GIS穿墙套管腐蚀机理研究

河池供电局新村变电站GIS于2009年投运，运行2年后发现该GIS1号主变压器穿墙套管存在气体泄漏缺陷。南宁供电局仙葫变电站GIS于2011年投运，仅运行1年后就发现该GIS青仙II线穿墙套管存在气体泄漏缺陷，大约7天需补气1次。经SF6气体泄漏红外成像检测发现泄漏点均位于套管与墙面结合部，拆除套管与墙面之间的密封挡板后，发现穿墙套管铝合金局部表面发生点状、孔状腐蚀，特别严重的部位已穿透壳体，导致SF6气体泄漏。南宁供电局对所辖GIS设备穿墙套管腐蚀情况进行普查，发现部分穿墙套管存在明显腐蚀。查清GIS穿墙套管腐蚀原因，对于指导变电站穿墙套管施工及防腐具有重要意义。

1 腐蚀情况检查

2012年3月20日及8月6日分别对河池供电局110 kV新村变电站、南宁供电局110 kV仙葫变电站GIS穿墙套管气体泄漏问题进行现场检查，具体检查情况如下。

1.1 腐蚀情况

新村变电站及仙葫变电站穿墙套管腐蚀情况分别见图1及图2，这2个GIS穿墙套管腐蚀情况具有以下共同点：

1）拆除防火石棉挡板后，发现穿墙套管局部表面严重腐蚀，呈现点状、孔状的局部腐蚀形态；

2）套管上的腐蚀部位均为筒体与防火石棉挡板直接接触的部位，分布在套管的上、中、下部；

3）GIS壳体外层涂漆表观正常，未发现异常损伤痕迹；

4）穿墙套管周围敷设的防火包及防火石棉挡板因雨水渗入处于潮湿状态。

1.2 穿墙套管材质及防腐蚀工艺

图1 110 kV新村变电站穿墙套管表面腐蚀情况

图2 110 kV仙葫变电站穿墙套管表面腐蚀情况

GIS外壳所用材料为铝合金壳体，根据我国铝合金材料的分类，属铝镁合金，其主要元素是铝，再掺入少量的镁或其它金属材料来加强其硬度[1]。GIS的铝合金壳体在大气环境中其表面会生成一层致密的氧化铝（Al2O3）薄膜，表面采用冷刷工艺涂覆一层金属防腐蚀保护漆，因此GIS设备铝合金壳体在大气环境中具有较好的抗蚀性。

1.3 穿墙套管密封防火施工工艺

GIS穿墙套管与墙之间采用防火石棉挡板密封，墙体中的空隙用防火包填充，在石棉挡板的表面，涂覆了一层腻子，用以清除墙面与防火石棉挡板之间高低不平的缺陷。

2 实验及分析结果

2.1 防火石棉板浸出液pH值测试

将现场取回的石棉挡板及腻子样品用研钵磨成粉末状，分别称取10 g样品加入100 ml除盐水，搅拌均匀后静置20 min，取上层清液测pH值，浸出液pH值测试结果见表1。

