隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電力需求日益增長(zhǎng)，電網(wǎng)工程規(guī)模不斷擴(kuò)大。2022年，全國(guó)新增220 kV及以上輸電線路長(zhǎng)度超過(guò)38 000 km，全國(guó)新增220 kV及以上變電設(shè)備容量（交流）超過(guò)25 000萬(wàn)kW。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電網(wǎng)系統(tǒng)超過(guò)90%的設(shè)備長(zhǎng)期服役于各類自然環(huán)境中，高速延伸的電網(wǎng)面臨著自然環(huán)境的嚴(yán)峻考驗(yàn)[1]。目前，電網(wǎng)金屬材料在不同自然環(huán)境（大氣、土壤等）中的腐蝕數(shù)據(jù)仍十分欠缺，難以制訂不同環(huán)境中電網(wǎng)金屬材料設(shè)計(jì)、選材和腐蝕防護(hù)措施，電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)仍處于較低水平[2-4]。
鋁材和銅材在電網(wǎng)設(shè)備中應(yīng)用廣泛，涵蓋變壓器套管、線夾、導(dǎo)線、斷路器和隔離開(kāi)關(guān)等傳動(dòng)部件。近年來(lái)，已有較多銅、鋁合金材料在不同大氣環(huán)境中的腐蝕研究報(bào)道。WANG等[5]研究了3A21和5A05防銹鋁合金在工業(yè)、海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為，結(jié)果表明，鋁合金試樣在這兩種環(huán)境中都發(fā)生了點(diǎn)蝕，且海洋大氣環(huán)境對(duì)鋁合金的侵蝕性更強(qiáng)。夏曉健等[6]分析了鋼、鋁、銅構(gòu)件的大氣腐蝕機(jī)理，總結(jié)了主要金屬構(gòu)件的現(xiàn)有腐蝕防護(hù)措施及其有效性。VERA等[7]研究了太平洋南部某熱帶島嶼中純銅的大氣腐蝕產(chǎn)物，得出銅表面的銅綠化合物具有疏松多孔、薄且厚度不均的特點(diǎn)。崔中雨等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)暴曬試驗(yàn)，研究了H62黃銅在西沙海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為。結(jié)果表明，黃銅試樣發(fā)生了明顯的脫鋅腐蝕，主要腐蝕產(chǎn)物為ZnO和Zn5（OH）8Cl2·2H2O，腐蝕產(chǎn)物層下的黃銅基體中存在厚度為20~50 μm的脫鋅層。目前，已開(kāi)展的研究大多集中于腐蝕產(chǎn)物組成、腐蝕機(jī)理以及關(guān)鍵環(huán)境因素對(duì)腐蝕過(guò)程影響等，缺少各主要環(huán)境因素對(duì)金屬材料大氣腐蝕綜合效應(yīng)的研究，不能全面、準(zhǔn)確地反映不同地域、不同環(huán)境金屬材料大氣腐蝕的規(guī)律性。
灰色系統(tǒng)介于白色系統(tǒng)與黑色系統(tǒng)之間，是指只能掌握或只能獲得部分控制信息的系統(tǒng)[9]?；诨疑到y(tǒng)建立的灰色關(guān)聯(lián)度分析多應(yīng)用于探究某種環(huán)境下各環(huán)境因素與金屬材料腐蝕速率的關(guān)聯(lián)性，尋找影響金屬材料腐蝕的關(guān)鍵因素[10-12]。H59黃銅等金屬材料在服役過(guò)程中受到復(fù)雜環(huán)境因素的影響，屬于部分信息已知，但總體尚未明確的灰色系統(tǒng)，適用于采用灰色關(guān)聯(lián)分析探究各主要環(huán)境因素與H59等金屬材料腐蝕速率的關(guān)聯(lián)性。
為確定H59黃銅和2024、5052鋁合金在安徽省大氣環(huán)境中的腐蝕過(guò)程及機(jī)理，筆者在安徽省內(nèi)選取多個(gè)變電站作為投樣點(diǎn)，開(kāi)展為期1 a、3 a的大氣曝露試驗(yàn)。取回試樣后，開(kāi)展腐蝕產(chǎn)物的組成與腐蝕層結(jié)構(gòu)測(cè)試分析，獲取暴露不同時(shí)間試樣的大氣腐蝕速率數(shù)據(jù)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合安徽省各地市的主要環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，開(kāi)展各主要環(huán)境因素對(duì)金屬材料大氣腐蝕過(guò)程影響規(guī)律的研究。
1. 試驗(yàn)
1.1 試樣及投樣
試驗(yàn)選取厚5 mm的H59黃銅和2024、5052鋁合金薄板，將其裁剪成150 mm×100 mm矩形試樣，化學(xué)成分見(jiàn)表1。試樣表面應(yīng)光滑、清潔，H59黃銅的化學(xué)成分符合GB/T 5231-2022《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》要求，鋁合金的技術(shù)指標(biāo)符合YS/T 454-2018《鋁及鋁合金導(dǎo)體》的要求。
| 試樣 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% |
|---|---|
| H59 | Cu：57~60；Pb<1.9；Fe<0.5；Al<0.2；Zn：余 |
| 2024Al | Cu：3.90~4.90；Mg：1.20-1.80；Mn：0.35~1.0；Zn：0.25；Cr：0.10；Al：余 |
| 5052Al | Mg：2.3~2.8；Fe≤0.41；Si≤0.26；Cr：0.15~0.36；Cu ≤0.11；Mn≤0.10；Zn≤0.10；Al：余 |
