近海含SO2環(huán)境中高壓隔離開關鋁合金部件的組織及腐蝕特征

陳劍光,蘇 賁,羅 雪,李小強,董重里

(1. 廣東電網有限責任公司，廣州 510030； 2. 華南理工大學 國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640)

近海含SO2環(huán)境中高壓隔離開關鋁合金部件的組織及腐蝕特征

陳劍光1,蘇 賁1,羅 雪2,李小強2,董重里1

(1. 廣東電網有限責任公司，廣州 510030； 2. 華南理工大學 國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640)

運用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和X射線衍射儀(XRD)對近海含SO2環(huán)境中使用過的高壓隔離開關2A12-T4鋁合金部件的組織以及腐蝕特征進行分析。結果表明：2A12-T4鋁合金晶粒沿變形方向拉長，并形成了一定數量的亞晶；主要的第二相是T相，并有大量的位錯纏繞在T相周圍。2A12-T4鋁合金主要的腐蝕產物是Al(OH)3和Al2(SO4)3·14H2O，腐蝕主要受到濕潤條件下Cl-和SO2兩種腐蝕性介質的聯(lián)合作用，而拉長變形的晶粒以及第二相粒子則加速了腐蝕。

鋁合金；組織；腐蝕

鋁和鋁合金具有比強度優(yōu)異、導電性良好等優(yōu)點，是電力行業(yè)中主要的輸變電設施材料。2A12鋁合金強度高，常用來加工變電設備的零部件。2A12鋁合金的耐蝕性能夠滿足一般的使用要求，但在沿海和大氣污染嚴重地區(qū)，其腐蝕敏感性增強，會面臨嚴峻的腐蝕問題，給設備的安全運行帶來隱患[1-2]。

廣東省某220 kV變電站距海1 km且距離亞洲最大的臺山火力發(fā)電廠10 km。應用環(huán)境不僅濕潤而且富含腐蝕介質SO2和Cl-，這必然會加重鋁合金的腐蝕。本工作分析了該變電站高壓隔離開關用2A12-T4鋁合金管材和板材的組織特征以及腐蝕產物，對變電站維護以及安全運行具有較為重要的意義。

1 試驗

從廣東省某220 kV變電站已使用的高壓隔離開關中的2A12-T4鋁合金管材和板材取樣，然后加工成尺寸為5 mm×5 mm×3 mm的試樣。再經砂紙逐級打磨、拋光以及keller試劑腐蝕，或離子減薄制樣。采用Leica DMI 500M光學顯微鏡進行金相觀察。采用Nova Nanosem 430環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)和Tecnai G2 F30透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀組織，并通過電子背散射衍射(EBSD)技術對晶粒大小和取向進行分析。

2A12-T4鋁合金在近海含SO2環(huán)境中腐蝕產物的相組成通過Bruker D8 Advance X射線衍射儀(XRD)進行分析，腐蝕產物層的形貌則采用環(huán)境掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結果與討論

2.1 顯微組織分析

由圖1可見，管材和板材的顯微組織中均存在細小的析出相，而且析出相分布呈現(xiàn)出明顯的方向性。由圖2可見，晶粒沿著擠壓和軋制方向拉長，并且與管材的晶粒相比，板材的晶粒變形程度更為顯著，晶粒長寬比更大；管材的晶粒取向差較大，晶粒內部存在少量的亞晶。然而，板材的晶粒取向差相對較小，晶粒內部形成了數量更多的亞晶。

2.2 腐蝕產物分析

鋁在大氣環(huán)境中極易氧化，在表面形成一層致密的Al2O3膜，Al2O3膜逐漸轉變成γ-AlOOH，最后轉變成非晶態(tài)Al(OH)3[8]，這層膜能夠阻擋鋁合金發(fā)生進一步的腐蝕。但在濕潤的近海環(huán)境中，鋁合金表面易形成薄液膜。當大氣中高含量的SO2溶于此薄液膜時，便會形成亞硫酸，見式(1)。亞硫酸電離后薄液膜呈酸性，同時亞硫酸容易氧化生成硫酸，反應過程見式(2)～(4)[9]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(a) 管材,OM形貌

(b) 板材，OM形貌

(c) 管材，SEM形貌

(d) 板材，SEM形貌圖1 2A12-T4鋁合金的顯微組織Fig.1 Microstructure of 2A12-T4 aluminum alloy: (a) pipe, OM morphology; (b) plate, OM morphology; (c) pipe, SEM morphology; (d) plate, SEM morphology

(a) 管材,花樣襯度

(b) 板材,花樣襯度

(c) 管材,晶粒取向

鋁合金表面形成的氧化膜在酸性薄液膜中容易被破壞，生成的腐蝕產物為鋁的硫酸鹽。同時，薄液膜中的Cl-在鋁合金表面的活性位置如氧化膜不完整處發(fā)生吸附，與氧化膜發(fā)生一系列的電化學反應,見式(5)～(7)[10]。Cl-的存在加快了鋁合金表面氧化膜減薄和破裂，導致新鮮表面裸露，從而促進腐蝕。

