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湿热海洋环境下关键电器设备腐蚀防护技术研究

2017-08-07 09:15:16
作者:揭敢新 阮红梅 中国电器科学研究院有限公司工业产品环境适应性
来源:《腐蚀防护之友》

湿热海洋环境最大的特点就是高温、高湿、高盐雾,电器设备长期处于这种恶劣大气环境当中,如果防护措施不到位就会造成电器设备内部元器件的快速污染、腐蚀,进而使这些元器件的品质快速下降,大大缩短其使用寿命,严重威胁到电器设施的安全运行。在元器件受到污染及腐蚀的同时,也往往意味着电器绝缘性能的严重下降,进而严重威胁到人身与设施的安全。与此同时,电器设备相对精密,一旦出现故障,很难进行维修,严重时甚至需要全部翻新,其环境失效维护成本通常较高。因此非常有必要对电器设备采取有效的防护措施。

  

    前言

 

    湿热海洋环境最大的特点就是高温、高湿、高盐雾,电器设备长期处于这种恶劣大气环境当中,如果防护措施不到位就会造成电器设备内部元器件的快速污染、腐蚀,进而使这些元器件的品质快速下降,大大缩短其使用寿命,严重威胁到电器设施的安全运行。在元器件受到污染及腐蚀的同时,也往往意味着电器绝缘性能的严重下降,进而严重威胁到人身与设施的安全。与此同时,电器设备相对精密,一旦出现故障,很难进行维修,严重时甚至需要全部翻新,其环境失效维护成本通常较高。因此非常有必要对电器设备采取有效的防护措施。


    湿热海洋环境下,电器设备腐蚀失效是一个比较复杂的问题,与很多因素有关,如材料选型不当,电器设备结构设计不合理,霉菌、温度、湿度、盐雾等环境因素的影响,其中电子元器件服役微环境是影响电器设备腐蚀失效的最直接也是最关键的问题。为了更好解决电器设备的腐蚀失效问题,必须对湿热海洋环境下电器设备服役微环境的腐蚀严酷程度进行有效评估,摸清电器设备内部元器件存在的主要问题,并基于电器设备实际服役工况微环境数据采取有针对性的防护措施。为此我们开展了电器设备服役微环境腐蚀严酷度量化表征方法研究以及湿热海洋环境下电器设备腐蚀防护技术研究,采用适用的腐蚀环境控制技术为关键电器设备内部提供洁净的空气,从而使之免受腐蚀侵害。下面对这些相关研究工作做个简要的介绍。


    
湿热海洋环境下关键电器设备服役微环境腐蚀状况分析

 

    传统腐蚀性表征方法有很多,如金属挂片称重法、XRD定量分析法、EDX 定量分析法等,但是由于电器设备的工作环境腐蚀性相对微弱,金属表面形成的腐蚀产物膜在 100-2000A,金属挂片的重量变化在 0.001g 的量级,再加上附着在挂片表面的灰尘的影响,通过称重法测量腐蚀产物膜重量,误差较大。另外,微腐蚀环境下,腐蚀产物膜很薄,XRD 衍射强度弱,XRD 测试结果误差也较大,EDX 分析时电子束很容易穿过膜层,到达基体,也会造成较大的误差。总的来说传统腐蚀性表征方法都存在一定的局限性。


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    为此我们开发了高精度铜表征测试片,该测试片具有纯度高、含氧量低、组织均匀等特点,在微腐蚀环境下,能够准确表征腐蚀环境严酷度,腐蚀产物膜厚度理论测试精度可以达到 1A,能够对微量腐蚀环境进行分析,可以用于表征电器设备实际服役微腐蚀环境。以下将以实例加以说明。


