地下工程电气设备的腐蚀机理研究

(中国人民解放军理工大学 工程兵工程学院电力教研室，江苏 南京 210007 )
摘 要：文章首先分析了地下工程内部造成电气设备腐蚀 的原因，然后根据金属腐蚀的速度与金属表面水膜层厚度的关系，对地下工程内间断运行的 电气设备的腐蚀机理进行了仿真计算与分析，得出地下工程内部的潮湿环境会加速金属腐蚀 的速度。最后提出了地下工程电气设备的防腐蚀措施。
关键词：地下工程；电气设备；潮湿；腐蚀；水膜；仿真
中图分类号：TB304  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)22—0038—02

现已普遍认为，影响大气腐蚀的最主要因素是湿度和温度。长期大气暴露试验结果显示，湿 热气候很容易引起高速度的腐蚀［1］。
对于一般的电气设备来说，相对湿度在30％～60％比较适宜，当相对湿度超过60％时，电气 设备就会出现不良影响。地下工程的潮湿环境一般是指相对湿度＞75％的空气环境［ 2］。在地下高潮湿环境中，电气设备极易造成表面结露甚至淌水，绝缘严重下降，直至 腐蚀损坏，工程维护时由此引起的触电、合闸拉弧、设备起火、爆炸等严重事故时有发生， 给地下工程的维护管理带来很大的困难，也给工程的使用埋下了极大的隐患。因此，研究电 气设备在地下工程潮湿环境中的腐蚀机理，探索其防护对策非常重要。
1 影响电气设备腐蚀的因素
1.1 相对湿度和温度

温度的波动和大气尘埃中的吸湿性杂质容易引起水分冷凝，在含有不同数量污染物的大气中 ，金属都有临界相对湿度，超过这一临界值，腐蚀速度就会突然猛增。在临界值之前，腐蚀 速度很小或几乎不腐蚀。出现临界相对湿度，标志着金属表面上产生了一层吸附的电解液膜 ，这层液膜的存在使金属从化学腐蚀转为电化学腐蚀，由于腐蚀性质发生了突变，因而腐蚀 大大增强。

当相对湿度低于临界湿度时，或低于65%时，无论是什么温度，金属几乎不腐蚀；当相对湿 度在临界湿度以上而金属有腐蚀时，温度每升高10℃，锈蚀的速度提高到约2倍。

温度更主要的影响表现在当温度大大降低时引起金属表面凝露，导致加速腐蚀。如昼夜温差 大，室内外温差大都会使凝露发生。如周期地发生凝露，生锈最为严重。

空气的温度和温差对电气设备的腐蚀速度有一定的影响，尤其是温差比温度的影响还大。在 一些大陆性气候的地区，日夜温差很大，造成相对湿度的急剧变化，使空气中的水分在设备 表面凝露，引起腐蚀。
1.2 介质成分

空气中含有一定量的腐蚀性气体，如二氧化硫、二氧化碳、氯化氢等。其中二氧化硫对金属 腐蚀的危害最大。据我国暴露在大气条件下的结果表明，金属的腐蚀速度近似地与空气中的 二氧化硫的含量成正比。
1.3 设备表面状态

设备表面的加工方法和表面状态对腐蚀速度也有明显的影响。例如，加工粗糙的表面比精磨 的表面易腐蚀，喷砂的新鲜而粗糙的表面易吸收潮气和赃物，易遭锈蚀。此外，已生锈的设 备表面的腐蚀速度大于表面光洁的钢铁件，因为腐蚀产物具有较大的吸湿性，会降低设备表 面的临界相对湿度，因此，一旦发现腐蚀就要及时清除。

影响电气设备腐蚀的因素比较复杂，随着气候、地区的不同，周围环境的成分、浓度、温度 等因素均有很大的差别。潮湿环境中对电气设备腐蚀有主要影响的是氧、水蒸气和二氧化碳 。但随着地区条件的不同，大气环境的特征就有所不同，地下工程的高潮湿环境具有较强的 腐蚀性。
2 电气设备腐蚀的仿真研究
2.1 腐蚀速度与金属表面水膜厚度的关系

防护工程的相对湿度较大，其内部的电气设备是间断运行的，运行时设备内部的温差变化较 大，容易形成水膜，而金属在水膜下的腐蚀速度极快。金属的腐蚀速度与其表面形成的水膜 厚度的关系，如图1所示，可以将其分为以下四种情况：