表1 密封材料浸出液pH值

从表1中可以看出，与穿墙套管表面接触的密封材料浸出液为碱性，不利于铝合金表面钝化膜保持稳定状态。

2.2 腐蚀产物成分分析测试

对现场取回的腐蚀产物中铝和镁的含量进行分析，南宁供电局110 kV仙葫变电站穿墙套管腐蚀产物中铝和镁含量分析结果见表2。

表2 仙葫变电站穿墙套管腐蚀产物成分分析 %

根据表2数据，仙葫变电站穿墙套管腐蚀产物中铝镁含量质量比与该套管所用铝合金材料中铝镁含量比例一致。

3 穿墙套管腐蚀原因分析

3.1 GIS设备穿墙套管铝合金壳体发生腐蚀的条件

根据铝合金腐蚀机理，结合现场检查及实验室检测试验情况，可以确认新村、仙葫等变电站GIS设备穿墙套管发生腐蚀的原因为铝合金材料碱性腐蚀，其发生腐蚀的条件为：

1）GIS设备穿墙套管与墙面之间采用防火石棉板密封，壳体与石棉板直接接触；

2）壳体表面防腐漆破损或存在缺陷，不能有效阻挡溶液及氧气的渗入；

3）接触部分长期处于潮湿状态，其pH值为9～10，为钝化-活性腐蚀电池提供了电解质环境，满足了发生孔蚀的条件。

3.2 GIS设备穿墙套管腐蚀过程分析

当同时满足以上3个条件时，GIS设备穿墙套管将不可避免地发生腐蚀，腐蚀发展的速度因具体情况有所不同。整个腐蚀的过程可以分为以下几个阶段。

3.2.1 腐蚀发展初期

铝合金的抗腐蚀性能主要源自其表面致密的氧化铝膜，氧化铝膜能有效地隔离氧气，由于氧化铝是两性氧化物，跟酸碱都能起反应，一旦遇到酸性或碱性溶液，铝合金表面致密的氧化铝薄膜就会遭到破坏，反应如下：

铝的腐蚀电位图见图3，由图3可以看出，pH值为4.3～8.5时，金属铝可形成氧化铝膜，该pH范围称为钝化区[2-3]，当pH值超出钝化区范围时，铝与H+或氧气（OH-存在的前提下）即可发生进一步的腐蚀反应。

图3 铝的腐蚀电位图

另外，含有卤素离子，特别是氯离子的环境对钝化膜具有很强的破坏作用，因为氯离子对于氧化膜具有很强的穿透性[4]。氯离子破坏钝化膜一般选择膜最薄或有缺陷的地方。在膜破处的金属为阳极，而其他未被破坏的地方为阴极，形成钝性-活性电池。因阳极的面积较小且不随时间而改变其位置，故铝合金表面会发生孔蚀现象[1]。

GIS设备穿墙套管与防火石棉板直接接触的部位由于雨水的作用处于潮湿状态，加之石棉材料具有吸水保湿的特性，一旦遭遇雨水侵入将导致接触部位长期处于湿润状态，防火石棉板中的各种盐分不断释放到水中，形成了pH为9.84左右的电解质溶液（实验室测试结果）。在现场检查过程中未发现GIS设备穿墙套筒表面防腐漆有异常损坏的痕迹，可以排除因漆面破损碱液直接接触导致腐蚀的可能性。由于套管表面采用冷刷漆工艺，将使套管表面防腐漆层不可避免存在缺陷，客观上为碱液及氧气侵入提供了通道，一旦碱液接触到铝合金表面，在卤素离子特别是氯离子（石棉板成分复杂，浸出液含有卤素离子）的作用下，铝合金表面的钝化膜被破坏，在碱液及氧气的共同作用下，腐蚀开始发展。

3.2.2 腐蚀发展中期

钝化膜破裂后，碱液和氧气不断侵入，铝合金发生腐蚀，生成铝、镁各种盐类的水合物。由于这些腐蚀产物体积增大，使防腐漆漆面出现鼓包现象。虽然由于防腐工艺的局限，碱液和氧气可以侵入漆面内部，但毕竟侵入的速度非常缓慢，因此，从钝化膜发展到出现鼓包是一个较长时间的过程。

3.2.3 腐蚀发展后期

腐蚀发展后期即腐蚀发展的快速期。随着腐蚀的发展，鼓包不断增大，直至将防腐漆面撑破。此时，碱液和氧气可以直接接触到壳体铝合金材料，形成腐蚀电位更高的钝化-活性腐蚀电池。腐蚀速度急剧增加，并且迅速向壳体纵深发展，形成严重的孔蚀，最终导致灾难性的后果。

4 结语

GIS穿墙套管漏气的原因是套管铝合金材料发生严重的孔状腐蚀。GIS设备穿墙套管与墙面之间采用防火石棉板进行密封，在雨水的作用下，渗出的碱性溶液穿透表面防护漆，使GIS套管铝合金材料表面的氧化铝钝化膜遭到破坏，形成钝化-活性腐蚀电池，孔蚀快速发展直至穿透铝合金壳体。同时，需要指出的是，GIS穿墙套管是否发生腐蚀、发生腐蚀的部位以及腐蚀的程度与密封挡板选用的材料、套筒直接接触的位置、套管表面的防腐漆状态以及雨水浸入的程度等因素有关，这就是为什么部分穿墙套管在安装几年内就出现严重孔蚀穿透壳体导致漏气，而部分穿墙套管在安装数年之后才会出现腐蚀，而部分穿墙套管则不发生腐蚀的原因。