CN115753576A

CN115753576A - 一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷的判定方法

Info

Publication number: CN115753576A
Application number: CN202211462575.6A
Authority: CN
Inventors: 宗立君; 吴亚平; 杜宝帅; 樊志彬; 李辛庚; 田辉; 米春旭; 王维娜; 王倩; 刘鑫; 朱耿增; 于丰杰; 张李鹏; 王晓明; 李文静; 姚硕; 张振岳; 闫风洁; 高智悦
Original assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本发明提供一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷的判定方法，试样材料包括碳钢、镀锌钢、不锈钢、铝及铝合金，试样类型包括平板试样、拉伸试样和装配试样，所述装配试样为建筑装配金属结构件；将试样清洗、干燥和称量，并对装配试样施加变形或力矩后，采用周期浸润+交变湿热循环模式进行腐蚀试验，最后根据试样差异制定合理的试样加速时间与取样周期，进行腐蚀特征参数记录与分析。本方案选取了可反应输变电设备金属材料腐蚀进程和腐蚀发展的特征参量和特征试样，能准确判断现场服役设备构件的腐蚀规律。

Description

一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷的判定方法

技术领域

本发明涉及输变电设备金属材料腐蚀研究领域，具体涉及一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷的判定方法。

背景技术

长期暴露于大气环境中的输变电设备金属构件遭受环境因素的综合作用引发腐蚀损伤，造成构件承载面积损失、材料性能劣化，严重影响输变电设备的服役安全性，输变电设备腐蚀安全性评估很大程度上依赖金属材料本身腐蚀程度的量化。表征金属材料腐蚀的参数通常包括腐蚀形貌（腐蚀面积）、腐蚀速率（失重、失厚）、蚀坑（直径、深度、数量）、腐蚀产物物相、电化学参数等。而进一步在金属构件上，除了上述金属材料基本腐蚀参数外，还包括力学性能、电性能等服役性能参数。这些参数随着服役环境、腐蚀进程在不断变化。腐蚀特征与腐蚀缺陷是准确把握金属材料腐蚀进程的重要依据，也是结构件可靠性分析的基础数据，腐蚀特征宏观把握腐蚀进程的发展趋势，反映了构件承载面积损失，而腐蚀缺陷特征则体现腐蚀特征的空间变异性，揭示了结构件力学性能以及导电构件导电性能退化的原因。

在国家材料腐蚀数据库中，金属材料的腐蚀特征参数往往记录的都是与失重和失厚直接相关的参数，腐蚀失厚与失重参数能够反应发生均匀腐蚀的诸如碳钢腐蚀发展规律，而对于铝合金、不锈钢等发生局部腐蚀的金属腐蚀规律研究并不相符。况且铝合金、不锈钢的腐蚀数据在历史腐蚀数据库中甚少，不足于支撑规律性研究。此外，输变电设备构件在服役过程中通常受应力、应变以及温升等因素影响，常规加速试验平板试样与实际设备构件之间的腐蚀相关性并不明确，平板试样腐蚀特征数据对于金属构件、设备、设施的服役安全性缺乏直接参考作用，并不能准确判断现场服役设备构件的腐蚀规律。

发明内容

本发明目的是提供一种输变电设备金属材料腐蚀特征及腐蚀缺陷判定方法，不仅能够填补输变电设备铝合金、不锈钢腐蚀数据的空缺，还能研究典型输变电设备构件的腐蚀过程。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷的判定方法，包括步骤：

S01）选择试验试样，试样材料包括碳钢（如Q235、Q355）、镀锌钢（镀锌厚度60~120μm）、不锈钢（如304）、铝及铝合金（铝及铝合金在电力行业多采用1系、6系铝合金如1050、6063），试样类型包括平板试样，试样尺寸约为（50~100）mm×50mm×（2.0~6.5）mm，拉伸试样，尺寸依据相关标准选择，和装配试样，所述装配试样为输变电设备装配金属结构件，如角钢螺栓连接试样，铝绞线压接试样等，连接形式与尺寸依据真实部件实际尺寸或等比例放大缩小；

