腐蚀环境对电气设备防爆性能的影响

文章主要针对不同型式(主要涉及隔爆型、增安型)、不同隔爆结构(平面式、止口式、圆筒式、螺纹式)、不同材质(不锈钢、碳钢、铝、铜及塑料、橡胶、涂层等)的防爆电气产品在海洋盐雾及二氧化硫腐蚀环境中进行人工模拟加速试验得出材料耐蚀情况以及腐蚀环境对防爆结构破坏的特点和对电气防爆安全性能的影响。

引言

任何电气设备的制造都离不开材料任何电气设备的使用也都离不开环境材料在周围环境作用下发生性能下降、状态改变、直至损坏变质这就是腐蚀。材料的腐蚀行为与环境条件密切相关在有相当浓度的化学腐蚀性气体或蒸气的地方特别是由于潮湿出现凝露时就为各种形式的腐蚀提供了发生和发展的环境条件从而加速材料(尤其是金属材料)的腐蚀导致电气设备或元件的性能下降或早期失效。

电气设备使用的材料通常涉及两大类即金属材料和非金属材料常用的金属材料有碳钢和铸铁、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金等；非金属材料(这里只考虑有机材料)有塑料、橡胶、玻璃钢、涂层等。金属材料与非金属材料的腐蚀机理不同腐蚀表征也不同。金属材料的腐蚀一般是电化学腐蚀容易受到酸、碱、盐等化学腐蚀性介质的侵蚀；而非金属材料的腐蚀则是纯粹的化学或物理作用容易受有机溶剂、强氧化剂或日光照射(紫外线)和辐射的作用引起材料溶胀、降解、变质、老化等破坏。金属材料常见的腐蚀形态多以均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀和点腐蚀等表面特征呈现；而非金属材料腐蚀则呈现物理力学性能的变化(如强度降低、软化或硬化等)或外形的破坏(如表面起泡、变粗糙或变色等)。了解材料在不同环境条件下的腐蚀特征与耐蚀性才能真正做到材尽其用。

1材料腐蚀特性分析

为保证防爆电气设备可靠地长期运转将合理选材、正确设计、精心制造及良好的维护等几方面的工作密切结合起来是十分重要的。合理选材是其中首要的一环，选材时必须考虑环境的影响因素。我们知道任何材料都不是万能的，它们的应用都是有条件的，所谓耐蚀也是相对的，因此要一分为二地看待每种材料的性能。选材时应根据腐蚀环境具体分析。为了便于分析我们选择了最具代表性的(海洋大气)盐雾环境和(工业大气)二氧化硫腐蚀环境作为材料腐蚀特性分析的模拟环境条件，通过材料腐蚀试验分析其腐蚀特性，总结腐蚀环境对电气设备防爆性能的影响。

1.1不锈钢

腐蚀试验选用了、和L三种牌号的不锈钢，尽管它们在潮湿SO2及盐雾环境中发生的腐蚀均是电化学腐蚀，但在潮湿SO2环境中腐蚀的形态以均匀腐蚀为主，而在盐雾环境中腐蚀的形态则以局部腐蚀为主。如材质为不锈钢的防爆接线箱，经SO2腐蚀试验后样品表面发生均匀腐蚀，而经盐雾试验后样品表面基本无腐蚀，但铭牌下出现明显的缝隙腐蚀，说明同种牌号不锈钢材料在不同腐蚀介质中的腐蚀形态不同。

1.1.1SO2腐蚀环境

同一环境中不同牌号的不锈钢耐蚀性能不同。比较L、和几种牌号的不锈钢从样品表面腐蚀情况看，暴露在SO2气体腐蚀环境中，L的耐蚀性明显优于和，而、的样品表面均出现明显腐蚀，这说明它们不耐潮湿SO2腐蚀。

同一牌号的不锈钢因防护条件的差异其耐蚀性能不同。如牌号为的防爆防腐灯灯体外壳，其内、外表面因存在直接暴露和有橡胶密封圈防护条件的差异使腐蚀情况大不一样，腐蚀试验后灯体外壳内表面光亮如新，说明灯体与灯罩间的橡胶密封圈有效地阻隔了SO2腐蚀气体的浸入，而直接暴露的灯体外表面则出现了成片的锈迹。

在同一环境条件下同一牌号的不锈钢因表面状态不同耐蚀性能也不同。L本是一种耐蚀性能优异的不锈钢材料，但如牌号同为L的防爆控制按钮和F样件因表面状况不同造成较大的腐蚀差异，防爆控制按钮样品表面有一层银白色涂层，该涂层较薄且因存在局部脱落缺陷使样品表面状态不均匀，从而促进腐蚀的发生和发展。不锈钢一般具有较好的耐蚀性，作为结构材料使用其表面不宜做涂层处理。

1.1.2盐雾腐蚀环境

不锈钢本来是一种耐蚀性能较好的材料，但在盐雾环境中由于存在大量Cl-使不锈钢表面的钝化膜有被破坏的趋势，且在盐雾环境中被破坏的钝化膜自修复能力下降，这就是不锈钢在盐雾环境中发生局部腐蚀的根本原因。不锈钢在盐雾环境中常见的局部腐蚀形式有电偶腐蚀、缝隙腐蚀以及点腐蚀等。