Ⅰ区，金属表面有几个分子层的吸附水膜，其厚度在10nm以下，没有形成连续的电解液，金 属的腐蚀速度很小。

Ⅱ区，当湿度超过临界相对湿度时，金属表面的水膜厚度在10nm～1μm之间，由于氧气的扩 散速度快，金属的腐蚀速度将成倍增加。

Ⅲ区，随着水膜厚度进一步增加，将形成肉眼可见的液膜，这时由于氧气的扩散速度变得困 难，因而金属的腐蚀速度也相应降低。

Ⅳ区，当水膜厚度逐渐增加形成水滴时，其腐蚀的速度与金属在液体中浸渍条件下的腐蚀相类似。
2.2 电气设备表面水膜形成的仿真与计算
2.2.1 建立模型。假设在一相对湿度为75％、温度为20℃、体积为1m3的空间内部，某表面积为0.01m²的 电气设备运行后，温度从20℃升至50℃，如图2。当设备停止运行后，其温度会逐渐降至20 ℃，空气的相对湿度会逐渐增大，当相对湿度达到100％时，空气中多余的水分会凝露，覆 盖在设备表面。

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2.2.2 仿真结果分析。图3所示为x方向上与电气设备相距不同距离处的温度分布。

从图中可以看出，电气设备运行后，在其附近很小的范围内温度变化比较明显。在x=0.36m 截面处，中心的温度为27℃，在此温度下，当温度降至20℃时，其相对湿度接近饱和，因此 可以认为水分凝露很少，可以忽略。
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2.2.3 水膜厚度计算。空气的相对湿度会随着温度的降低而逐渐增大，当相 对湿度超过100％时，多余的水分就会凝露，覆盖在设备表面形成水膜。空气中的水分含量 随空气相对湿度和环境温度的变化如表1所示。

由表1可以查出，设备运行时，其附近空气的相对湿度为75％，温度为50℃，此时空气中的 含湿量为63.3g/m³。当设备停止运行一段时间后，其附近空气的温度降至20℃，此时，空 气中的饱和含湿量为17.3g/m³，多余的水分会以水膜的形式覆盖在设备表面。

从仿真结果看，设备附近的空气温度变化非常明显，随着距离的增加，空气的温度下降非常 快，因此，这里只取设备附近0.2cm的区域进行计算，假设该区域内的温度分布均匀，当温 度降至20℃时，空气中将会有9.2×10^-3g的水分凝露，覆盖在设备表面。通过计算可 以得出，此时覆盖在设备表面的水膜厚度为0.92μm。由图1可以看出，在此水膜厚度下，由 于氧气的扩散速度快，金属的腐蚀速度成倍增加，电气设备的寿命会大大降低。
3 电气设备的防腐蚀措施

地下工程中使用的电气设备具有间断运行的特点，其腐蚀主要是地下的高潮湿环境引起的设 备表面凝露，从而造成设备的电化学腐蚀。为解决地下工程电气设备的腐蚀问题，提出以下 措施：①对设备采取整体密封的方法。例如，对电气配电箱的箱体采用严密的密封技术 ，使箱体内部与外部的空气隔绝，防止箱体外部的湿气进入箱体内部；②在密封的箱体内部 放置适量的吸湿剂，在箱体关闭后，吸收其内部的湿气，使其内部的相对湿度控制在适当的 范围内；③对箱门与吸湿剂盒使用连锁设计。当箱门打开时，关闭吸湿剂盒，防止吸湿剂暴 露在空气中失效，而当箱门关闭时，则打开吸湿剂盒出去箱内的湿气，降低箱体内部的相对 湿度。
［参考文献］
［1］ 梁彩凤，侯文泰.环境因素对钢的大气腐蚀的影响［J］.中国腐蚀与防护学 报,1998，18：1.
［2］ 赵平歌.地下建筑的防潮除湿研究［J］.地下空间与工程学报，2007，3(6) ：987～989，1004.
［3］ 曾胜资，李伍德.浅谈潮湿气候对电子装备的影响及防护［J］.气象水文装 备，2006，(4)：46～47.
［4］ 杨道武，朱志平，李宇春等.电化学与电力设备的腐蚀与防护［M］.中国电 力出版社，2004.
［5］ 潘应君，张恒，刘静著.材料环境学［M］.冶金工业出版社，2004.