选择合适牌号的金属材料及形状的腐蚀试样构件，是实现准确预判输变电设备腐蚀状态与发展规律的前提。典型输变电设备金属材料主要涉及碳钢、热镀锌钢、不锈钢、铝及铝合金，通过腐蚀（缺陷）特征研究方法，可快速掌握典型大气腐蚀环境中四种材料的腐蚀（缺陷）特征参量，并对钢构件、不锈钢部件、铝合金导体进行加速腐蚀研究，可为输变电设备部件腐蚀寿命的预判提供基础数据。本发明选择了碳钢、热镀锌钢、不锈钢及铝合金导体，属于典型输变电设备用金属材料，覆盖面广、针对性强。

S02）试样预处理，将试样清洗、干燥和称量，并对装配试样施加变形或力矩；

S03）采用周期浸润+交变湿热循环模式进行腐蚀试验；

S04）根据试样差异制定合理的试样加速时间与取样周期，进行腐蚀特征参数记录与分析；

S05）绘制腐蚀参数发展趋势，提取能够反应输变电设备金属材料的腐蚀状态和腐蚀发展进程的参数，定义为腐蚀特征参数，进一步研究相应结构件性能退化的原因。

优选的，碳钢试样采用平板试样和拉伸试样，是因为碳钢主要被用做承力构件，因此力学性能是碳钢服役过程中最为关键的指标；所述镀锌钢试样采用平板试样、拉伸试样和角钢装配件试样，电网设备中镀锌钢最常见的应用场景为输电铁塔，角钢铁塔由“L”型角钢件利用螺栓连接组成。为将应力对腐蚀进程的影响纳入考量，使用镀锌角钢螺栓连接组合件进行实验室加速腐蚀试验；所述铝合金试样采用平板试样、拉伸试样、接线板试样和铝绞线压接试样，利用铝接线板进行实验室加速腐蚀试验，能够考虑装配缝隙对铝合金腐蚀进程的影响；所述不锈钢试样采用平板试样，不锈钢多用作壳体，承力可基本忽略不计，因而不锈钢材料仅采用平板试样；试样牌号与构件形式如表1：

优选的，碳钢试样表面涂镀防护涂层。

优选的，防护涂层采用油漆或镀锌。

优选的，对装配试样施加变形或力矩的方式为：对所述镀锌钢角钢装配件施加5mm-7mm变形量，以更好地模拟现场铁塔的应力应变状态。对所述铝合金接线板施加力矩45N∙m-50N∙m，可模拟铝接线板实际受力状态。

优选的，镀锌钢角钢装配件的变形量通过紧固底部两个螺栓，调整上端长螺栓旋紧程度来实现，所述铝合金接线板的力矩是将两片相同的铝合金板相互叠加、通过螺栓紧固实现。

优选的，制定的加速时间具体为：由于碳钢表面无任何防护层，表面很快被锈层覆盖，随着研究的进行，表面锈层由初始的疏松状态变厚***，对内部金属形成一定的保护，进而锈层脱落导致试样减薄，0~960h的腐蚀时间可明显呈现碳钢的腐蚀规律，因此选择碳钢加速腐蚀时间为0~960h；镀锌钢由于表面镀锌层防护作用，抵抗腐蚀能力明显增强，设置1500h的加速时间可使表面镀锌层明显减薄，甚至开始产生红锈使得碳钢基底露出，能够全面掌握镀锌层的腐蚀规律，因此选择镀锌钢加速腐蚀时间为0~1500h；铝合金与不锈钢本身具有较好的耐蚀性，腐蚀过程通常呈现点蚀发展，进程缓慢，0~3000h腐蚀时间的设定可以看出点蚀萌生、发展规律，因此选择铝合金与不锈钢加速腐蚀时间为0~3000h。

优选的，指定的取样周期具体为：碳钢试验至48h、96h、240h、480h、960h时取样，镀锌钢试验至96h、240h、480h、960h、1200h、1500h时取样，铝合金、不锈钢试验至240h、480h、960h、1440h、1920h、2400h、2880h时取样。

优选的，试验参数包括：腐蚀产物清除之前，平板试样与设备构件需记录宏观形貌、称重、厚度、腐蚀产物、电化学分析，设备构件如铝接线板测量其导通电阻、电导率等性能参数。按照标准清洗腐蚀产物后，仍记录试样的宏观形貌、重量、厚度等参数。拉伸试样用于抗拉强度、断后伸长率检测。