(d) 板材,晶粒取向圖2 2A12-T4鋁合金的花樣襯度和晶粒取向圖Fig. 2 Band contrast and crystal orientation maps of 2A12-T4 aluminum alloy pipe (a, c) and plate (b, d)

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(6)

(7)

在近海含SO2的環(huán)境中，因SO2和Cl-的相互促進作用，加速了2A12-T4鋁合金的腐蝕。2A12-T4鋁合金腐蝕初期的典型特征是點蝕，在局部表面逐步形成明顯的圓環(huán)狀或塊狀腐蝕產物，腐蝕產物疏松，不規(guī)則的塊狀或圓胞狀產物間有明顯的裂紋，隨著腐蝕時間進一步延長，腐蝕產物從基體呈層片狀剝落[1]。

(a) 管材，低倍

(b) 板材，低倍

(c) 管材，高倍

(d) 板材，高倍圖3 2A12-T4鋁合金的TEM形貌Fig. 3 TEM morphology of 2A12-T4 aluminum alloy: (a) pipe, low magnification; (b) plate, low magnification; (c) pipe, high magnification; (d)plate, high magnification

圖4是2A12-T4鋁合金管材和板材在近海含SO2環(huán)境中腐蝕后的形貌。由圖4可見：2A12-T4鋁合金表面發(fā)生了嚴重的腐蝕，蝕坑周邊的腐蝕產物較疏松，呈不規(guī)則的塊狀；管材的腐蝕產物層較完整地覆蓋在表面，而板材的腐蝕產物層已發(fā)生部分脫落，露出了大而深的蝕坑。

(a) 管材，低倍

(b) 板材，高倍

(c) 管材，低倍

(d) 板材，高倍圖4 2A12-T4鋁合金在近海含SO2環(huán)境中腐蝕后的形貌Fig. 4 Corrosion morphology of 2A12-T4 aluminum alloy after corrosion in offshore environment with SO2: (a) pipe, low magnification; (b) plate, low magnification; (c) pipe, high magnification; (d)plate, high magnification

剝落腐蝕行為的發(fā)生需要兩個條件:拉長的晶粒和晶界析出相或者無沉淀析出帶形成的腐蝕活性通道。其中，腐蝕活性通道主要與晶界析出相或晶界無沉淀析出帶等相關[11]。2A12-T4鋁合金基體中分布著T相和少量S′相、θ′相等第二相粒子。由于SO2和Cl-的共同作用，氧化膜破裂，新鮮的鋁基體和第二相粒子暴露于介質中。在局部電位差的作用下，第二相粒子和鋁基體形成許多腐蝕微電池[12]。第二相中活潑的元素溶解，形成陽極溶解通道，便于O2的擴散，并使2A12-T4鋁合金由表及里不斷深入地受到侵蝕。由圖5可見，2A12-T4鋁合金的腐蝕產物主要由Al(OH)3和Al2(SO4)3·14H2O構成。由于變電站距離亞洲最大的臺山火力發(fā)電廠只有10 km，大氣中SO2含量高，所以腐蝕產物中Al2(SO4)3·14H2O的含量與Al(OH)3的含量相差不大。

圖5 2A12-T4鋁合金腐蝕產物的XRD測試結果Fig. 5 XRD results of corrosion products of 2A12-T4 aluminum alloy

3 結論

(1) 2A12-T4鋁合金管材和板材的晶粒沿變形方向拉長，并形成了一定數量的亞晶；主要的第二相是T相，并有大量的位錯線纏繞在T相周圍。

(2) 在近海含SO2環(huán)境中，2A12-T4鋁合金主要的腐蝕產物是Al(OH)3和Al2(SO4)3·14H2O。腐蝕主要受到濕潤條件下Cl-和SO2兩種腐蝕性介質的聯(lián)合作用，而拉長變形晶粒以及第二相粒子則進一步加速了腐蝕。

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Microstructure and Corrosion Characteristics of Aluminum Alloy High Voltage Isolation Switch Parts Applied in Offshore Environment with SO2

CHEN Jian-guang1, SU Bi1, LUO Xue2, LI Xiao-qiang2, DONG Zhong-li1

(1. Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510030, China; 2. National Engineering Research Center of Near-net-shape Forming for Metallic Materials, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The microstructure and corrosion characteristics of 2A12-T4 aluminum alloy high voltage isolation switch parts used in offshore environment with SO2were investigated by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffraction (XRD). The results show that the grains of 2A12-T4 aluminum alloy were elongated along the deformation direction, and a certain number of sub-crystals formed. The main second phase was T phase surrounded by a mass of dislocations. The main corrosion products of 2A12-T4 aluminum alloy were Al(OH)3and Al2(SO4)3·14H2O. The corrosive behavior was mainly controlled by Cl-and SO2in moist environment. Additionally, the deformed elongated grains and the second phase particles accelerated the corrosion.

aluminum alloy; microstructure; corrosion

10.11973/fsyfh-201704002

2016-06-30

廣東電網有限責任公司科技項目(GDKJ00000081)

陳劍光(1970-)，高級工程師，從事輸變電設備管理相關工作，13825122311，fschjg@163.com

TG172

A

1005-748X(2017)04-0252-04