福建某海島架空輸電鋼芯鋁絞線的失效分析

陳云翔，林德源，洪毅成，江祖瑄，楊九霄，邵艷群

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建福州 350007;2.福州大學(xué)材料學(xué)院，福建福州 350108)

鋼芯鋁絞線具有結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)與維護(hù)方便、線路造價(jià)低、傳輸容量大等特點(diǎn)，在各種電壓等級的架空輸配電線路中得到廣泛應(yīng)用。鋼芯鋁絞線一方面在風(fēng)、冰凍以及其他惡劣環(huán)境因素影響下會擺晃，產(chǎn)生微動磨損和微動疲勞［1－3］;另一方面在大氣中受水分、化學(xué)氣體、塵埃和鹽類物質(zhì)等侵蝕性介質(zhì)的作用發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致導(dǎo)線明顯變脆，抗拉強(qiáng)度大幅降低［4］。腐蝕疲勞斷口記錄了裂尖局部材料微觀損傷和斷裂的基本特征，這些特征能反映材料本身和外加應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)等因素相互作用的本質(zhì)，是研究腐蝕疲勞斷裂機(jī)理最直接的依據(jù)［5］。通過分析斷裂過程遺留下來的斷裂形貌，將有助于研究具體體系的斷裂機(jī)理。本文借助X射線衍射儀、掃描電鏡以及能譜分析技術(shù)分析內(nèi)層鋁絞線的斷口形貌，探討鋁股線失效原因。

1 試驗(yàn)材料及方法

某海島35 kV線路81-82#塔間導(dǎo)線由26股直徑為2.4 mm的鋁股線和中心7股直徑為2 mm的鍍鋅鋼線絞制而成;鋁線分2層纏繞，外層16股、內(nèi)層10股，圖1為鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)示意圖、失效樣的形貌和表面取樣點(diǎn)。每一層間都有很多灰白粉末。內(nèi)層鋼芯銹跡斑斑，表面殘留灰白粉末。內(nèi)層鋁絞線的腐蝕比外層的嚴(yán)重。對內(nèi)層鋁絞線的表面和失效斷口進(jìn)行酒精清洗后，采用X射線衍射儀(Rigaku，UltimateⅢ，Japan)檢測表面的相組成;采用德國ZEISS SUPRA 55進(jìn)行表面形貌(SEM)分析;采用英國牛津OXFOOD X-MAX(50)進(jìn)行能譜測試(EDS);利用ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀確定樣品表面的元素組成和含量。

圖1 (a)鋼芯鋁絞線的示意圖、斷股導(dǎo)線的形貌;(b)表面取樣點(diǎn)Fig.1 (a)Sketch map of aluminum cable steel reinforced(ACSR)，morphology of conductor strand broken;(b)sampling position on surface

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鋼芯鋁絞線的使用環(huán)境［6］

福建省某海島上35 kV線路鋼芯鋁絞線的使用環(huán)境為亞熱帶海洋性氣候，全年最高氣溫35℃，最低氣溫2℃，年平均氣溫19.2℃，全年無霜，風(fēng)能資源豐富，空氣中富含各種負(fù)離子，海水理化因子穩(wěn)定，周圍無工業(yè)污染。全年4級風(fēng)以上時(shí)間達(dá)300天以上。南日島每年還會受到8個(gè)以上臺風(fēng)的影響。81-82#塔間鋼芯鋁絞線2009年10月投入使用，到2013年底斷股，僅運(yùn)行了不到5年的時(shí)間，遠(yuǎn)低于鋼芯鋁絞線一般設(shè)計(jì)壽命30年。可見，鋼芯鋁絞線經(jīng)受了海洋大氣環(huán)境的干濕交替和風(fēng)動的影響，使壽命大為降低。內(nèi)層鋁股線分別與外層鋁股線、心部的鋼芯接觸，腐蝕疲勞更為嚴(yán)重。

2.2 內(nèi)層鋁股線表面的顯微觀察

圖2為體式顯微鏡下觀察的表面和斷口的腐蝕形貌。從圖中可看出，表面有大量腐蝕產(chǎn)物，銹蝕非常嚴(yán)重，斷口處直徑明顯減小，有明顯的腐蝕坑和裂紋，也存在白色的腐蝕產(chǎn)物。

圖2 體式顯微鏡下觀察的顯微形貌(a)surface;(b)fractureFig.2 Microtopography observed by stereo microscope

2.3 內(nèi)層鋁股線斷口的XRD分析

圖3為內(nèi)層鋁股線的XRD圖譜，可以看出主要由 Al、Al(OH)3和 Al5(CO3)3(OH)13·xH2O 組成。而Al(OH)3是在溫度和水蒸汽的影響下形成的［7］。Al5(CO3)3(OH)13·xH2O可能是Al(OH)3和CO2的共同作用的結(jié)果。

圖3 內(nèi)層鋁絞線的XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of inner layer in aluminum stranded wire

