張 盼，李增超，郭明欽，楊國(guó)華，王旭輝，丁一帆

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山，467000）

電力系統(tǒng)中連接和組合電力系統(tǒng)中的各類裝置，以傳遞機(jī)械負(fù)荷、電氣負(fù)荷或起某種防護(hù)作用的金屬附件，簡(jiǎn)稱金具[1]，其材質(zhì)主要是鐵和鋁。隨著換流站的大量建設(shè)和金具的不斷發(fā)展，鐵制金具在使用中暴露出了粗大、笨重、運(yùn)行損耗大等問題，一方面，鑄鐵類金具耐腐蝕性差，且存在大量邊角和孔隙結(jié)構(gòu)，因此，更容易出現(xiàn)縫隙腐蝕和接觸腐蝕等局部腐蝕形態(tài)；另一方面，電磁材料帶來(lái)的線損非常大，鑄鐵金具在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的損耗達(dá)到0.01%～0.03%。根據(jù)當(dāng)前我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的相關(guān)要求，做好金具的節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)的重要手段[2-3]。鋁合金材料具有輕質(zhì)、無(wú)磁性的特點(diǎn)，并且其表面存在一層牢固、致密的氧化膜，具有較好的耐腐蝕特性，因此，行業(yè)內(nèi)目前普遍采用鋁合金作為金具材料[4]?？紤]到金具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需要兼顧鑄造性能，ZL101A和ZL102鋁合金具有流動(dòng)性好、無(wú)熱裂傾向、線收縮性小等良好的鑄造性能，是當(dāng)前換流站金具不可替代的原材料[5]。

海洋大氣的腐蝕速率通常比內(nèi)陸大氣的髙4～5倍，因此，對(duì)金具材質(zhì)的耐腐蝕性要求更高。換流站常用的金具材質(zhì)為ZL101A和ZL102鋁合金，本文為了研究對(duì)金具結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部耐腐蝕性能優(yōu)異的防護(hù)措施[6]，選取金具中常見的零件夾塊作為試驗(yàn)對(duì)象，材質(zhì)選用ZL101A和ZL102鋁合金，對(duì)兩種材質(zhì)的試樣分別做鍍錫、堿洗、酸洗、陽(yáng)極氧化、拋丸5種防腐蝕措施，對(duì)試樣經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的中性鹽霧腐蝕，出現(xiàn)白色生成物為止，耐腐蝕能力的強(qiáng)弱由這段時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)判定[7]。通過(guò)耐腐蝕能力測(cè)試，獲得最優(yōu)的金具表面防護(hù)體系。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的金具耐腐蝕試樣的材料成分見表1，材料分別為ZL101A和ZL102鋁合金。

表1 ZL101A和ZL102鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Tab.1 Compositions of ZL101A and ZL102 aluminum alloys (mass fraction/ %)

試樣選用金具間隔棒中的導(dǎo)線夾塊，金具間隔棒作為使一相（極）導(dǎo)線中的多根子導(dǎo)線保持相對(duì)間隔位置的防護(hù)金具，應(yīng)用極其廣泛，其零件具有普遍性。金具間隔棒的夾塊尺寸為108.0 mm×60.0 mm×41.0 mm，分別選用ZL101A和ZL102鋁合金，試樣外形如圖1所示。

圖1 間隔棒夾塊試樣Fig.1 Spacer clamping block sample

分別對(duì)ZL101A和ZL102鋁合金試樣做5種外部防腐蝕措施，通過(guò)對(duì)比、分析、觀察得到最佳的防腐蝕措施，表2為兩種試樣鹽霧腐蝕試驗(yàn)的準(zhǔn)備清單。

1.2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)流程

一般認(rèn)為，金屬M(fèi)在模擬海洋大氣環(huán)境中的腐蝕是從點(diǎn)蝕開始的，腐蝕機(jī)制主要為薄液膜覆蓋下的電化學(xué)腐蝕，其電極反應(yīng)為[8-9]：

陽(yáng)極：

陰極：

特別地，鋁合金腐蝕的陽(yáng)極反應(yīng)為：

鋁合金在腐蝕過(guò)程中除了發(fā)生簡(jiǎn)單的陰陽(yáng)極氧化還原反應(yīng)外，還會(huì)發(fā)生二次反應(yīng)，反應(yīng)式為：

即鋁放置在大氣中腐蝕，表面會(huì)先形成非晶態(tài)Al(OH)3，之后形成γ-AlOOH或一層2～3 nm的致密Al2O3膜。Cl離子會(huì)在鋁合金氧化膜缺陷處或第二相等高能量位置發(fā)生選擇性吸附，加速鋁合金表面氧化膜的破裂，有利于O2的擴(kuò)散并發(fā)生還原反應(yīng)，促進(jìn)基體陽(yáng)極溶解反應(yīng)的進(jìn)行。Cl離子被認(rèn)為是加速鋁合金大氣腐蝕的主要因素[10]。因此，ZL101A 和 ZL102 鋁合金試樣進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)的模擬工況執(zhí)行GB/T10125—2012人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)[11]，鹽霧腐蝕試驗(yàn)條件見表3。鹽霧腐蝕試驗(yàn)流程見圖2[12]。

表3 鹽霧腐蝕試驗(yàn)條件Tab.3 Conditions of salt spray corrosion test

圖2 鹽霧腐蝕試驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of salt spray corrosion test

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)ZL101A和ZL102鋁合金試樣進(jìn)行周期為24 h的鹽霧試驗(yàn)，同時(shí)在規(guī)定的試驗(yàn)周期內(nèi)噴霧不得中斷，只有當(dāng)需要短暫觀察試樣時(shí)才能打開鹽霧箱。試驗(yàn)結(jié)束的標(biāo)志是試樣表面開始發(fā)生腐蝕，應(yīng)經(jīng)常檢查試樣表面的腐蝕情況，并對(duì)其進(jìn)行拍照記錄。表4為試樣腐蝕情況記錄表[13]。

