沿海地區(qū)架空鋼芯鋁絞線的腐蝕

岳增武，李辛庚，閆風(fēng)潔，郭 凱

(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250002)

0 引言

沿海鹽霧區(qū)的鋼芯鋁絞線腐蝕速率較高，導(dǎo)線斷股和斷線的情況時有發(fā)生，使輸電線路的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，有些地區(qū)鋼芯鋁絞線的運(yùn)行壽命不足6年［1-3］。為研究海洋大氣環(huán)境下鋼芯鋁絞線的腐蝕機(jī)理，文獻(xiàn)［3-5］使用NaCl水溶液或鹽霧氣氛研究鋼芯鋁絞線的腐蝕行為，結(jié)果表明外層鋁線腐蝕速率最大，鋼芯鍍鋅層對鋁導(dǎo)線具有保護(hù)作用，但這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與失效鋼芯鋁絞線內(nèi)層鋁線腐蝕更嚴(yán)重的事實(shí)不符。文獻(xiàn)［6］對失效的鋼芯鋁絞線也進(jìn)行了分析，認(rèn)為鋁導(dǎo)線和鋼芯之間構(gòu)成腐蝕電池，使內(nèi)層鋁導(dǎo)線腐蝕嚴(yán)重。這些研究與分析結(jié)果與鋼芯鋁絞線服役過程中的一定階段相符，未能反映其服役全過程的腐蝕規(guī)律。

山東沿海某條220 kV回路的部分線路與海岸線平行架設(shè)，已投入運(yùn)行24年。塔基與海岸線的最短距離約10 m，附近有小型化工廠多家。該回路采用了型號為LGJQF2－400/50的鋼芯鋁絞線，為輕型中防腐型鋼芯鋁絞線。與普通鋼芯鋁絞線相比，鋼芯采用浸涂油脂處理，增強(qiáng)了鋼芯的防腐性能。圖1是這種鋼芯鋁絞線的截面示意圖。最外層的鋁導(dǎo)線呈灰黑色，導(dǎo)線存在鼓脹現(xiàn)象。經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn):其實(shí)最外層鋁導(dǎo)線的腐蝕最輕微;第二層和最內(nèi)層腐蝕嚴(yán)重，均有斷股現(xiàn)象且導(dǎo)線變脆，輕輕一掰即斷裂;導(dǎo)線之間有大量白色或灰白色的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物，造成鼓脹，見圖2。鋼芯表面呈黑色并附著灰白色的腐蝕產(chǎn)物。

本文采用宏觀、微觀分析及電化學(xué)分析方法，探討了鋼芯鋁絞線的腐蝕機(jī)理及腐蝕失效發(fā)生過程，從而有針對性地給出建議措施。

圖1 鋼芯鋁絞線橫截面示意圖

圖2 發(fā)生腐蝕的鋼芯鋁絞線

1 實(shí)驗(yàn)方法

對鋁導(dǎo)線和鋼芯分別割取試樣并鑲嵌，用SiC砂紙逐級打磨，最終用1μm金剛石拋光膏拋光，進(jìn)行截面形貌觀察和能譜分析(使用Amray 1830掃描電子顯微鏡和Noran system 7能譜儀)。對內(nèi)層導(dǎo)線與鋼芯之間的白色腐蝕物顆粒研磨成粉末后進(jìn)行X射線衍射分析(使用Panalytical X’Pert Pro型X射線衍射儀，Cu靶);將鋼芯表面附著的腐蝕物輕輕刮下，也進(jìn)行了X射線衍射分析。對該回路的舊鋼芯、同型號的未投入使用的鋼芯和鋁導(dǎo)線在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行了開路電位的測試，以飽和甘汞電極為參比電極，研究電極(鋼芯或鋁導(dǎo)線)用環(huán)氧樹脂封裝，暴露面積為1 cm2，測試儀器為PARSTAT2273電化學(xué)工作站。

