銅包鋼絞線及銅包鋼護(hù)線條腐蝕失效分析

張海波

(中國鐵道科學(xué)研究院， 北京 100015 )

銅包鋼絞線及銅包鋼護(hù)線條腐蝕失效分析

張海波

(中國鐵道科學(xué)研究院， 北京 100015 )

銅包鋼護(hù)線條在接觸網(wǎng)中主要起到保護(hù)零部件及線索的作用，銅包鋼絞線是鐵路站場軟橫跨中的主要承力部件，二者在電氣化鐵路接觸網(wǎng)中均發(fā)揮著重要作用。文章介紹了電氣化鐵路用銅包鋼護(hù)線條及銅包鋼絞線的分類、生產(chǎn)工藝及應(yīng)用等概況，對典型失效的銅包鋼護(hù)線條及銅包鋼絞線的宏觀外貌及微觀狀態(tài)進(jìn)行了觀察及分析，使用能譜法分析了樣品表面腐蝕產(chǎn)物的主要元素，利用掃描電鏡觀測樣品腐蝕區(qū)及內(nèi)部基體的微觀金相組織，并結(jié)合樣品的服役工況，分析了樣品的腐蝕原因，得出了銅包鋼護(hù)線條及銅包鋼絞線的失效結(jié)論，為銅包鋼護(hù)線條及銅包鋼絞線的防腐提供了理論支持。

電氣化鐵路； 銅包鋼； 護(hù)線條； 絞線； 腐蝕； 金相組織

帶覆層或鍍層的鋼絞線中，尤其是鋁包鋼或銅包鋼類鋼絞線在架空線路中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]，而鋁包鋼芯鋁絞線及鍍鋅鋼絞線在電氣化鐵路接觸網(wǎng)中也有著較為普遍的應(yīng)用。隨著電氣化鐵路在我國的快速發(fā)展以及高速鐵路對電氣化鐵路接觸網(wǎng)的要求，新型的帶覆層絞線如銅包鋼絞線、護(hù)線條及鍍鋅銅絞線等新產(chǎn)品相繼研發(fā)成功并有部分鐵路應(yīng)用。而各種帶覆層或鍍層絞線的各種失效問題也日益突出，本文就在高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)中使用的帶銅覆層承力索用銅包鋼護(hù)線條及銅包鋼絞線的失效展開研究工作。

1 電氣化鐵路接觸網(wǎng)用絞線概述

電氣化鐵路接觸網(wǎng)用絞線按材料分類主要分為銅及銅合金絞線及鋼鋁類絞線；按照功能主要分為承力索及附加導(dǎo)線，其中承力索分為銅及銅合金承力索、鋼承力索以及鋁包鋼承力索，附加導(dǎo)線分為供電線、保護(hù)線(PW線)、正饋線(AF線)、架空地線、捷接線、并連線、加強(qiáng)線及回流線等[3]；在軟橫跨中大量使用了鍍鋅鋼絞線；在接觸網(wǎng)零部件中還應(yīng)用了銅合金吊弦線及電連接線。另外在電力系統(tǒng)中已經(jīng)普遍應(yīng)用的護(hù)線條及接續(xù)條等近幾年在電氣化鐵路中也等到了部分應(yīng)用。

帶覆層或鍍層鋼絞線都是在鋼絞線的單線上覆蓋一層鋁、銅、鋅、錫等其他金屬材料，目的是保護(hù)鋼單線，防止鋼基體的腐蝕。主要有熱鍍法、電鍍法、包覆法、浸涂法及水平連鑄法等[4-5]。必要時再將覆層或鍍層單線經(jīng)過拉拔，目的是控制和調(diào)節(jié)覆層或鍍層的厚度及均勻性，保證其均勻、光滑，然后再將單線絞合成成品。銅包鋼絞線或銅包鋼護(hù)線條就是屬于帶覆層的雙金屬復(fù)合線材，它利用兩種金屬各自的優(yōu)點(diǎn)，通過特殊的生產(chǎn)工藝制成[6]。