表4 試樣腐蝕情況記錄Tab.4 Corrosion records of the specimens

記錄試驗(yàn)時(shí)，在能判定其各防護(hù)措施的優(yōu)劣時(shí)方可結(jié)束試驗(yàn)記錄。試驗(yàn)設(shè)置的記錄時(shí)間間隔為2 h，若試樣沒有出現(xiàn)明顯銹跡，需對(duì)這幾種防護(hù)措施的試樣再次進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)臨近上次出現(xiàn)銹跡的時(shí)間時(shí)就縮短檢查時(shí)間間隔，直至能判定出最佳耐腐蝕防護(hù)措施，才能終止檢查記錄并結(jié)束試驗(yàn)[14-15]。

圖3為陽(yáng)極氧化試樣腐蝕后的照片。圖3（a）為腐蝕56 h后，ZL101A鋁合金試樣的腐蝕形貌，圖3（b）為腐蝕56 h后，ZL102鋁合金試樣的腐蝕形貌，圖3（c）為腐蝕80 h后，ZL101A鋁合金試樣的腐蝕形貌。兩種試樣經(jīng)鹽霧腐蝕試驗(yàn)后均發(fā)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕的腐蝕面積大，深度淺時(shí)又稱為斑蝕或坑蝕，是鋁和鋁合金最常見的腐蝕類型，嚴(yán)重的可導(dǎo)致腐蝕穿孔。在大氣、淡水、海水或近中性的水溶液中都會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕。從圖3（c）中能清晰地看到明顯的點(diǎn)蝕形貌。

圖3 陽(yáng)極氧化試樣的鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Salt spray corrosion test results of anodized samples

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

10組試樣和2組板材在進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)后，不同防腐蝕措施對(duì)ZL101A和ZL102鋁合金表現(xiàn)出了不同的優(yōu)劣性能。對(duì)照這12組防腐蝕措施和表面出現(xiàn)銹跡時(shí)間，選出最佳試樣表面防腐蝕措施。試樣表面耐腐蝕時(shí)間與防腐蝕措施對(duì)照曲線如圖4所示。

圖4 耐腐蝕時(shí)間與防腐蝕措施對(duì)照曲線圖Fig.4 Comparison curve of corrosion resistance time and anti-corrosion measure

從圖4中可以看出，耐腐蝕措施能有效保護(hù)鋁材，不同的防腐蝕措施保護(hù)能力不同。陽(yáng)極氧化在兩種材質(zhì)中表現(xiàn)優(yōu)異，在ZL101A鋁合金上表現(xiàn)更優(yōu)；拋丸在兩種材質(zhì)中表現(xiàn)良好，在ZL101A鋁合金上表現(xiàn)更優(yōu)；鍍錫處理后，兩種材質(zhì)都具有更好的耐腐蝕性能；其余防腐蝕措施在兩種材質(zhì)上的表現(xiàn)沒有明顯差異。由于實(shí)際海上工況更為惡劣，建議選用陽(yáng)極氧化及拋丸兩種防腐蝕措施。

綜合試樣在鹽霧試驗(yàn)中表面腐蝕形貌，不做處理的兩種材質(zhì)在鹽霧環(huán)境下的耐腐蝕性能基本相同，ZL101A鋁合金試樣表面點(diǎn)蝕數(shù)量較材質(zhì)為ZL102鋁合金試樣的少，與堿洗、酸洗后試樣點(diǎn)蝕數(shù)量相近，表明了這兩種材質(zhì)本身就具有一定的耐腐蝕能力，ZL101A鋁合金的耐腐蝕性能強(qiáng)于ZL102鋁合金的。兩種材質(zhì)在陽(yáng)極氧化防腐蝕措施中均表現(xiàn)優(yōu)異，ZL101A與ZL102鋁合金在鹽霧環(huán)境下56 h，ZL101A鋁合金表面基本無(wú)腐蝕，而ZL102鋁合金出現(xiàn)明顯點(diǎn)蝕，表明陽(yáng)極氧化防腐蝕措施對(duì)ZL101A鋁合金較ZL102鋁合金的有效。由表1可知，ZL101A鋁合金中含有少量的Mg，固溶狀態(tài)的Mg電極電勢(shì)與Al的十分接近（略負(fù)），因此，在中性和酸性溶液中對(duì)耐腐蝕性能影響較小，且Mg的添加使鋁合金對(duì)海水具有更好的耐蝕性。因此，ZL101A鋁合金中的Mg含量使其具有更好的耐腐蝕性能。說(shuō)明在應(yīng)對(duì)一些惡劣工作環(huán)境時(shí)，采用正確的材質(zhì)及防腐蝕措施有利于提高金具的可靠性。

3 結(jié) 論

針對(duì)不同材質(zhì)制備的不同防腐蝕措施的試樣的耐腐蝕性研究，得出以下主要結(jié)論。

（1）對(duì)無(wú)防腐蝕處理的試樣進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，與堿洗和酸洗的試樣試驗(yàn)結(jié)果相差無(wú)幾，表明ZL101A和ZL102鋁合金本身也具有一定的耐腐蝕性，ZL101A鋁合金的耐腐蝕性能強(qiáng)于ZL102鋁合金的。

（2）ZL101A和ZL102鋁合金金具在用于海上換流站時(shí)，ZL101A鋁合金金具可根據(jù)工作要求和工作環(huán)境選擇陽(yáng)極氧化和拋丸兩種防腐蝕措施，優(yōu)先選擇陽(yáng)極氧化，ZL102鋁合金需采用陽(yáng)極氧化防腐蝕腐措施。