2 結(jié)果與分析

2.1 截面形貌及能譜分析

圖3a為鋼芯橫截面的形貌，圖中1和3所指的部位為腐蝕層，2所指部位為Zn-Fe合金層，4所指部位為基體。只有部分表面尚殘存Zn-Fe合金層，大部分表面已經(jīng)裸露出鋼基體，腐蝕物中可檢測到Cl、S腐蝕性元素。

圖3b為最內(nèi)層鋁導(dǎo)線的橫截面圖像，圖中1、2所指為腐蝕物，3為基體。能譜檢測腐蝕產(chǎn)物中存在Cl、S元素。腐蝕產(chǎn)物侵入導(dǎo)線基體，為非均勻腐蝕。

圖3 鋼芯和鋁導(dǎo)線的外表面附近的截面形貌

2.2 腐蝕產(chǎn)物的物相分析

圖4 為鋼芯和鋁導(dǎo)線表面腐蝕物的X射線衍射(XRD)圖譜。鋁導(dǎo)線的腐蝕產(chǎn)物中主要物相為Al(OH)3、Al2O3·3H2O、NaAlCO3(OH)2和Al2O3·H2O等;鋼芯腐蝕物中含有Zn(OH)2、ZnO、FeOOH和Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O。鋼芯表面腐蝕物中存在少量Fe的腐蝕物。對比鋁導(dǎo)線和鋼芯的腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜，鋁導(dǎo)線的腐蝕產(chǎn)物中應(yīng)含有較大比例的非晶產(chǎn)物。由于含量少，XRD方法未能檢測出含S、Cl的腐蝕產(chǎn)物。

圖4 鋼芯及鋁導(dǎo)線表面腐蝕物的X射線衍射圖譜

2.3 電化學(xué)測試

開路電位的測試結(jié)果見圖5。鋁導(dǎo)線、舊鋼芯、新鋼芯的腐蝕電位分別是－0.774V、－0.657V和－1.05V，舊鋼芯的腐蝕電位高于鋁導(dǎo)線。

圖5 鋼芯和鋁導(dǎo)線在3.5%NaCl溶液中的開路電位

3 討論

3.1 鋼芯鋁絞線的腐蝕原因分析

達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的開路電位可認(rèn)為是材料的自腐蝕電位。圖5測試結(jié)果表明:在3.5%NaCl溶液中新鋼芯的腐蝕電位低于鋁導(dǎo)線，在鋁導(dǎo)線與鋼芯形成的腐蝕電偶中充當(dāng)陽極;而舊鋼芯的腐蝕電位高于鋁導(dǎo)線，在形成的腐蝕電偶中鋁導(dǎo)線則成為陽極。鋼芯鋁絞線處于海岸線附近潮濕海洋大氣環(huán)境中，金屬表面實(shí)際形成的電解液雖然與實(shí)驗(yàn)所用的3.5%NaCl不同，但鋼芯的腐蝕電位應(yīng)具有相似的變化趨勢，即產(chǎn)生電位正移，電位正移可能與鍍鋅層腐蝕及表面附著的腐蝕產(chǎn)物有關(guān)。當(dāng)鋁導(dǎo)線在腐蝕電偶中充當(dāng)陽極時，則與鋼芯接觸的內(nèi)層鋁導(dǎo)線比最外層腐蝕更嚴(yán)重。

普通鋼芯鋁絞線的鋼芯采用中高碳鋼并進(jìn)行熱鍍鋅防護(hù)，是因?yàn)殇\在大氣中的腐蝕速度比鋼低得多，并能對鋼基體提供陰極保護(hù)。當(dāng)腐蝕介質(zhì)滲入鋁導(dǎo)線和鋼芯之間時，由于鋁導(dǎo)線和鍍鋅層異種金屬接觸，形成腐蝕電偶。在鋼芯鋁絞線服役的初期，鍍鋅層作為陽極，對鋼芯及鋁導(dǎo)線提供保護(hù)，而在鍍鋅層破壞后，鋁導(dǎo)線成為陽極對鋼芯提供保護(hù)，從而使鋁導(dǎo)線的腐蝕加速。文獻(xiàn)［3-8］的研究結(jié)果分別與其不同服役階段的腐蝕機(jī)理相一致。