通过除锈前参数的检测，得出除锈前腐蚀参数的发展规律，与除锈后腐蚀参数规律进行比对，可知除锈前的腐蚀增重、增厚与除锈后失重、失厚变化趋势相同，因此可用除锈前的腐蚀参数进行作为特征参量对腐蚀进程评估，避免了繁琐的除锈过程，可以对输变电设备构件腐蚀状态实现现场评价。通过设备部件与材料腐蚀规律的关联性，可实现设备关键部件腐蚀状态与腐蚀进程的准确判断，为设备腐蚀剩余寿命预测提供数据支撑。因此，试验分析优选的一种方法包括步骤：将腐蚀速率作为碳钢的腐蚀特征参数，除锈前腐蚀增厚或除锈后腐蚀失厚作为碳钢的腐蚀缺陷特征；将Fe/Zn值作为镀锌钢的腐蚀特征参数，镀锌层厚度的减薄作为镀锌钢的腐蚀缺陷特征；将点蚀坑参数为铝合金、不锈钢的腐蚀特征，通过腐蚀特征趋势反应输变电设备金属材料的腐蚀状态和腐蚀发展进程，进一步研究相应结构件性能退化的原因。

本发明的优点在于：

（1）提供了一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷的试验研究方法，筛选了可反应输变电设备金属材料腐蚀进程和腐蚀发展的特征参量，掌握输变电设备构件腐蚀发展，实现输变电设备构件腐蚀进程的定性定量评价，提升设备防腐效能；

（2）材料选型覆盖常见输变电金属材料锌、铝、碳钢、不锈钢及相应材料定制的典型结构件，覆盖面广、针对性强，补充了输变电金属材料的腐蚀数据，填补了输变电设备铝合金、不锈钢腐蚀数据的空白；

（3）定义了输变电设备金属材料的腐蚀缺陷特征，基础数据可用于输变电设备部件服役性能与腐蚀缺陷之间关系研究，为钢结构、铝合金部件腐蚀失效提供判据。

附图说明

图1为本发明实施例2的镀锌角钢件结构示意图；

图2为本发明实施例3的铝合金接线板结构示意图；

图3为本发明实施例1的腐蚀速率变化趋势图；

图4为本发明实施例1的腐蚀失重变化趋势图；

图5为本发明实施例3的导通电阻变化趋势图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

试样选型为Q355碳钢平板与拉伸试样，平板试样尺寸为50mm×50mm×（4.370~4.396）mm。核对编号、测量初始厚度、称重；每种环境准备16个平板试样、5个拉伸试样。

周浸溶液组成为3.5%NaCl+0.05%Na₂SO₄，以模拟海洋大气腐蚀环境。浸泡温度为室温（25℃±2℃），干燥温度为70℃±2℃，相对湿度为50%。周浸时间为每天8：00—下午6：00共10个小时，按照“浸泡10min~干燥50min”顺序每1h循环一次。下午6：00—次日8：00，采用交变湿热循环模式，按照“温度25℃、湿度97%，30min→温度60℃、湿度97%，30min→温度60℃、湿度50%，30min”设定程序进行。

试验至48h、96h、240h、480h、960h时取样。每段时间结束，试样从装置中取出，尽可能彻底清洗试样以避免试样继续受到腐蚀。每个试验循环取出3个平板试样，取1个微观形貌分析后保存，另两个先用毛刷、手术刀取出腐蚀产物，装袋分析。之后按照标准清洗腐蚀产物，将腐蚀后的碳钢试样置于室温下的 500 mL HCl+3.5g 六次甲基四胺+1 L H₂O 除锈液中10min。用去离子水清洗吹干。称重，计算腐蚀速率和腐蚀厚度减薄。每个试验周期取出1个固定平板试样进行宏观拍照分析，取样后继续参与腐蚀循环试验；取1个拉伸试样用于抗拉强度、断后伸长率检测。

研究了碳钢腐蚀（缺陷）特征。腐蚀速率与腐蚀失重随时间的变化趋势分别如图3、4所示。可见腐蚀速率呈现初期增大、后逐渐减小的趋势，腐蚀失重随着加速时间呈现单调上升趋势。将腐蚀速率作为碳钢的腐蚀特征参数，可准确反应碳钢的腐蚀状态和腐蚀发展进程。腐蚀失重或腐蚀失厚作为碳钢的腐蚀缺陷特征，与拉伸试样力学性能变化趋势相同，可揭示碳钢结构件性能退化的原因。