在盐雾腐蚀环境中不锈钢样品的外壳表面基本没有发生大面积均匀腐蚀，但沿螺栓形成的腐蚀锈迹清晰可见，且所有紧固螺栓、垫圈以及外接地等腐蚀均比较严重，这是紧固螺栓、垫圈以及外接地的材质与样品材质间的差异造成的。在腐蚀环境中不同电位的异金属相接触会产生电位差，构成电偶，从而加速其中负电位金属(阳极)的腐蚀，即发生电偶腐蚀。因此，不锈钢材质外壳的紧固件及接地宜采用同种材质，避免电偶腐蚀的发生。在防爆电气结构设计中应尽量避免异金属接触导致电偶腐蚀，如果必须采用时异金属间应使用绝缘垫(如橡胶、塑料)隔开。另外不锈钢材质的防爆电气设备，其铭牌与壳体表面间的缝隙及平面式隔爆接合面间的缝隙为缝隙腐蚀创造了条件，一般在含有Cl-环境中最容易发生缝隙腐蚀，缝隙内是缺氧区，处于闭塞状态，随着腐蚀的发生、发展，缝内Cl-浓度增大，pH值下降，腐蚀加速。尽管缝隙是引起腐蚀的主要设计缺陷，但是隔爆接合面间的缝隙又是设计中难艺避免的，可以涂抹加有缓蚀剂的油脂防止缝隙腐蚀。

1.2碳钢

碳钢和铸铁都是铁碳合金，其价格低廉且机械性能和工艺性能良好，尤其是碳钢，广泛应用于防爆电气产品的结构材料。在耐蚀性方面，其化学稳定性较低，实际应用中多采用耐蚀金属镀层或采用涂料保护等防腐措施提高其耐蚀性。腐蚀试验选用的是QA碳钢。

QA是普通碳钢，在腐蚀环境中使用时其表面均应涂覆防护涂层。经SO2腐蚀试验和盐雾腐蚀试验后，样品表面涂层基本完好，但铭牌和紧固螺栓及垫圈等涂覆不好或未做防护处理的表面腐蚀则比较严重。隔爆型防爆电气设备的平面式或止口式隔爆接合面以”O型”橡胶密封圈为界，以外部分出现腐蚀，以内部分则无腐蚀，另外，经盐雾腐蚀后的隔爆接合面腐蚀比较轻，而经SO2腐蚀后的隔爆接合面腐蚀则比较严重，这说明QA碳钢耐盐雾腐蚀的能力要优于耐SO2腐蚀的能力。

1.3铝及铝合金

铝合金在工业上的应用仅次于钢铁材料，是制造防爆电气设备最常用的结构材料之一，这不仅是因为它质轻价廉，而且在一般的富氧中性环境下，其表面生成氧化铝保护膜成为有良好保护性的屏障层。铝的标准电位很负，是一种热力学活性金属，如果裸露使用在化学腐蚀环境中，肯定是不耐腐蚀的，因此，在化学腐蚀环境中使用铝质防爆电气设备其表面必须设计防腐层。腐蚀试验选择了牌号为ZL、YL的铝材。

铝的耐蚀性在很大程度上取决于周围的环境和表面氧化膜在介质中的稳定性。潮湿的SO2能加速铝的腐蚀，但与同样条件下的Fe和Cu比较，铝还算是耐蚀的。铝质电气设备在SO2腐蚀环境中的耐蚀性主要取决于其表面防护涂层的性质，经过SO2气体腐蚀试验后，样品表面涂层没有明显腐蚀，同时底金属铝也没有腐蚀，说明涂层起到了应有的保护效果。

铝在海洋盐雾环境中，由于Cl-能破坏其钝化膜，易发生孔蚀，所以铝在含有Cl-的盐雾环境中是不耐腐蚀的。Cl-半径较小，其通过涂层微孔向内部渗透、扩散的能力相对较强，同时Cl-对金属铝的腐蚀性极强，所以侵蚀表面涂层后，进而继续腐蚀基体金属，其腐蚀产物疏松且体积膨胀，又进一步促使表面涂层破裂、剥离及脱落。几乎所有铝质防爆电气设备经盐雾试验后，不但外表面涂/镀层出现严重鼓泡、起翘、剥离、脱落等质量缺陷，而且底金属铝也遭到严重腐蚀，另外样品表面涂层的破坏都是从边角部位开始的，这充分说明了涂层的边角效应，即边角部位是涂层最薄弱、最易出现质量缺陷的部位。

金属铝对氯离子非常敏感，腐蚀后其表面生成一层白色粉末状腐蚀产物，这对螺纹结构造成极大的影响，如螺纹式防爆接线盒经盐雾试验后，接线盒壳体及盖间的螺纹因严重腐蚀而无法打开，且在盐雾环境中所有铝质样品的紧固件(如螺栓、螺母)及螺纹部分被腐蚀产物堵塞，给所有螺纹结构的拆卸带来极大不便。在盐雾环境中由于存在大量的Cl-而使Al遭受严重腐蚀因此铝质防爆电气设备不宜在盐雾环境中使用。

1.4铜及铜合金

在大气条件下相对来说铜是较稳定的；在潮湿的SO2中，铜的腐蚀加剧，这时在铜的表面上生成CuSO4·3Cu(OH)2碱性硫酸铜的膜，这种膜没有保护作用；在海洋大气中，铜的表面上除了生成碱性硫酸铜CuSO4·3Cu(OH)2外，还有碱性氯化铜CuCl2·3Cu(OH)2生成。在实际中广泛使用的是铜合金——黄铜、青铜，尤其是青铜，经常被用作耐蚀结构材料。腐蚀试验选用了普通黄铜H59，试验表明它不耐盐雾及潮湿SO2介质腐蚀。防爆分线盒材质为H59，腐蚀试验后分线盒表面涂层没有出现明显变化，但铜质铭牌表面虽经涂层处理也出现了腐蚀，铜质铭牌在SO2腐蚀环境中腐蚀呈黑色，而在盐雾环境中则腐蚀发白；[

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