在國內(nèi)電氣化鐵路使用的承力索用銅包鋼護(hù)線條屬于新型的預(yù)絞式接觸網(wǎng)金具，用于架空線路(接觸絞線、附加導(dǎo)線)用預(yù)絞式懸垂線夾、預(yù)絞式耐張線夾、預(yù)絞式接續(xù)條及預(yù)絞式保護(hù)金具等。主要分為以下4類：支持、懸垂金具(附加導(dǎo)線用預(yù)絞式懸垂線夾)；耐張金具(附加導(dǎo)線用預(yù)絞式耐張線夾、變電所終端錨固用雙預(yù)絞式耐張線夾、預(yù)絞式拉線耐張線夾、承力索用預(yù)絞式耐張線夾)；接續(xù)金具(附加導(dǎo)線用預(yù)絞式跳線接續(xù)條、附加導(dǎo)線用全張力預(yù)絞式接續(xù)條、預(yù)絞式T型接續(xù)條、承力索用預(yù)絞式接續(xù)條)；保護(hù)性金具(附加導(dǎo)線用預(yù)絞式護(hù)線條、承力索用預(yù)絞式護(hù)線條、承力索支撐點(diǎn)預(yù)絞式防疲勞型護(hù)線條、預(yù)絞式綁線、預(yù)絞式等距線夾、預(yù)絞式防振鞭、預(yù)絞式防舞動鞭)。預(yù)絞式接觸網(wǎng)金具目前并無明確的鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)的起草工作正在進(jìn)行中，所使用的預(yù)絞式接觸網(wǎng)金具主要參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2314-2008《電力金具通用技術(shù)條件》及電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 763-2013《架空線路用預(yù)絞式金具技術(shù)條件》執(zhí)行。銅包鋼絞線在部分電氣化鐵路軟橫跨中有所應(yīng)用，在電氣化鐵路行業(yè)內(nèi)也尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)。所使用的鍍層鋼絞線產(chǎn)品一般選用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20492-2006《鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》或冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5004-2012《鍍鋅鋼絞線》兩個標(biāo)準(zhǔn)下的產(chǎn)品。

在京滬鐵路電氣化改造工程中部分站場軟橫跨中使用了標(biāo)稱截面積為80 mm2的銅包鋼絞線，在涉及到北京鐵路局、上海鐵路局以及廣州鐵路(集團(tuán))公司等多個路局的六大干線電氣化鐵路改造過程中也部分使用了銅包鋼絞線。近幾年，在承力索座等接觸網(wǎng)零部件中用來替代銅襯墊的銅包鋼護(hù)線條或保護(hù)條在各線路中也得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2 測試

2.1 樣品宏觀外貌檢查

本文研究的對象為銅包鋼絞線(TGJ80-1×19/2.32)及銅包鋼承力索護(hù)線條(HL95-1000型預(yù)絞式承力索護(hù)線條)，以下分別簡稱銅包鋼絞線及護(hù)線條。

銅包鋼絞線，應(yīng)用于電氣化鐵路站場軟橫跨結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)場使用約為10年，絞線的宏觀形貌如圖1所示。絞線表面多處發(fā)生腐蝕，通體呈黃黑色，腐蝕嚴(yán)重處沿單絲軸向形成較深的長腐蝕凹坑，局部鋼芯幾乎被完全腐蝕，包覆的銅層殘留于側(cè)表面，腐蝕坑內(nèi)覆蓋較厚的腐蝕產(chǎn)物，如圖2所示。

圖1 銅包鋼絞線整體形貌

圖2 銅包鋼絞線腐蝕形貌

另一樣品為護(hù)線條及其包覆的承力索，外層的護(hù)線條主要用來保護(hù)內(nèi)層銅鎂合金承力索。護(hù)線條螺旋纏繞于承力索表面，內(nèi)層的銅鎂合金承力索已使用約6～7年，護(hù)線條使用不足2年即發(fā)生斷裂，護(hù)線條及銅鎂合金承力索的表層都呈現(xiàn)黑褐色，其中外層護(hù)線條表面腐蝕較為嚴(yán)重，局部已由線棒狀腐蝕減薄至平板狀，樣品的宏觀形貌如圖3、圖4所示。同時可觀察到護(hù)線條中部分銅包鋼單線表面局部腐蝕凹坑很深，剩余的承載面積很小。