采用FA2004N型電子天平（精度0.1 mg）稱量試樣后，將其分別放置在安徽省內(nèi)選定的100個(gè)變電站，投樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。大氣曝露試驗(yàn)嚴(yán)格按GB/T 14165-2008《大氣腐蝕試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的一般要求》執(zhí)行。試樣框架正面朝南，試樣與水平面呈45°。在露天環(huán)境中分別曝露1 a（2018.5-2019.4）和3 a（2019.5~2022.4）后，取回試樣并拍照。
1.2 試驗(yàn)方法
選取典型站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)暴露不同時(shí)期的試樣，采用JSM-6490型掃描電子顯微鏡（SEM）及Oxford INCA型X-射線電子能譜儀（EDS）觀察、測(cè)試試樣表面腐蝕產(chǎn)物的形貌及微區(qū)成分。SEM及EDS測(cè)試時(shí)工作電壓為20 kV，工作距離為10 mm。在試樣表面刮取腐蝕產(chǎn)物，研磨成粉末后，采用D/MAX2500V型X-射線衍射儀測(cè)試腐蝕產(chǎn)物的物相組成。X射線衍射（XRD）條件：Cu靶（Kα，波長(zhǎng)λ=0.154 nm），管電壓為20 kV，管電流為20 mA，衍射角范圍2θ=10°~90°，掃描速率為3（°）/min。
所有投樣點(diǎn)的金屬試樣均按GB/T 16545-2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》的要求，清除表面腐蝕產(chǎn)物，處理后的試樣經(jīng)清洗，無(wú)水乙醇擦拭后吹干，再稱量。采用公式（1）計(jì)算試樣的腐蝕速率：
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(1) |
式中：rcorr為腐蝕速率，μm/a；W0和WT為試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量，g；S為試樣的總表面積，cm2；t為試驗(yàn)時(shí)間，d；D為材料的密度，g/cm3。
1.3 灰色關(guān)聯(lián)分析
灰色關(guān)聯(lián)分析模型基于灰色系統(tǒng)建立，將分析序列分為兩類：參考序列與比較序列。參考序列是能反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列，記為X0（k）；比較序列是由影響系統(tǒng)行為的因素組成的數(shù)據(jù)序列，記為Xi（k）（i=1，2，…，n）。其基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀來(lái)判斷不同序列之間的聯(lián)系是否緊密，幾何形狀越接近，則發(fā)展趨勢(shì)越接近。本工作開(kāi)展的安徽省電網(wǎng)有色金屬試樣大氣腐蝕灰色關(guān)聯(lián)分析的具體過(guò)程如下[13]：
首先，對(duì)安徽省各地市投樣點(diǎn)暴露1 a、3 a后的試樣腐蝕速率數(shù)據(jù)求平均值，構(gòu)成如下的參考數(shù)列X0（k）（k=1，2，…，16，代表安徽省16個(gè)地市）。
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(2) |
同時(shí)，搜集安徽各地市1 a和3 a的大氣環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，包括平均溫度、平均濕度和SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10含量等7方面，構(gòu)成如下比較數(shù)列Xi（k）（i=1，2，…，7，代表7個(gè)主要的大氣環(huán)境因素）。
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(3) |
據(jù)此，采用均值化處理，消除原始數(shù)據(jù)的差異后，開(kāi)展灰色關(guān)聯(lián)分析：
令：Δmin=mini mink|X0（k）-Xi（k）|，Δmax=maxi maxk|X0（k）-Xi（k）|，Δ0i（k）=|X0（k）-Xi（k）|，則：
關(guān)聯(lián)系數(shù)：
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(4) |
關(guān)聯(lián)度：
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(5) |
式中：δ為分辨系數(shù)，本文中δ取0.5[14]。
根據(jù)上述公式計(jì)算ri值，確定各大氣環(huán)境因素對(duì)試樣大氣腐蝕的影響程度。ri越大，則大氣環(huán)境因素i的影響越大，對(duì)試樣大氣腐蝕的貢獻(xiàn)越明顯。
2. 結(jié)果與討論
2.1 大氣環(huán)境
安徽省地理?xiàng)l件特殊，橫跨長(zhǎng)江、淮河兩大重要水系；皖南多山，皖北多平原，皖中多丘陵；南北溫度、濕度及地形條件相差較大。表2列出部分地市的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，由于安徽省地處內(nèi)陸，空氣中Cl-含量很低，表內(nèi)并未列入。安慶、池州、馬鞍山、銅陵等長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶城市為該省重要的工業(yè)集聚地，平均溫度高，濕度大，大氣污染物含量也較高。淮南市地處江淮之間，是我國(guó)重要的煤礦、煤電及煤化工基地，工業(yè)污染相對(duì)較為嚴(yán)重。阜陽(yáng)市位于皖北平原，平均溫度、濕度低，工業(yè)化程度較低，大氣污染物含量也較低。