    为了摸清湿热海洋环境下某关键电器设备实际服役微环境,我们将铜测试片置于电器设备内部进行为期 1 个月的监测,1 个月后铜表征测试片表面形成一层明显的腐蚀产物膜,如图 1 A 所示。在扫描电子显微镜下观察腐蚀产物膜,可以看到腐蚀产物膜比较平整,表面有一些小颗粒,如图 1B所示。采用 EDS 分析腐蚀产物膜中的元素组成及其含量,详细见表 1。腐蚀产物膜中的主要组成元素是 Cu 和 O,原子百分比分别是 70.83%、26.58%;由于空气中的盐雾沉积到铜表征测试片上,所以腐蚀产物膜中还含有 0.99% 的 Cl 元素。

 

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A 宏观形貌

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B微观形貌

图一.铜表征测试片在电器设备内部环境监测1个月后形貌

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    通过电解还原法分析铜表征测试片表面的腐蚀产物膜,测得电位 (E)- 时间 (t) 曲线如图 2 所示。由此判断腐蚀产物膜的主要成分为 CuO,通过计算得到腐蚀产物膜厚约 2447A。铜表征测试片的腐蚀速率为 2447/ 月,根据 ISA 71.04-2013,可以判定湿热海洋环境下某关键电器内部环境的腐蚀性等级属于 GX 级,即微环境十分严酷,电器设备面临腐蚀风险性极大,迫切需要采取有效的防护措施对其进行保护。

 

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图2.铜表征测试片腐蚀产物膜电解还原曲线

 

    湿热海洋环境下关键电器设备腐蚀防护技术研究

 

    目前有关电器设备的腐蚀防护技术主要从材料、工艺、结构等方面着手,如选择耐蚀性优异的元器件材料;采用特殊工艺如表面涂覆、喷三防漆等提高电路板的耐蚀性;改善电器设备结构如增加电器设备 IP 防护等级等。这些腐蚀防护技术均能一定程度上提高电器设备的耐蚀性,使得电器设备内部电子元器件免遭腐蚀侵害。但是这些技术不仅成本高,防护效果有限,而且还受一些产品特点的限制,如接插件这类金属元器件由于考虑电性能的影响,只能采用某类导电性高的材料且不能采用过多的表面处理防护技术,因此必须采取更为有效的防护措施对电器设备进行整体防护,才能从根本上解决电器设备的腐蚀失效问题。


    腐蚀环境净化技术作为电器设备防护的新型防护技术之一可使以上难题迎刃而解,这种净化技术主要通过盐雾净化过滤器对设备内部环境进行有效控制,直接改善电器设备内部的服役微环境,使相应的电器设备、零部件及元器件处于相对理想的微环境条件下,进而实现对其进行有效防护的目的。下面将从实验室净化效果测试和现场应用两方面介绍腐蚀环境净化技术。


    
1.试验室盐雾净化过滤器净化效果测试

 

    盐雾净化过滤器采用具有渐进结构的超疏水性过滤材料,提高过滤效率和容尘量的同时,不会导致压差的快速上升。设备初始压差在 100 ~ 120Pa 之间,可过滤尺寸处于2μm ~ 10μm 之间海盐粒子,净化后电器设备内部腐蚀等级可以达到 G1 等级。为了测试盐雾净化过滤器对高浓度盐雾的过滤效果,我们开展了以下几项测试:


    首先,持续向盐雾净化过滤器加 JIS 15 号测试灰,直到压降达到初始压降的两倍时为止。如图 3A 所示,测试灰被过滤器拦截,出风面上没有测试灰,说明盐雾净化过滤器能够很好的过滤空气中的粉尘。


    然后用加湿器模拟高浓度盐雾,可以看到,盐雾在进风面形成液滴,而且液滴没有透过出风面,如图 3B 所示。


    再将过滤器烘干(40℃),此时,进风面上的液滴变成固体颗粒,出风面上没有任何固体颗粒,如图 3C 所示。


    最后将过滤器放在 40℃、95%RH 的恒温恒湿室内,部分盐粒吸潮变为液滴。此时,过滤器仍保持良好的疏水性,出风面上没有任何水滴渗透,如图 3D 所示。这些试验结果表明,盐雾净化过滤器能有效地过滤掉空气中的高浓度盐雾。