圖3 護(hù)線條及其包覆的承力索整體形貌

圖4 護(hù)線條及其包覆的承力索斷口整體形貌

2.2 銅包鋼絞線微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

從銅包鋼絞線的腐蝕凹坑區(qū)截取典型的單線試樣，在掃描電鏡下觀察到單線腐蝕區(qū)及平滑區(qū)的表面形態(tài)分別如圖5、圖6所示。經(jīng)對多個單線試樣表面腐蝕產(chǎn)物的分析，其結(jié)果較為一致，其形態(tài)多呈顆粒狀和塊狀。用EDX半定量分析方法分析，結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物成分中除了含有C、O、Mg、Al、Si、K、Ca等元素，還分析出較高的S和少量的Cl腐蝕性介質(zhì)元素。在腐蝕坑以外的腐蝕表面也檢測出類似的成分，這表明腐蝕性元素來自于服役環(huán)境。

圖5 腐蝕區(qū)形貌及能譜分析結(jié)果

圖6 平滑區(qū)能譜分析結(jié)果

2.3 護(hù)線條微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

2.3.1 單線斷口微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

從護(hù)線條的腐蝕凹坑區(qū)截取4根典型的單線試樣，在掃面電鏡下觀察單線斷口形貌，結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7中的低倍斷口形貌中可見4個護(hù)線條單線斷口已失去圓形特征，呈現(xiàn)出不規(guī)則的扁平形態(tài)。

圖8為1號單線斷口形貌觀察及能譜分析，可見斷口表面被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，同時存在含S、Cl的腐蝕性介質(zhì)成分。2號、3號、4號的斷口腐蝕形態(tài)及腐蝕產(chǎn)物成分與1號相似，同時在2號單線斷口觀測到局部存在腐蝕孔洞。

2.3.2 單線斷口附近微觀形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

對護(hù)線條單線斷口附近的側(cè)表面形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9和圖10所示。圖9中的低倍側(cè)表面形貌中可見4個護(hù)線條側(cè)表面都凹凸不平，存在明顯腐蝕或者剝落痕跡。

圖7 護(hù)線條單線斷口低倍SEM照片

圖10為1號護(hù)線條單線斷口附近的表面腐蝕形態(tài)及能譜成分分析結(jié)果，2號護(hù)線條表面還可觀察到類似穿孔的腐蝕特征，3號護(hù)線條局部存在尺寸約為50 μm的腐蝕坑?？梢姼骶€條的表面腐蝕形態(tài)相似，腐蝕產(chǎn)物呈蓬松的顆粒狀、網(wǎng)孔狀、粗針狀等。腐蝕產(chǎn)物成分基本相同，以鐵、銅的氧化物為主，同時含有S、Cl等腐蝕性元素。

2.4 剖面金相分析

2.4.1 銅包鋼絞線剖面金相分析

分別制備銅包鋼絞線單線的縱截面和橫截面金相試樣，測量銅覆層厚度及觀測組織形態(tài)?？梢娫嚇颖砻驺~覆層比較均勻和致密， 且銅覆層與鋼基體結(jié)合較好，經(jīng)多點(diǎn)測量，試樣銅覆層厚度約為0.09～0.10 mm，試樣的鋼基體組織為珠光體+少量鐵素體，組織形態(tài)較為均勻。

圖8 護(hù)線條1號單線斷口形貌及能譜分析結(jié)果

對銅包鋼絞線單線的橫截面金相試樣上腐蝕坑壁附著的腐蝕層進(jìn)行能譜成分分析，可見腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，并分析出Mg、Al、Si、S、K、Ca等元素，如圖11所示。

2.4.2 護(hù)線條單線剖面金相分析

對護(hù)線條單線斷口附近的橫截面進(jìn)行金相組織觀察。1號單線橫截面金相組織為索氏體+珠光體+鐵素體，邊部與心部組織基本相同。邊部發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕減薄，橫截面外形已經(jīng)不是規(guī)則的圓形，這與前述的掃描電鏡觀察結(jié)果一致，即銅包鋼護(hù)線條單線在含S、Cl的腐蝕性介質(zhì)作用下發(fā)生了局部腐蝕，最嚴(yán)重的腐蝕區(qū)深度達(dá)到mm量級。腐蝕輕微區(qū)的邊部可見白色斷續(xù)分布的防腐銅層，較完整處的厚度約10 μm，銅層在腐蝕性介質(zhì)的作用下也發(fā)生凹坑狀腐蝕，但腐蝕深度較淺， 約 2～10 μm， 腐蝕量遠(yuǎn)小于鋼質(zhì)線條基體。

