随着我国经济的迅速发展，电力需求日益增长，电网工程规模不断扩大。2022年，全国新增220 kV及以上输电线路长度超过38 000 km，全国新增220 kV及以上变电设备容量（交流）超过25 000万kW。据统计，电网系统超过90%的设备长期服役于各类自然环境中，高速延伸的电网面临着自然环境的严峻考验[1]。目前，电网金属材料在不同自然环境（大气、土壤等）中的腐蚀数据仍十分欠缺，难以制订不同环境中电网金属材料设计、选材和腐蚀防护措施，电网的运行维护仍处于较低水平[2-4]。
铝材和铜材在电网设备中应用广泛，涵盖变压器套管、线夹、导线、断路器和隔离开关等传动部件。近年来，已有较多铜、铝合金材料在不同大气环境中的腐蚀研究报道。WANG等[5]研究了3A21和5A05防锈铝合金在工业、海洋大气环境中的腐蚀行为，结果表明，铝合金试样在这两种环境中都发生了点蚀，且海洋大气环境对铝合金的侵蚀性更强。夏晓健等[6]分析了钢、铝、铜构件的大气腐蚀机理，总结了主要金属构件的现有腐蚀防护措施及其有效性。VERA等[7]研究了太平洋南部某热带岛屿中纯铜的大气腐蚀产物，得出铜表面的铜绿化合物具有疏松多孔、薄且厚度不均的特点。崔中雨等[8]通过现场暴晒试验，研究了H62黄铜在西沙海洋大气环境中的腐蚀行为。结果表明，黄铜试样发生了明显的脱锌腐蚀，主要腐蚀产物为ZnO和Zn5（OH）8Cl2·2H2O，腐蚀产物层下的黄铜基体中存在厚度为20~50 μm的脱锌层。目前，已开展的研究大多集中于腐蚀产物组成、腐蚀机理以及关键环境因素对腐蚀过程影响等，缺少各主要环境因素对金属材料大气腐蚀综合效应的研究，不能全面、准确地反映不同地域、不同环境金属材料大气腐蚀的规律性。
灰色系统介于白色系统与黑色系统之间，是指只能掌握或只能获得部分控制信息的系统[9]。基于灰色系统建立的灰色关联度分析多应用于探究某种环境下各环境因素与金属材料腐蚀速率的关联性，寻找影响金属材料腐蚀的关键因素[10-12]。H59黄铜等金属材料在服役过程中受到复杂环境因素的影响，属于部分信息已知，但总体尚未明确的灰色系统，适用于采用灰色关联分析探究各主要环境因素与H59等金属材料腐蚀速率的关联性。
为确定H59黄铜和2024、5052铝合金在安徽省大气环境中的腐蚀过程及机理，笔者在安徽省内选取多个变电站作为投样点，开展为期1 a、3 a的大气曝露试验。取回试样后，开展腐蚀产物的组成与腐蚀层结构测试分析，获取暴露不同时间试样的大气腐蚀速率数据，采用灰色关联分析，结合安徽省各地市的主要环境因素数据，开展各主要环境因素对金属材料大气腐蚀过程影响规律的研究。
1. 试验
1.1 试样及投样
试验选取厚5 mm的H59黄铜和2024、5052铝合金薄板，将其裁剪成150 mm×100 mm矩形试样，化学成分见表1。试样表面应光滑、清洁，H59黄铜的化学成分符合GB/T 5231-2022《加工铜及铜合金牌号和化学成分》要求，铝合金的技术指标符合YS/T 454-2018《铝及铝合金导体》的要求。
| 试样 | 质量分数/% |
|---|---|
| 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型电子天平（精度0.1 mg）称量试样后，将其分别放置在安徽省内选定的100个变电站，投样点分布见图1。大气曝露试验严格按GB/T 14165-2008《大气腐蚀试验现场试验的一般要求》执行。试样框架正面朝南，试样与水平面呈45°。在露天环境中分别曝露1 a（2018.5-2019.4）和3 a（2019.5~2022.4）后，取回试样并拍照。
1.2 试验方法
选取典型站点现场暴露不同时期的试样，采用JSM-6490型扫描电子显微镜（SEM）及Oxford INCA型X-射线电子能谱仪（EDS）观察、测试试样表面腐蚀产物的形貌及微区成分。SEM及EDS测试时工作电压为20 kV，工作距离为10 mm。在试样表面刮取腐蚀产物，研磨成粉末后，采用D/MAX2500V型X-射线衍射仪测试腐蚀产物的物相组成。X射线衍射（XRD）条件：Cu靶（Kα，波长λ=0.154 nm），管电压为20 kV，管电流为20 mA，衍射角范围2θ=10°~90°，扫描速率为3（°）/min。
所有投样点的金属试样均按GB/T 16545-2015《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》的要求，清除表面腐蚀产物，处理后的试样经清洗，无水乙醇擦拭后吹干，再称量。采用公式（1）计算试样的腐蚀速率：
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(1) |
式中：rcorr为腐蚀速率，μm/a；W0和WT为试验前后试样的质量，g；S为试样的总表面积，cm2；t为试验时间，d；D为材料的密度，g/cm3。
1.3 灰色关联分析
灰色关联分析模型基于灰色系统建立，将分析序列分为两类：参考序列与比较序列。参考序列是能反映系统行为特征的数据序列，记为X0（k）；比较序列是由影响系统行为的因素组成的数据序列，记为Xi（k）（i=1，2，…，n）。其基本思想是根据序列曲线几何形状来判断不同序列之间的联系是否紧密，几何形状越接近，则发展趋势越接近。本工作开展的安徽省电网有色金属试样大气腐蚀灰色关联分析的具体过程如下[13]：
首先，对安徽省各地市投样点暴露1 a、3 a后的试样腐蚀速率数据求平均值，构成如下的参考数列X0（k）（k=1，2，…，16，代表安徽省16个地市）。
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(2) |
同时，搜集安徽各地市1 a和3 a的大气环境因素数据，包括平均温度、平均湿度和SO2、NO2、O3、PM2.5、PM10含量等7方面，构成如下比较数列Xi（k）（i=1，2，…，7，代表7个主要的大气环境因素）。
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(3) |
据此，采用均值化处理，消除原始数据的差异后，开展灰色关联分析：
令：Δmin=mini mink|X0（k）-Xi（k）|，Δmax=maxi maxk|X0（k）-Xi（k）|，Δ0i（k）=|X0（k）-Xi（k）|，则：
关联系数：
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(4) |
关联度：
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(5) |
式中：δ为分辨系数，本文中δ取0.5[14]。
根据上述公式计算ri值，确定各大气环境因素对试样大气腐蚀的影响程度。ri越大，则大气环境因素i的影响越大，对试样大气腐蚀的贡献越明显。
2. 结果与讨论
2.1 大气环境
安徽省地理条件特殊，横跨长江、淮河两大重要水系；皖南多山，皖北多平原，皖中多丘陵；南北温度、湿度及地形条件相差较大。表2列出部分地市的环境因素数据，由于安徽省地处内陆，空气中Cl-含量很低，表内并未列入。安庆、池州、马鞍山、铜陵等长江经济带城市为该省重要的工业集聚地，平均温度高，湿度大，大气污染物含量也较高。淮南市地处江淮之间，是我国重要的煤矿、煤电及煤化工基地，工业污染相对较为严重。阜阳市位于皖北平原，平均温度、湿度低，工业化程度较低，大气污染物含量也较低。
