島設(shè)備實(shí)際使用狀態(tài)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括有戶外、常規(guī)戶內(nèi)和密閉戶內(nèi)場(chǎng)景。同時(shí)為了對(duì)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，在海口市區(qū)某變電站戶外也放置了樣片，共放置了6 處地點(diǎn)，環(huán)境腐蝕等級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 環(huán)境腐蝕等級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

根據(jù)ISA-71.04 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)監(jiān)測(cè)片進(jìn)行腐蝕分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 環(huán)境腐蝕等級(jí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)環(huán)境腐蝕等級(jí)監(jiān)測(cè)結(jié)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(jí)下，戶外環(huán)境腐蝕性極強(qiáng)，其腐蝕強(qiáng)度約為海南省海口市區(qū)某變電站戶外環(huán)境的10 倍。發(fā)電機(jī)房、急救包室空氣內(nèi)外對(duì)流，其內(nèi)部腐蝕性強(qiáng)，其腐蝕強(qiáng)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(diào)控溫，保持室內(nèi)常溫，可以顯著降低內(nèi)部環(huán)境的腐蝕性，但如不采取密閉或除鹽措施，空氣流動(dòng)性較快導(dǎo)致其效果并不顯著。如此次監(jiān)測(cè)的發(fā)電機(jī)房，雖然有空調(diào)24 h 控溫，但其環(huán)境腐蝕性較高，強(qiáng)于?？谑袇^(qū)某變電站戶外條件。

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

銅片在有鹽霧和無(wú)鹽霧試驗(yàn)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(wú)鹽霧的濕熱試驗(yàn)條件下重，而在無(wú)鹽霧條件下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物量增加的極少。

由圖5 試驗(yàn)關(guān)系結(jié)果說(shuō)明，環(huán)境中鹽霧對(duì)設(shè)備設(shè)施的腐蝕影響程度最重，因此，應(yīng)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(guò)改善運(yùn)行環(huán)境的散熱通風(fēng)技術(shù)，達(dá)到對(duì)運(yùn)行環(huán)境優(yōu)化的目的。

圖5 不同試驗(yàn)條件下銅片腐蝕量與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系

3 環(huán)境影響因素與規(guī)律特點(diǎn)

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(zhì)液膜在溶液/金屬界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，這層薄液膜具有較強(qiáng)的氣體溶解性及擴(kuò)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(duì)金屬造成腐蝕?？諝庵胁煌廴疚锝橘|(zhì)能改變液膜化學(xué)性質(zhì)，在溫濕度共同作用下液膜厚度、電解質(zhì)濃度、pH 及溶液內(nèi)反應(yīng)活性物質(zhì)的擴(kuò)散速度等會(huì)發(fā)生改變，直接影響物質(zhì)傳遞過(guò)程與腐蝕反應(yīng)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(zhì)溶液，伴隨晝夜干濕循環(huán)液膜中的Cl-會(huì)達(dá)到較高的濃度，加劇腐蝕。了解環(huán)境因素對(duì)金屬材料大氣腐蝕規(guī)律的影響，對(duì)發(fā)電裝備、電網(wǎng)等設(shè)施金屬部件材料的壽命預(yù)測(cè)、選材和維護(hù)具有重要意義。