实施例2

试验对象选择镀锌钢平板试样与角钢装配件，角钢装配件的结构请参照图1，平板试样尺寸为50mm×50mm，初始镀锌层厚度89.0~104μm。核对编号、初始厚度、镀锌层厚度，称重；每种环境准备19个平板试样、6个拉伸试样、6个角钢件。试验前需检测Fe/Zn比。

周浸溶液组成为0.1%NaCl+1%NaHSO₃，以模拟工业大气腐蚀环境。浸泡温度为室温（25℃±2℃），干燥温度为45℃±2℃，相对湿度为50%。周浸时间为每天8：00—下午6：00共10个小时，按照“浸泡10min~干燥50min”顺序每1h循环一次。下午6：00—次日8：00，采用交变湿热循环模式，按照“温度25℃、湿度97%，30min→温度60℃、湿度97%，30min→温度60℃、湿度50%，30min”设定程序进行。

镀锌钢试验至96h、240h、480h、960h、1200h、1500h时取样。每段时间结束，试样从装置中取出，尽可能彻底清洗试样以避免试样继续受到腐蚀。每个试验循环取出3个平板试样，取1个微观形貌分析后保存，另两个先检测Fe/Zn比，用毛刷、手术刀取出腐蚀产物，装袋分析。之后按照标准清洗腐蚀产物，250g氨基乙酸，加蒸馏水配制成1000mL溶液，70℃，2min-7min。称重、测厚度，计算腐蚀速率和腐蚀厚度减薄。取出1个固定平板试样进行宏观拍照分析，取样后继续参与腐蚀循环试验。每个循环取出1个角钢装配件观察腐蚀部位、拍照、清洗称重，计算腐蚀速率。

研究了镀锌钢材料及角钢件的腐蚀（缺陷）特征。镀锌锌角钢构件与平板试样的Fe/Zn比变化规律在全试验周期内基本一致，Fe/Zn值可以作为镀锌钢的腐蚀特征参数，能较好的反应镀锌钢的腐蚀发展趋势。镀锌层厚度的减薄作为镀锌钢的腐蚀缺陷特征，与拉伸试样力学性能变化趋势相同，可揭示碳钢结构件性能退化的原因。

实施例3

选1050铝合金平板试样及接线板为试验对象。接线板结构请参照图2，平板试样尺寸约为50mm×50mm×（5.06~6.01）mm。核对编号、初始厚度、称重；每种环境准备19个平板试样、6个接线板。需要测试试验前接线板的导通电阻。

周浸溶液组成为0.1%NaCl+1%NaHSO₃，以模拟工业大气腐蚀环境。浸泡温度为室温（70℃±2℃），能够模拟导线的运行发热状态。干燥温度为70℃±2℃，相对湿度为50%。周浸时间为每天8：00—下午6：00共10个小时，按照“浸泡10min~干燥50min”顺序每1h循环一次。下午6：00—次日8：00，采用交变湿热循环模式，按照“温度25℃、湿度97%，30min→温度60℃、湿度97%，30min→温度60℃、湿度50%，30min”设定程序进行。

铝合金试验至240h、480h、960h、1440h、1920h、2400h、2880h时取样。每段时间结束，试样从装置中取出，尽可能彻底清洗试样以避免试样继续受到腐蚀。每个试验循环取出3个平板试样，取1个进行腐蚀产物与微观形貌分析。2个试样按照标准清洗腐蚀产物，将腐蚀后的铝试样置于80℃下的50 mL H₃PO₄+20g CrO₃+1 L H₂O 除锈液中5-10min，从除锈液中取出试样，立即用清水冲洗并用酒精擦拭后吹干，称量(精确至0.1 mg)。重复上述过程，直至试样的质量变化小于1 mg。称重，计算平均腐蚀速率。取出1个固定平板试样进行宏观拍照分析，取样后继续参与腐蚀循环试验。每个循环取出1个接线板观察腐蚀部位、拍照、清洗称重，计算平均腐蚀速率。

研究了铝合金材料及接线板的腐蚀缺陷特征。通过轮廓仪微观检测铝合金及部件腐蚀表面，发现腐蚀初期腐蚀速率并不呈现单调发展趋势，而点蚀是其腐蚀发展的主要特征，导致表面粗糙度增大。点蚀伴随腐蚀的发展而逐渐发展，点蚀坑直径、点蚀坑深度等都在增大。铝接线板的导通电阻随着腐蚀时间的延长，也呈现逐渐增大趋势，如图5所示。因而用点蚀坑参数作为腐蚀特征及缺陷特征参数，可准确表征铝合金的腐蚀发展过程，点蚀与铝合金的服役性能（导通电阻）之间具有一定的相关性。

