GIS穿墙套筒腐蚀穿孔的原因与改进建议

(广西电网有限责任公司电力科学研究院，南宁 530023)

气体绝缘开关设备(GIS)具有空间体积小，不受环境影响，运行安全可靠等优点，因此广泛运用于各种电压等级的电力系统中。SF6泄漏是GIS设备最常见的故障类型之一。GIS运行时内部的SF6必须保持在3～4倍大气压力下，一旦出现漏气点，SF6就会快速泄漏，使设备的绝缘强度在短时间内迅速下降，给设备安全运行带来危害。制造过程中筒体表面存在砂眼、焊缝，以及安装过程中配件选用不当、密封件变形等是导致GIS漏气的常见原因[1]。但近年来，户内GIS的母线筒体穿墙部分陆续发生了多起电化学腐蚀穿孔事件，穿孔部位通常位于套筒与墙面之间的密封挡板后，墙体内部套筒的腐蚀穿孔更为隐蔽，容易造成金属结构的突然失效，具有相当大的危害性。

某110kV变电站GIS穿墙套筒由腐蚀穿孔导致漏气，本工作对其进行剖析，详细阐述了分析过程，并给出了预防此类事故的制造及施工建议。

1 漏气情况

2017年8月4日，检修班人员用红外检漏仪现场检查时，发现该变电站水圩I线104线路侧GIS穿墙套筒与穿墙窗口室内密封防火板接触位置存在一个漏气点，该点位于筒体右上部(面向穿墙窗口)并有大量SF6气体从此处泄漏。检修人员拆除密封防火板，发现漏气点附近的隔离材料鼓起，破开一小块隔离材料进一步检查，发现漏气点附近筒体表面有腐蚀损伤，损伤部分外表面附着有白色粉末和淡黄色不规则颗粒状物体。刮开少量白色粉末和淡黄色不规则颗粒状物体后，漏气点彻底暴露，如图1所示。检修人员对套筒表面检查发现，该筒体表面原覆盖一层编织网状、类似塑料的隔离层，隔离层表面涂有一层与其他筒体一致的无光泽浅灰色漆。除漏气点外，尚有多处腐蚀痕迹，分布在套筒的上、中、下部，筒体沿轴向与不锈钢挡板直接接触；穿墙套筒周围敷设的防火包因雨水渗入处于潮湿状态。

图1 GIS穿墙套筒腐蚀穿孔的位置Fig. 1 Location of corrosion perforation of GIS wall bushing

2 运维情况

根据GB/T 8349-2000《金属封闭母线》、CECS 154-2003《建筑防火封堵应用技术规程》等标准中的要求，金属封闭母线在穿越防火墙处或楼板处，其壳外应设防火隔板或用防火材料封堵，以防止烟火蔓延。此次发生泄漏的GIS穿墙套筒原采用水泥进行封堵，根据南网反措要求，GIS穿墙管筒严禁用水泥封堵，而应采用非腐蚀性、非导磁性材料。因此，2013年7月，检修人员对该筒体进行封堵改造。破拆后发现筒体表面发生了局部腐蚀，腐蚀深度为0.1 mm左右，但没有发生腐蚀穿孔。因此，检修人员未对筒体进行更换，而是将发生局部腐蚀的部分打磨光滑后用酒精清洗，晾干后依次在其表面涂刷环氧底漆、环氧铁红防锈漆、灰色面漆，漆膜干燥后在筒体表面包覆塑料编织带以避免筒体与防火封堵材料直接接触。此后，进行防火处理，最外层为防火板，中间依次为火砖层、防火包层，最内层为防火板，最后采用玻璃胶填补防火板与筒体之间的缝隙。据检修人员反映，为保证黏结力足够大，使用的玻璃胶是有刺鼻气味的酸性玻璃胶。