圖9 護(hù)線條單線斷口側(cè)面低倍SEM照片

2號、3號、4號單線的腐蝕形態(tài)也基本相似。

3 結(jié)論及建議

3.1 分析及結(jié)論

在外觀形貌上，銅包鋼絞線上的各表面腐蝕坑均分布于同一側(cè)面的軸向方向上，其他位置沒有發(fā)生明顯點(diǎn)腐蝕且銅鍍層基本保留完好，顯然腐蝕坑的規(guī)律性分布與銅覆層的局部機(jī)械損傷有關(guān)。而使用護(hù)線條的目的是為了保護(hù)其內(nèi)部的銅合金承力索，因此其處于存在摩擦、磨損等機(jī)械損傷的工作環(huán)境中。

在化學(xué)元素中，與元素鐵相比，銅是不活潑金屬，其電位高于鐵。如果在服役環(huán)境中，銅覆層發(fā)生局部破損，裸露出的鐵基體與附近的未破損銅層和氧化層存在較大的電位差，在含有S、Cl等腐蝕性介質(zhì)的作用下，形成電化學(xué)腐蝕，鐵作為小面積的陽極，會以較快的速度被溶解腐蝕。這也是銅包鋼絞線或護(hù)線條在較短的時間內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重局部腐蝕減薄的原因。

圖10 護(hù)線條1號單線斷口側(cè)面形貌及能譜分析結(jié)果

圖11 橫截面腐蝕區(qū)組織及能譜分析結(jié)果

綜上，銅包鋼絞線或銅包鋼護(hù)線條的銅覆層發(fā)生損傷、破損或剝落后，使鋼質(zhì)基體直接裸露在含S、Cl等腐蝕性介質(zhì)的潮濕環(huán)境下，發(fā)生了嚴(yán)重的局部腐蝕，最終造成銅包鋼絞線或銅包鋼護(hù)線條發(fā)生腐蝕失效。

3.2 建議

銅、鋁材料的腐蝕一般分為：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕以及多種因素腐蝕[7]，在實(shí)際使用中銅的腐蝕多為同時存在化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕等的多種因素腐蝕。Antonio R. Mendoza等人[8]研究了銅、鋁材料暴露在室內(nèi)及戶外的農(nóng)村地區(qū)、沿海地區(qū)、城市工業(yè)區(qū)等幾種工況下的腐蝕情況，研究情況表明在大部分情況下鋁的耐腐蝕性能是優(yōu)于銅的。王國清[9]等人在試驗(yàn)后觀察到鋁板腐蝕后的表面松散，手觸有砂粒感，擦拭后呈小顆?；蚍勰蠲撀?，銅管腐蝕后表面顏色泛綠，手感較粗糙?？梢?，雖然鋁的耐腐蝕性優(yōu)于銅，但腐蝕后的產(chǎn)物附著性不如銅。基于銅、鋁的不同腐蝕特性，在使用中應(yīng)結(jié)合具體情況，合理選擇覆層金屬，充分發(fā)揮銅、鋁的防腐蝕的優(yōu)點(diǎn)來達(dá)到防腐目的。

此外銅包鋼絞線或護(hù)線條其覆層厚度薄，且銅本身材質(zhì)較軟，因此在包裝儲運(yùn)以及施工過程中應(yīng)配備適當(dāng)?shù)陌踩雷o(hù)措施，防止造成銅覆層的機(jī)械損傷。

銅包鋼絞線或護(hù)線條的腐蝕失效問題，已經(jīng)引起了有關(guān)單位的重視，國內(nèi)工廠也在研發(fā)新產(chǎn)品，其中銅合金絞線護(hù)線條或鋁覆銅護(hù)線條等新產(chǎn)品已經(jīng)在部分鐵路工程中試用，具體效果還有待現(xiàn)場驗(yàn)證。

[1] 韓立奎,韓曉冰,王海濤.架空地線用鋁包鋼絞線型號的識別與選用[J].電線電纜，2011，54(4):20-22. HAN Likui,HAN Xiaobing,WANG Haitao.Identification and Selection of Aluminum-clad Steel Wire Modelsin Overhead Ground Wire[J].Electric Wire&Cable，2011,54(4):20-22.