实施例4

选择304不锈钢平板试样为腐蚀试样，平板试样尺寸约为50mm×50mm×（1.79~1.90）mm。核对编号、初始厚度、称重；每种环境准备19个平板试样。

不锈钢试验至240h、480h、960h、1440h、1920h、2400h、2880h时取样。每段时间结束，试样从装置中取出，尽可能彻底清洗试样以避免试样继续受到腐蚀。每个试验循环取出3个平板试样，取1个进行腐蚀产物和微观形貌分析后保存，另两个按照标准清洗腐蚀产物，将腐蚀后的不锈钢试样置于60℃下的 100 mL HNO₃+1 L H₂O 除锈液中20min。称重，计算平均腐蚀速率。取出1个固定平板试样进行宏观拍照分析，取样后继续参与腐蚀循环试验。

研究了不锈钢的腐蚀（缺陷）特征。采用轮廓仪微观检测不锈钢腐蚀表面，发现随着腐蚀时间的延长，点蚀坑的直径逐渐扩大，导致表面粗糙度增大。而腐蚀失重呈现无规律变化。这说明点蚀为不锈钢材料的腐蚀（缺陷）特征参数。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷特征的判定方法，其特征在于，筛选常见输变电金属材料及结构部件作为试样，包括碳钢、镀锌钢、不锈钢、铝及铝合金，碳钢的腐蚀缺陷特征参数为腐蚀速率，除锈前腐蚀增厚或除锈后腐蚀失厚作为碳钢的腐蚀缺陷特征；镀锌钢的腐蚀特征参数为Fe/Zn值，镀锌层厚度的减薄作为镀锌钢的腐蚀缺陷特征；铝合金的腐蚀缺陷特征参数为点蚀坑深；不锈钢的腐蚀缺陷特征参数为点蚀坑密度。

2.根据权利要求1所述的一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷特征的判定方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

S01）试样类型包括平板试样、拉伸试样和装配试样，所述装配试样为输变电现场用装配金属结构件；

S03）采用周期浸润+交变湿热循环模式进行腐蚀试验；

S04）根据试样差异制定合理的试样加速时间与取样周期，进行腐蚀参数的分析；

3.根据权利要求1所述的一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷特征的判定方法，其特征在于，所述碳钢型号选型为Q235、Q335；铝合金材料牌号选择1050、5A01、6063；不锈钢牌号优选为304奥氏体不锈钢。

4.根据权利要求1所述的一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷特征的判定方法，所述碳钢试样采用平板试样和拉伸试样，所述镀锌钢试样采用平板试样、拉伸试样和角钢装配件试样，所述铝合金试样采用平板试样、拉伸试样、接线板试样和铝绞线压接试样，所述不锈钢试样采用平板试样。

5.根据权利要求2所述的一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷特征的判定方法，其特征在于，所述对装配试样施加变形或力矩的方式为：对所述镀锌钢角钢装配件施加5mm-7mm变形量，对所述铝合金接线板施加力矩45N∙m-50N∙m。

6.根据权利要求2所述的一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷特征的判定方法，其特征在于，所述镀锌钢角钢装配件的变形量通过紧固底部两个螺栓，调整上端长螺栓旋紧程度来实现，所述铝合金接线板的力矩是将两片相同的铝合金板相互叠加、通过螺栓紧固实现。

7.根据权利要求2所述的一种输变电设备金属材料腐蚀特征与缺陷特征的判定方法，其特征在于，所述制定的加速时间具体为：碳钢加速腐蚀时间为0~960h，镀锌钢加速腐蚀时间为0~1500h，铝合金与不锈钢加速腐蚀时间为0~3000h。

8.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述指定的取样周期具体为：碳钢试验至48h、96h、240h、480h、960h时取样，镀锌钢试验至96h、240h、480h、960h、1200h、1500h时取样，铝合金、不锈钢试验至240h、480h、960h、1440h、1920h、2400h、2880h时取样。

9.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述参数包括：腐蚀产物清除前试样的宏观形貌、称重、厚度，腐蚀产物、电化学分析，清洗腐蚀产物后的宏观形貌、重量、厚度，装配试样的导通电阻、电导率，拉伸试样包括抗拉强度、断后伸长率。