3 腐蚀原因分析

3.1 防火包浸出液成分分析

将现场取回的防火包拆开后，取其中防火材料用研钵磨成粉末状，分别称取0、10、30、50 g粉末加入100 mL除盐水，搅拌均匀静置20 min后，取上层清液测得其pH分别为6.8、6.7、6.5、6.4。结果表明：加入不同量防火材料粉末的浸出液均为近中性溶液，表明防火材料由近中性的有机纤维和无机盐组成；将加入10 g粉末的浸出液过滤后,用离子色谱进行成分检测，结果表明浸出液中各离子的浓度分别为0.77 mmol/L Cl-，0.35 mmol/L SO42-，0.03 mmol/L NO3-，0.22 mmol/L F-。一般雨水中的Cl-浓度仅为0.03 mmol/L[2]，因此浸出液中的Cl-浓度远高于雨水中的。

3.2 腐蚀产物成分分析

对现场取回的腐蚀产物进行能谱分析，结果如表1所示。筒体所用材料为铝硅镁系铸铝合金，故腐蚀产物中的铝、镁、硅等元素来自于筒体材料，氯主要来自于防火包材料。

表1 腐蚀产物成分的分析结果(质量分数)Tab. 1 Analysis result of corrosion products (mass fraction) %

3.3 腐蚀过程分析

该次发生腐蚀穿孔的GIS穿墙套筒材料为铝硅镁系铸铝合金，与其他系铝合金相比，铝硅镁系铸铝合金的耐蚀性更好，在大气环境中其表面会迅速生成致密的氧化膜(主要为γ-Al2O3)，甚至在很多天然淡水体系中都具有很好耐蚀性[3]。雨水渗入以及墙体内部本身湿度较大，使防火包长期处于潮湿状态。当墙体内部水气向湿度较低的外部迁移时，被包覆在筒体表面的塑料纤维拦截，在筒体与挡板接触部位形成局部积水，同时防火包中的各种盐分不断释放到水中，为筒体表面提供了发生电化学腐蚀必须的电解液环境。根据图2所示铝-水体系的Pourbaix图[4]可知，当溶液pH在4.3～8.5范围内时，铝处于钝化状态，此时筒体表面除了受到自身的致密氧化膜保护外，还受到施工时涂刷的漆膜保护，防火包渗出液中所含的氯需穿透防腐蚀漆膜才能破坏氧化膜。因此，在腐蚀发生前首先发生的是漆膜的破坏。

图2 铝-水体系的Pourbaix图Fig. 2 Pourbaix plot of Al-H2O system

现场GIS穿墙套筒表面涂覆的漆膜遭到破坏的原因可能有三种：一是酸性玻璃胶固化时间较长，漆膜与玻璃胶长期接触下发生溶胀软化[5]；二是GIS正常或故障状态下分合操作，在筒体上产生暂态过电压，由于筒体外壳多点接地引起外壳瞬间通过近千安的环流[6]，将湿度较大处的漆膜击穿，造成电流通道内的漆膜破坏[7]；三是改造时涂刷的漆膜材料与原厂使用漆膜的热膨胀性能不同，筒体表面温度变化较大[8]，使得新旧漆膜接触处由于热胀冷缩出现空隙。

漆膜遭到局部破坏后，积水渗入筒体钝化膜表面，γ-Al2O3逐渐转变为Al(OH)3。在近中性溶液中，Cl-浓度大于0.5 mmol/L时即可引起铝合金发生点蚀[9]，Cl-通过竞争[10]取代Al(OH)3中的OH-，最终生成可溶性产物AlCl3，其腐蚀反应如式(1)～(3)，在漆膜破裂处形成活性腐蚀孔。

(1)

OH-

(2)

(3)

