隔离开关用Al-Mg-Cu合金引流板的腐蚀原因

0 引 言

铝合金凭借较低的密度、较高的比强度、良好的导电性和成型性、较低的成本等优点而得到了广泛应用[1-3]。在电力工业领域使用的铝以及铝合金制品主要包括各类导线和金具。

以“活血止痛胶囊”为检索词、年限于1992始，在中国知网检索到文献65篇；排除制剂工艺、质量标准、综述以及活血止痛胶囊为同名异方的文献，获得关于活血止痛胶囊不良反应的文献5篇纳入分析。

改革开放以来，中国扶贫开发取得了伟大的成就，在减少贫困人口、增进人民福祉、缩小农村地区间发展差距、增强贫困人口发展能力和信心等方面取得了巨大的进步，有力地支持了国家全面建成小康社会目标的实现。

生：这个小村庄就是地球，人们为了得到更大的钱财去砍树，后来人们忽然觉悟才去种树，让小村庄重新美丽起来。

某220 kV变电站位于皖中地区，2009年4月投运，编号4W39间隔有两组不同型号的隔离开关，每组隔离开关有三块引流板。2016年8月17日14时，巡检人员发现母线侧隔离开关A相引流板的温度比线路侧A相引流板的高约16 ℃，其最高温度可达117 ℃，超过最高允许值2 ℃，而此前两处引流板温度差异不大。母线侧隔离开关引流板尺寸为16 mm×125 mm×220 mm，两端分别配孔4个和6个。断电后拆下，发现母线侧三块引流板表面均发生严重腐蚀，镀银层脱落。通过镀锌螺栓螺母与腐蚀引流板相连的Al-Si合金线夹未发生腐蚀，线路侧隔离开关引流板为6061铝合金，也未见腐蚀。母线侧A，B，C相三块引流板材料均为Al-Mg-Cu合金，表面镀银。为了找到母线侧隔离开关引流板腐蚀的原因，作者对其进行了失效分析。

纳什在《旅游作为人类学的一个主题》中指出：在人类社会中，旅游是普遍存在的一种人类活动，而旅游包含着不同文化、亚文化之间的接触［3］。

1 理化检验及结果

1.1 宏观腐蚀形貌

测完极化曲线的试样重新打磨抛光后，用IM6ex型电化学工作站进行阻抗谱测试，采用三电极法，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂片，在pH6.1的0.1 mol·L-1 Na2SO4溶液中静置至开路电位稳定后，测试腐蚀引流板和新引流板的阻抗谱，阻抗谱测试初始电压为-0.5 V，测试频率范围为10 mHz～100 kHz，正弦波交流激励信号幅值为±5 mV。

1.2 化学成分

采用SPECTROTEST型光谱仪对腐蚀引流板进行化学成分分析。由表1可知：发生腐蚀的引流板材料为Al-Mg-Cu合金，依据GB/T 3190-2008判断，其成分接近牌号2A12铝合金的，但是铜质量分数高于标准规定指标。

  

图1 A相和B相引流板宏观腐蚀形貌Fig.1 Macroscopic corrosion morphology of the A- and B-phase drainage plates: (a) front panel and (b) rear panel

 

表1 腐蚀引流板的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of the corroded drainage plate (mass) %

  

条件SiFeCuMnMgTiNiZnAl测试值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 腐蚀产物形貌及组成

在腐蚀引流板和备用新引流板(同一厂家同一批次产品，成分一致)上分别取样，使用Keller试剂腐蚀后，用Axiovert 200 MAT型光学显微镜观察显微组织。由图4可知：腐蚀引流板的显微组织为α-Al+θ相(Al2Cu)+T相(Al12Mn2Cu)，同批次新引流板的显微组织为α-Al+少量一次θ相。根据组织形态判断，引流板的热处理状态为固溶态，腐蚀引流板中θ相的析出和粗化以及T相的出现应是由电流热效应导致的[4]。

  

图2 引流板表面腐蚀产物的XRD谱Fig.2 XRD pattern of corrosion products on surface of thedrainage plate

