繆春輝１,張 濤１,陳國(guó)宏１,王若民１,李堅(jiān)林２,湯 泉３
(１．國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院,合肥 ２３０６０１;２．國(guó)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)
摘 要:研究了腐蝕后 AlＧMgＧCu合金引流板的顯微組織、微區(qū)成分、電化學(xué)腐蝕性能以及腐蝕產(chǎn)物成分等,并與新引流板的進(jìn)行了對(duì)比,分析了其腐蝕失效的原因.結(jié)果表明:AlＧMgＧCu合金引流板的腐蝕是由含硫的酸雨引起的,電流熱效應(yīng)導(dǎo)致引流板的組織老化,θ相的析出和粗化使引流板的耐腐蝕性能進(jìn)一步降低.
關(guān)鍵詞:AlＧMgＧCu合金;引流板;腐蝕
中圖分類號(hào):TG１７２．３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１８)０５Ｇ００７８Ｇ０４
０ 引 言
鋁合金憑借較低的密度、較高的比強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性和成型性、較低的成本等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[１Ｇ３].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２２０kV 變電站位于皖中地區(qū),２００９年４月投運(yùn),編號(hào)４W３９間隔有兩組不同型號(hào)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(shí),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１６mm×１２５mm×２２０mm,兩端分別配孔４個(gè)和６個(gè).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 AlＧSi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 AlＧMgＧCu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(duì)其進(jìn)行了失效分析.
１ 理化檢驗(yàn)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(zhǎng)期處于濕潤(rùn)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(duì)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 AlＧMgＧCu合金,依據(jù) GB/T３１９０－２００８判斷,其成分接近牌號(hào)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).
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′PertPowder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(jì) 算 可 得 Al(OH)３ 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 為５２．７％,鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為４７．３％.考慮到 AlＧMgＧCu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.
使 用 FEI Sirion ２００ 型 場(chǎng) 發(fā) 射 掃 描 電 鏡(FESEM)及附帶的能譜儀(EDS)對(duì)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２~８μm 和粒徑小于微米量級(jí)的顆粒構(gòu)成,呈疏松狀態(tài).
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.
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 Axiovert２００ 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αＧAl＋θ相(Al２Cu)＋T 相(Al１２Mn２Cu),同批次新引流板的顯微組織為αＧAl＋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 ZeissULTRA 型掃描電鏡及附帶的能譜儀對(duì)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.
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１０mm×１０mm×１０mm 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０．１mol??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(cè)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×１０mm,掃描速率為０．０１V??s－１,室溫測(cè)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－１．１５６V,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 ７．７６×１０－６,４．０９８×１０－６ A??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(cè)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(cè)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０．１mol??L－１ Na２SO４ 溶液中靜置至開路電位穩(wěn)定后,測(cè)試腐蝕引流板和新引流板的阻抗譜,阻抗譜測(cè)試初始電壓為－０．５V,測(cè)試頻率范圍為１０mHz~１００kHz,正弦波交流激勵(lì)信號(hào)幅值為±５mV.
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.
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(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,但也降低了鋁合金的耐腐蝕性能[５Ｇ６],因此AlＧMgＧCu合金的耐腐蝕性能比 AlＧSi和 AlＧMgＧSi合金的差[７Ｇ９].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(duì)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(cè),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αＧAl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Ｇ銀接觸變?yōu)殇X合金Ｇ氧化物Ｇ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AlＧMgＧCu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 AlＧMgＧCu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(duì)該站內(nèi)露天使用的鋁合金部件進(jìn)行了成分排查,對(duì)發(fā)生腐蝕的 AlＧMgＧCu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(qiáng)對(duì)新采購鋁合金金具、戶外箱體以及傳動(dòng)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.
（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2018年 > 5期 > pp.78）
浙公網(wǎng)安備 33042402000106號(hào)