由于积水中溶解了从玻璃胶中不断释放出的醋酸分子，因此呈现弱酸性，与碱性溶液中加速孔蚀的氧浓差电池作用不同，根据不同pH条件下铝合金的极化曲线图(见图3)可知，此时阴极发生的是析氢反应。腐蚀孔形成后，孔内的铝合金失去保护，作为阳极处于活性溶解状态，溶解产物以Al3+、Mg2+为主，孔外的金属则处于钝化状态，该过程中发生的电化学反应见式(4)～(5)。为维持腐蚀孔内的电中性，醋酸根不断向孔内迁移，与Al3+结合生成醋酸铝。由于醋酸铝为弱酸弱碱盐，在孔内发生双水解反应，见式(6)，生成胶体状的腐蚀产物Al(OH)3聚集在孔口，使得孔内外物质的传递受到很大阻碍，形成了具有“大阴极、小阳极”特点的钝化-活化局部腐蚀电池，不断加速腐蚀反应的发生，反应机理见图4。

(4)

(5)

图3 不同pH条件下铝合金的极化曲线[9]Fig. 3 Polarization curves of aluminum alloy at different pH values[9]

图4 腐蚀反应机理Fig. 4 Mechanism of corrosion reaction

(6)

腐蚀产物Al(OH)3在孔口不断聚集，体积增大，使防腐蚀漆的漆面出现鼓包现象。受到钝化-活化腐蚀电池的自催化作用，以及重力影响，腐蚀孔不断沿重力方向发展，最终使GIS穿墙筒体腐蚀穿孔，形成漏气点。

4 结论与施工改进建议

根据以上分析，水圩I线104线路侧GIS穿墙筒体在防火包渗出的浸蚀性阴离子与玻璃胶释放的酸性物质共同作用下发生了电化学腐蚀，最终穿孔导致气体泄漏。筒体表面漆膜的破坏是导致腐蚀的关键，造成此现象的原因仍需进一步研究，并采取相应的预防应对措施，以确保GIS产品安全运行。

穿墙套筒是否发生腐蚀、腐蚀的部位以及腐蚀的程度与密封挡板选用的材料、套筒与密封挡板直接接触的位置、套筒表面的防腐蚀漆状态以及雨水浸入的程度等因素有关。这也是有些穿墙套筒在安装几年内就出现了严重孔蚀并穿透壳体导致漏气，有些穿墙套筒在安装数年之后才出现腐蚀，而有些穿墙套筒不发生腐蚀的原因。

为避免GIS铝合金穿墙套筒发生电化学腐蚀，首先应防止整个产品的壳体周边有积水存在。产品在安装设计时，应根据当地地理气候条件，充分考虑雨水排畅，凝露结水等因素，做好预防积水的设计。南方部分地区气候较为潮湿，穿墙孔部位与外界空气不流通，使得筒体在墙体内局部湿度接近饱和，为电化学腐蚀提供环境，因此在施工过程中应注意内部防潮，在湿度较大的地区应考虑采用墙体除湿机。

在防腐蚀涂料的选择上应根据母线套筒的工作特点，选择耐热性较好的涂料，避免因母线过热造成漆膜开裂。涂刷过程中应保证筒体表面干燥，均匀涂刷涂料，避免因涂刷工艺不合格造成漆膜缺陷。此外，可采用一种SBS(苯乙烯系热塑性弹性体)改性沥青防水卷材[11]，根据环境温度采用热熔法、冷粘法卷材包覆在壳体表面，边铺卷材边用橡皮辊子推展卷材以便排除空气至压实。另可参照土建施工中安装铝合金门窗时用泡沫枪在墙体缝隙填注泡沫的做法，在GIS外壳与混凝土间预留不小于30 mm的间隙，再在间隙内充分灌充塑料泡沫，作为防腐蚀措施。

在防火施工方面，根据现有运行经验，水泥、石棉纤维、防火包等封堵材料均对GIS筒体材料具有腐蚀性。因此，可将混凝土封堵改为用铝合金或防火绝缘板框架分上下两块封堵，中间预留母线进出孔洞，可采用墙体中部单层封堵，厚度建议不小于10 mm，也可采用内外墙面双层封堵，此种封堵方法还便于今后设备检修拆解，但需注意筒体与防火板之间的缝隙应采用无腐蚀性、对GIS筒体面漆无溶胀作用的堵料。