2.4 內(nèi)層鋁絞線表面的SEM和EDS分析

圖4為內(nèi)層鋁絞線不同部位的SEM圖。圖4(a)為內(nèi)層無接觸區(qū)鋁絞線的SEM圖，腐蝕產(chǎn)物致密，裂紋也很細(xì)密，大裂紋較少，存在大塊剝落。這可能與鋁絞線與鋼芯之間的空隙有關(guān)，有利于鹽在此區(qū)域聚積。與鋼芯線接觸的內(nèi)層鋁股線之間的接觸損傷主要以粘著磨損為主。Al基體表面形成與軸向成一定方向的深犁溝以及表面疲勞裂紋和韌窩，說明鋁絞線表面發(fā)生了塑性變形，這是鋼芯與鋁絞線之間的相互摩擦所致［8］。同層鋁股線的絞合力作用以及風(fēng)力導(dǎo)致的復(fù)雜受力方式，孔洞更大，裂紋較寬且深。

2.5 內(nèi)層鋁絞線失效斷口的EDS分析

根據(jù)國標(biāo)GB 1179—83，鋁股線中含硅不大于0.13%、鐵不大于0.16%、硅加鐵不大于0.26%、鈦釩錳鉻之和不大于0.01%。圖5為失效斷口成分線掃描結(jié)果，可見，Al和O是主要元素。O是因?yàn)锳l容易被氧化以及表面的腐蝕產(chǎn)物造成的。Na、S、Ca、Cl的量都比較少，在整個(gè)面上分布比較均勻，來自于潮濕的海洋大氣和空氣。Ca在斷口邊緣稍多。值得一提的是C，C應(yīng)該來自于空氣中的CO2，主要分布在表面～200 μm內(nèi)，還有一部分集中在鋁絞線心部，這與C的來源以及C的擴(kuò)散有關(guān)。

圖4 內(nèi)層鋁絞不同部位的SEM圖(a)no direct contact areas between inner Al layers;(b)contact areas between inner Al layer and steels;(c)contact areas at inner Al layerFig.4 SEM of different parts in inner layer of aluminum stranded wire

3 討論

3.1 潮的大氣腐蝕的影響

在高濕和風(fēng)動影響下，海洋大氣中的 NaCl、MgCl2、CaCl2、硫化物等鹽類溶解于水膜中，形成電解液薄層，通過外層鋁股線的縫隙進(jìn)入內(nèi)層鋁絞線的表面，內(nèi)部可能一直處于潮的大氣腐蝕中，內(nèi)層鋁股線的腐蝕比外層嚴(yán)重。

3.2 應(yīng)力腐蝕的影響

反應(yīng)生成的腐蝕產(chǎn)物大部分無法通過縫隙排出去而沉積下來。隨著時(shí)間的延長，表面生成的腐蝕產(chǎn)物膜增厚，當(dāng)腐蝕產(chǎn)物膜形成到一定厚度后，水膜不斷形成與蒸發(fā)導(dǎo)致膜層中應(yīng)力的產(chǎn)生;同時(shí)膜層和基體相比將產(chǎn)生體積變化也會在膜層與基體的界面產(chǎn)生應(yīng)力，最終使膜層發(fā)生開裂，出現(xiàn)了龜裂狀的腐蝕表面，如圖4。鋁股線表面腐蝕產(chǎn)物的裂紋極大地影響其在潮濕大氣中的耐蝕性，為O向金屬表面的擴(kuò)散提供了通道，使腐蝕介質(zhì)很容易沿著裂縫滲入到基體并與基體發(fā)生反應(yīng)。在裂紋處水蒸氣凝聚，同時(shí)大氣中腐蝕性氣體以及其它鹽粒也容易在此處吸附溶解，腐蝕不斷向基體內(nèi)部深入，使得鋁股線表面局部腐蝕嚴(yán)重［9－10］。

3.3 小孔腐蝕的影響

Al表面有一層致密的鈍化膜，對Al基體起保護(hù)作用。在風(fēng)動和線張力等應(yīng)力影響下，可能某局部區(qū)域鈍化膜破壞，在Cl－和pH值增大的腐蝕介質(zhì)中，Al基體為陽極，腐蝕產(chǎn)物為陰極，構(gòu)成小孔腐蝕。在鋁線表面就會形成大陰極小陽極的“活化-鈍化”原電池，在微小陽極區(qū)域產(chǎn)生較大的腐蝕電流，加速鋁線腐蝕，造成鋁線表面出現(xiàn)麻點(diǎn)。蝕坑周圍因腐蝕電流而得到陰極保護(hù)，阻抑了蝕坑周圍金屬的腐蝕，使腐蝕向縱深方向發(fā)展。

由于潮的大氣腐蝕、表面應(yīng)力腐蝕和小孔腐蝕，導(dǎo)致福建某海島上的鋼芯鋁絞線遭受更嚴(yán)重腐蝕。腐蝕產(chǎn)物隨著微動粘連、碾碎、剝落，產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋向徑向擴(kuò)展。龜裂的腐蝕產(chǎn)物增加了材料的脆性。

4 結(jié)論

1)Al、Al(OH)3和 Al5(CO3)3(OH)13·xH2O 等物相是斷口表面的主要成份，除了Al、O外，還有C、S、Cl、Na、Mg、Ca 等元素，來自于海洋大氣、空氣和塵埃。

2)C集中在表面～200 μm處。潮的大氣腐蝕、應(yīng)力腐蝕、小孔腐蝕導(dǎo)致內(nèi)層鋁股線腐蝕更為嚴(yán)重。

3)在風(fēng)動和腐蝕產(chǎn)物的共同作用下，龜裂的腐蝕產(chǎn)物隨著振動粘連、碾碎、剝落，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋁股線失效。

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