對(duì)于熱帶海島型氣候需特別關(guān)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(jiàn)的，暴露在海洋大氣中的金屬表面有細(xì)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?qū)饘僭斐蓢?yán)重的影響作用，腐蝕性強(qiáng)弱依賴風(fēng)向，風(fēng)速和海岸線距離，海洋的風(fēng)浪條件、離海面的高度等，這類(lèi)大氣通過(guò)海風(fēng)吹到金屬表面并沉積下來(lái)的氯化物顆粒進(jìn)行表征。風(fēng)浪較大的時(shí)候，海洋鹽霧發(fā)生量、遷移量、沉積量都會(huì)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(shí)與其他腐蝕性介質(zhì)相互影響引起腐蝕。當(dāng)在海洋大氣中的鹽霧顆粒沉積在金屬表面，海鹽粒子會(huì)受溫濕度控制發(fā)生潮解產(chǎn)生電解質(zhì)液膜，從而為電化學(xué)反應(yīng)提供基礎(chǔ)的發(fā)生條件。鹽的沉積會(huì)使金屬表面液膜層的電解質(zhì)增多，增大液膜的電導(dǎo)率，且因?yàn)槁入x子有很強(qiáng)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(huì)改變電解質(zhì)液膜濃度、厚度及氧在溶液中的溶解度、擴(kuò)散速度，進(jìn)而改變（物質(zhì)傳遞過(guò)程）腐蝕反應(yīng)速率。據(jù)熱力學(xué)定律，鹽類(lèi)水解產(chǎn)生的電解液濃度隨相對(duì)濕度升高而降低，成線性關(guān)系；鹽在水中的溶解度隨溫度的上升而上升，同時(shí)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(shí)受空氣的相對(duì)濕度、光照、降雨、凝露等天氣因素的影響，相對(duì)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(dá)到露點(diǎn)時(shí)尤為明顯。金屬表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕的水膜層由于存在時(shí)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(duì)濕度，溫度與沉積鹽量的共同作用會(huì)改變潮解液膜的狀態(tài)（濃度/厚度等）進(jìn)而影響腐蝕反應(yīng)，隨著環(huán)境體系的不斷變化，劇烈的溫/濕度變化會(huì)造成液膜短時(shí)間內(nèi)迅速干燥或潮解；使得液膜的加速干燥過(guò)程中物質(zhì)轉(zhuǎn)移速度加速，導(dǎo)致腐蝕速率上升。

4 金屬腐蝕防護(hù)技術(shù)與建議

熱帶海島復(fù)雜環(huán)境條件會(huì)加重金屬材料的腐蝕，對(duì)于影響設(shè)備安全運(yùn)行的材料劣化現(xiàn)象，一半針對(duì)材料的服役環(huán)境進(jìn)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(duì)材料本身進(jìn)行新防腐工藝和成分的調(diào)整，提高材料的環(huán)境適應(yīng)能力。根據(jù)當(dāng)前熱帶海島典型環(huán)境特征、設(shè)備工況條件及腐蝕現(xiàn)狀，針對(duì)設(shè)備給出以下防腐工藝建議：

1）電氣設(shè)備外部螺栓、支架等金屬結(jié)構(gòu)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(guò)程中要確保空氣相對(duì)濕度不大于85 %，要做到均勻涂刷，杜絕產(chǎn)生流掛、漏刷現(xiàn)象，根據(jù)ISO 12944-7 的要求，由制造方具備專(zhuān)業(yè)資格的人員進(jìn)行監(jiān)督和檢查打砂清理和涂漆工作，現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)行涂層干膜厚度檢測(cè)、視覺(jué)檢查、附著力試驗(yàn)、光澤度測(cè)試和涂漏點(diǎn)測(cè)試等。

2）加強(qiáng)電氣設(shè)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(dǎo)致的鹽霧入侵、凝露潤(rùn)濕等現(xiàn)象。

3）不同結(jié)構(gòu)間件接部位應(yīng)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(guò)程應(yīng)注意連接點(diǎn)涂層的完整性，避免機(jī)械損傷。焊接接頭及母材易產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力、裂紋和氣孔等缺陷，后期服役過(guò)程容易出現(xiàn)滲漏等故障，可針對(duì)性增加防腐涂層厚度或采用復(fù)合材料、高分子材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4）對(duì)電氣設(shè)備的防護(hù)材質(zhì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等重要材料和部件，需根據(jù)實(shí)際使用情況可更換耐候性更好的不銹鋼材質(zhì)及涂層，同時(shí)提高抗磨損能力。

5 結(jié)語(yǔ)

海南省西沙區(qū)某典型熱帶海島環(huán)境條件嚴(yán)酷，對(duì)電氣設(shè)備金屬材料和部件的腐蝕性極強(qiáng)，設(shè)備不同部件結(jié)構(gòu)特征、材料屬性及局部環(huán)境狀態(tài)的空間差異性大。應(yīng)針對(duì)性提出熱帶海島環(huán)境電氣設(shè)備不同環(huán)境等級(jí)、運(yùn)行工況和部署空間部件的熱帶環(huán)境技術(shù)規(guī)范和耐久性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提升電氣設(shè)備密封性、防腐能力等耐候性能力，加強(qiáng)控溫、除濕、除鹽等環(huán)境控制策略方案，推進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品設(shè)備科學(xué)安全運(yùn)維、實(shí)現(xiàn)健康高效服役。