 

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    2.盐雾净化处理系统在湿热海洋环境下电器设备的应用

 

    为了进一步测试盐雾净化过滤器的净化效果,我们将其应用到湿热海洋环境下某电器设备,该设备前期已通过铜测试片表征其内部腐蚀性等级为 GX 级。根据电器设备结构等综合特征为其定制盐雾净化处理系统,采取内部循环风的方式对内部进行盐雾净化处理。通过合理设计风管,以把净化风均匀地配送到各个位置,从而对电器设备内部的腐蚀环境进行有效的控制,实现对电器设备内部进行较好的保护。


    为了对盐雾净化处理系统净化效果进行有效的评估,我们采用铜表征测试片对净化后的电器设备内部环境进行为期一个月的监测,一个月后铜表征测试片表面如图 4A 所示,铜表征测试片表面光亮,肉眼观察不到明显的腐蚀产物膜。在扫描电子显微镜下观察铜表征测试片表面,可以观察到少量腐蚀斑点,如图 4B 所示。采用 EDS 分析腐蚀产物膜中的元素组成及其含量,详细见表 2。腐蚀产物膜中的主要组成元素是Cu 和 O,原子百分比分别是 82.27%、15.06%,没有发现 Cl元素。

 

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图4.盐雾净化处理系统后,铜表征测试片对电器设备内部环境监测1个月后的形貌

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图5.盐雾净化处理系统后,铜表征测试片腐蚀产物膜电解还原曲线

 

    通过电解还原法分析铜表征测试片表面的腐蚀产物膜,测得电位 (E)- 时间 (t) 曲线如图 5 所示。由此判断腐蚀产物膜的主要成分为 Cu 2 O 和 CuO,通过计算得到 Cu 2 O 的厚度为 49?,CuO 的厚度为 103?,腐蚀产物膜总厚度为 152?,所以铜表征测试片的腐蚀速率为 152?/ 月。根据 ISA 71.04-2013,湿热海洋环境下某电器设备内部环境在采用盐雾净化处理系统后的腐蚀性等级由净化前的 GX 级提升至 G1 级,即电器设备内部环境良好,不会对设备造成影响。由此可见,采用盐雾净化处理系统后,能有效过滤掉空气中的盐雾,电器设备内部环境得到了明显的改善,腐蚀性明显降低。


    湿热海洋环境气候下,关键电器设备在含有盐雾的空气中易发生腐蚀,盐雾净化处理系统作为一种新型防护技术,可以通过对设备内部的微环境进行有效的控制,直接改善电器设备内部的服役微环境,进而对电器设备进行有效的防护。


  
  结语

 

    湿热海洋大气环境下,电器设备长期处于高温、高湿、高盐雾严酷的环境中,面临的腐蚀问题形势非常严峻,直接导致电器设备故障率显著增加,甚至可能造成数据采集差错、控制动作失当, 造成意外事故, 严重影响生产任务和财产安全。


    因此,对湿热海洋大气环境下电器设备服役微环境进行有效的评估,并基于电器设备实际工况环境数据提出有针对的腐蚀防护措施,是非常必要的。


    当然,湿热海洋环境下电器设备的腐蚀失效是一个非常复杂的问题,有关电器设备的腐蚀防护还有很多问题亟待研究解决,本文介绍的仅是我们在电器防护方面做的一些工作,抛砖引玉,仅供大家参考。

 

    作者简介

 

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    揭敢新,男,1966年11月出生,教授级高级工程师,国务院政府特贴专家,毕业于西安交通大学,现就职于中国电器科学研究院有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室,担任全国电工电子产品环境标准化技术委员会气候分会主任委员、全国电工电子产品着火危险试验标准化技术委员会主任委员,主要从事工业产品环境适应性相关研究工作,近十年承担包括973、国家自然科学基金等25项科研项目;组织制修订国标72项;获专利6项,出版专著2部,发表学术论文38篇;获省部级奖励7项。

 

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责任编辑:殷鹏飞


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