[2] 楊立.銅包鋼絞線在高壓輸電線路上的應(yīng)用[J].貴州電力技術(shù)，2004，28(5):33-36. YANG Li. Application of Copper-Clad Steel stranded Wire in High Voltage Transmission Line[J].Guizhou Electric Power Technology，2004,28(5):33-36.

[3] 李偉.接觸網(wǎng)基礎(chǔ)知識[M].北京:中國鐵道出版社，2008. LI Wei.Foundation Knowledge of Catenary[M].Bei jing:China Railway Publishing House,2008.

[4] 王慶娟,杜忠澤,王海波.銅包鋼線生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)及現(xiàn)狀[J].電線電纜,2002,45(4):15-17. WANG Qingjun,DU Zhongze,WANG Haibo.Characteristics and Technical Status-quo of The Manufacturing Process for Copper-clad Steel Wire[J].ElectricWire& Cable,2002，45(4):15-17.

[5] 張澤洪,吳新生.鍍鋅鋼絲先鍍后拔工藝的探討[J].天津冶金,1998，18(2):25-28. ZHANG Zehong,WU Xinsheng.The Discussion of the Process of Drawing after Galvanizing for Galvanized Steel Wires[J].Tianjin Metallurgy,1998，18(2):25-28.

[6] 張建富，銅包鋁.銅包鋼型同軸電纜的應(yīng)用思考[J].現(xiàn)代傳輸,2006，32(4):24-25. ZHANG Jianfu.Reflection on Application of Copper-clad Steel and Aluminum-clad Steel WireCoaxial Cable [J].Modern Transmission, 2006，32(4):24-25.

[7] 姜華.電力電纜中銅鋁材料耐腐蝕性能探討[J].建筑電氣,2011，31(10):72-76. JIANG Hua.Discussion on the Corrosion Resistant of Copper and Aluminum Materials in Power Cable[J].Building Electricity,2011，31(10):72-76.

[8] Antonio R.Mendoza,Francisico Corvo.Outdoor and indoor atmospheric corrosio n of no - Ferrous metals[J].Corrosion Science, 1999,41(1):1-76.

[9] 王國清,趙旭,李鵬.含Cl-大氣對鋁、銅、鋅、18-8不銹鋼的腐蝕及防腐措施[J].石油工程建設(shè)，2002，28(6):35-37. WANG Guoqing,ZHAO Xu,LI Peng.Corrosion and Anti-corrosion Measures of Aluminum, Copper, Zinc and 18-8 Stainless Steel by Chlorine Contained in Atmosphere [J].Petroleum Engineering Construction,2002,28(6):35-37.

Corrosion Failure Analysis for Copper-clad Steel Stranded Conductors and Copper-clad Steel Armor Rods

ZhANG Haibo

(China Academy of Railway Sciences,Beijing 100015,China)

Copper-clad steel armor rods mainly plays a role of protecting the fittings and clues in the catenary, copper-clad steel stranded conductors are the main load-bearing parts of headspan supporting in the railway station, both of which play the important roles in electric railway catenary. This paper describes the classification, production process and application of copper-clad steel armor rods and copper-clad steel stranded conductors , observes and analyzes macroscopic and microscopic appearance of the typical failure copper-clad steel armor rods and copper-clad steel stranded conductors, analyzes the main elements of the samples surface corrosion products by EDX, observes microstructure of the corrosive areas and interior metallographic structure by SEM, combined with the service conditions of the samples ,analyzes the causes of the corrosion of the samples, the conclusions of failure of copper-clad steel armor rods and copper-clad steel stranded conductors are obtained, which provides theoretical support of the anticorrosion for copper-clad steel armor rods and copper-clad steel stranded conductors.

electrified railway； copper-clad steel； armor rods； standard conductors； corrosion； microstructure

2016-05-09

張海波(1980-)，男，助理研究員。

1674—8247(2016)05—0060—06

U225

A