由表2可见，引流板表面的腐蚀产物除了含有母材所含有的铝、铜、锌(镀锌紧固件锌层溶解产物)元素之外，还含有原子分数为0.77%的硫元素。

  

图3 引流板表面腐蚀产物的SEM形貌Fig.3 SEM photograph of corrosion products on surfaceof the drainage plate

使用FEI Sirion 200型场发射扫描电镜(FESEM)及附带的能谱仪(EDS)对腐蚀产物进行形貌观察和成分分析。由图3可见，腐蚀产物由粒径在2～8 μm和粒径小于微米量级的颗粒构成，呈疏松状态。

 

表2 腐蚀产物的EDS分析结果(原子分数)Tab.2 EDS analysis results of corrosionproducts (atom) %

  

OAlSCuZn66.1031.600.770.930.60

1.4 显微组织及元素面扫描结果

用硬毛刷将引流板表面的腐蚀产物刮下，采用X′Pert Powder型X射线衍射仪(XRD)进行物相分析。由图2可知，腐蚀产物中含有Al(OH)3和铝。使用K值法计算可得Al(OH)3的质量分数为52.7%，铝的质量分数为47.3%。考虑到Al-Mg-Cu合金不可能被硬毛刷刮下，因此，铝必然是腐蚀发生后从基体上剥落的。

适量铜元素的添加可提高铝合金的屈服强度和抗拉强度，但也降低了铝合金的耐腐蚀性能[5-6]，因此Al-Mg-Cu合金的耐腐蚀性能比Al-Si和Al-Mg-Si合金的差[7-9]。腐蚀引流板材料中的铜含量高于2A12铝合金的标准指标，这对该引流板的耐腐蚀性能不利。

  

图4 腐蚀引流板和新引流板的显微组织Fig.4 Microstructures of the corroded drainage plate (a) and the new drainage plate (b)

  

图5 腐蚀引流板的SEM形貌及元素面扫描结果Fig.5 SEM morphology (a) and element mapping results (b-e) of the corroded drainage plate

  

图6 腐蚀引流板和新引流板的极化曲线Fig.6 Polarization curves of the corroded and the new drainage plates

1.5 电化学腐蚀性能

在腐蚀引流板和新引流板上截取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的试样，从试样背面引出电极，冷镶嵌后用240#，500#，800#水磨砂纸依次打磨，再用W1金刚石研磨膏抛光后，在pH6.1的0.1 mol·L-1Na2SO4溶液中静置至开路电位稳定，用IM6ex型电化学工作站进行极化曲线测试。采用三电极法，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂片，工作电极为试样，工作面积为10 mm×10 mm，扫描速率为0.01 V·s-1，室温测试。由图6可见：腐蚀引流板和新引流板试样的极化曲线形状大体相似，表明两种试样在模拟腐蚀溶液中具有相似的电化学行为；腐蚀引流板试样的自腐蚀电位为-1.156 V，而新引流板试样的自腐蚀电位为-1.101 V，自腐蚀电流密度则分别为7.76×10-6，4.098×10-6 A·cm2。自腐蚀电位和自腐蚀电流密度均表明腐蚀引流板在Na2SO4溶液中的耐腐蚀性能弱于新引流板的。

由图1(a)可见：引流板表面发生严重腐蚀，表面被灰色腐蚀产物覆盖，腐蚀产物具有层状特征，从颜色判断应主要为铝的氢氧化物或氧化物；B相引流板表面有少量干结青苔，表明该引流板曾经长期处于湿润环境。由图1(b)可见，与线夹相连部分(图中上部)轻度腐蚀，而与桩头相连部分(图中下部)由于接触腐蚀性介质较少，仅发生轻微腐蚀。

腐蚀产物含有硫元素，由此推测，硫化物是导致腐蚀发生的重要原因[6, 10]。该变电站靠近火力发电厂，电厂含硫排放物是腐蚀性介质的可能来源。腐蚀产物中硫原子分数达到0.77%，如此高的硫含量必然为多次酸雨累积所致。由腐蚀产物的SEM形貌可见，腐蚀产物较疏松。疏松结构的腐蚀产物易于蓄积腐蚀介质，高浓度硫化物促进了腐蚀的进行。

  