在干燥空氣中，鋅鍍層具有良好的保護(hù)作用，但在沿海等潮濕環(huán)境中，形成的腐蝕產(chǎn)物疏松，防護(hù)作用顯著降低，防護(hù)壽命縮短。除了潮濕的海洋大氣環(huán)境外，附近的小型化工企業(yè)的排放也可能加速了對鋼芯鋁絞線的腐蝕。

因此，鋼芯表面鍍鋅層的腐蝕程度是判斷整個鋼芯鋁絞線腐蝕狀況及壽命的重要依據(jù):當(dāng)鍍鋅層因腐蝕失去對鋼芯的保護(hù)作用時，鋁導(dǎo)線的腐蝕將加速。國外已有對鋼芯鋁絞線的鍍鋅層進(jìn)行在線檢測的設(shè)備［9，10］，國內(nèi)也在進(jìn)行這方面的研究，以加強(qiáng)對輸電線路的監(jiān)督。

3.2 延緩鋼芯鋁絞線腐蝕的措施

根據(jù)對沿海地區(qū)鋼芯鋁絞線腐蝕原因的分析，對延緩其腐蝕，可從三方面著手:(1)防止或延緩腐蝕介質(zhì)的滲入;(2)防止或減緩異種金屬接觸產(chǎn)生的電偶腐蝕;(3)選用耐蝕性更好的鋼芯防腐蝕鍍層。

涂抹防腐油脂可有效地阻止腐蝕介質(zhì)滲入到鋁導(dǎo)線與鋼芯之間。本次分析的沿海地區(qū)的鋼芯鋁絞線已經(jīng)運(yùn)行了24年。為輕防腐型鋼芯鋁絞線，即在鋼芯表面涂了防腐油脂，不可否認(rèn)，防腐油脂對于延長絞線的壽命起到了重要作用。正是認(rèn)識到防腐油脂的作用，國際上從上世紀(jì)60年代起，防腐油脂的使用量大大增加，可使鋼芯鋁絞線的壽命延長約10年［6］。國內(nèi)某線路采用了S、Z型導(dǎo)線，代替圓形導(dǎo)線進(jìn)行同心絞，結(jié)合涂抹防腐油脂，能有效延緩腐蝕性介質(zhì)的滲入，起到了較好的防腐蝕效果［1］。

使用鋁包鋼芯鋁絞線是防止異種金屬接觸形成電偶腐蝕的有效措施［11，12］，但是制造成本較高。也可在鋼芯外熱浸鍍鋅基合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱浸鍍純鋅，提高耐蝕性并仍能提供陰極保護(hù)作用，目前較成熟的熱浸鍍Zn-5%Al-RE合金(Galfan合金)的耐蝕性是熱浸鍍純鋅的2～3倍，已用于鋼芯的腐蝕防護(hù)，應(yīng)進(jìn)行推廣應(yīng)用并同時研究耐蝕性更好的鋅基合金。目前Zn-Al-Mg-RE合金鍍層是國內(nèi)外新型熱浸鍍合金研究的重要方向，有實(shí)驗(yàn)表明，含Mg的熱鍍Zn層與Al形成的電偶比熱鍍純Zn層與Al形成的電偶的腐蝕程度輕［13］，也可減輕由于異種金屬接觸產(chǎn)生的電偶腐蝕。

4 結(jié)論

(1)沿海地區(qū)的鋼芯鋁絞線在服役的后期，由于鋁導(dǎo)線與鋼芯形成電偶腐蝕，使內(nèi)層鋁導(dǎo)線腐蝕加速。

(2)延緩鋼芯鋁絞線腐蝕的思路是防止腐蝕介質(zhì)滲入、消除或減弱異種金屬之間的電偶腐蝕、使用耐蝕性更好的鋼芯防護(hù)層。

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