图7 腐蚀引流板和新引流板的电化学阻抗谱Fig.7 Electrochemical impedance spectra of the corroded and the new drainage plates

2 腐蚀原因分析

使用Zeiss ULTRA型扫描电镜及附带的能谱仪对腐蚀引流板试样进行形貌观察和元素面扫描分析。由图5可知，经Keller试剂腐蚀后，第二相粒子浮凸于基体表面，腐蚀沟槽中残留有θ相，腐蚀沟槽间有残存的片层状金属铝。该结果表明微观上腐蚀主要围绕着θ相进行，腐蚀沟槽沿θ相向母材内部扩展。

由图7可见，腐蚀引流板的高频圆弧半径小于新引流板的。高频部分圆弧的半径越大，说明电荷从金属向介质中转移的阻抗越大，试样的耐腐蚀性能越好，由此可见腐蚀引流板的耐腐蚀性能弱于新引流板的。

由腐蚀引流板的SEM形貌可知，腐蚀主要围绕着θ相进行，θ相作为阴极在腐蚀过程中得以保留，基体α-Al作为阳极被氧化。疏松的腐蚀产物体积膨胀，镀银层也因此而发生脱落，接触面由银-银接触变为铝合金-氧化物-铝合金接触，接触电阻增大。通流状态下增大的接触电阻产生了额外热量，促进了引流板组织的老化，θ相的析出和粗化导致Al-Mg-Cu合金耐腐蚀性能的进一步降低。

3 结论与措施

(1) 腐蚀引流板材料为Al-Mg-Cu合金，耐腐蚀性能较差，在含硫的酸雨作用下发生腐蚀；电流的热效应导致引流板组织老化、耐腐蚀性能降低，促进了腐蚀的进行。

(2) 发现腐蚀现象后，某供电公司针对该站内露天使用的铝合金部件进行了成分排查，对发生腐蚀的Al-Mg-Cu合金部件进行了更换；目前电网企业关于金属材料选用的技术标准处于空白阶段，应加强对新采购铝合金金具、户外箱体以及传动杆和管母线等部件成分的检查，在技术标准缺失的情况下，相应招标技术规范中应充分考虑金属材料的耐腐蚀性能，并约束材料成分范围。

高密度电阻率法能够提供直观的电阻率成像，对破碎带的勘查具有分辨率高、定位准确的特点，但因其反演本身的不稳定性及解释的经验性，探测结果的解译往往存在很大差异，因此，实际探测中常要同时进行电剖面法，以对比分析异常的表现，提高探测解译的可信度。

参考文献：

[1] 丁俭,杜喜望,靳子惠,等. 加入Al-5Ti-B细化剂和Al-2Zr-Sc中间合金后铝锌镁合金的组织和拉伸性能[J]. 机械工程材料, 2017, 41(1): 38-42.

[2] 王少华,马志锋, 刘惠, 等. 铝锌镁铜锆钪合金型材的组织和性能[J]. 机械工程材料, 2014, 38(6):60-65.

[3] DESCHAMPS A, TEXIERB G, RINGEVAL S,et al. 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] 刘春燕，邱义伦，王斌. 2A12铝合金热处理工艺研究[J]. 热处理, 2008, 23(5):59-61.

[5] 王芝秀，李海，顾建华，等. Cu含量对Al-Mg-Si-Cu合金微观组织和性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2012, 22(12):3348-3355.

[6] 雷阿利,冯拉俊, 马小菊. 几种不同材料在含硫介质中的腐蚀性[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2007, 27(2):65-69.

[7] 李旭东,刘元海,刘治国,等. 预腐蚀7A09铝合金腐蚀坑处萌生疲劳裂纹扩展深度的估算[J]. 机械工程材料, 2017, 41(1): 25-29.

[8] 聂辉文,曾小玲,聂俊红,等. 不同时效状态下Al-Zn-Mg-Zr-Sc合金的应力腐蚀行为[J]. 机械工程材料, 2016, 40(11): 98-102.

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

[10] 马少华,回丽,许良,等. 空气环境对预腐蚀2XXX系铝合金疲劳性能的影响[J]. 机械工程材料, 2015, 39(3): 65-70.