架空輸電用老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度預(yù)測

陳慶吟，侯嘉鵬，沈?qū)毰d，王 強(qiáng)，陳 燁，張哲峰

(1.浙江華電器材檢測研究所有限公司，國家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，浙江 杭州 310015；2.浙江華云清潔能源有限公司，浙江 杭州 310002； 3.中國科學(xué)院金屬研究所，材料疲勞與斷裂實驗室，遼寧 沈陽 110016)

我國主要電力生產(chǎn)企業(yè)大多分布在邊疆地區(qū)，而重要的用電城市多數(shù)在東部沿海地區(qū)，因而很多電力資源需要進(jìn)行長距離輸送。架空導(dǎo)線是長距離輸電線路最重要載體，是電力能源輸送的“大動脈”。國家電網(wǎng)承擔(dān)著保障電力供應(yīng)的使命，為企業(yè)的生產(chǎn)活動源源不斷地提供電力能源[1-2]。

由于我國地域遼闊，不同區(qū)域的自然環(huán)境、地形地貌、水文條件具有一定的差異性，高壓架空線路通常在山區(qū)、丘陵、高山等區(qū)域廣泛應(yīng)用。綜合考慮性能和經(jīng)濟(jì)因素，鋁及鋁合金線是目前架空輸電領(lǐng)域常用的導(dǎo)體材料[3-5]。架空導(dǎo)線通常需承受風(fēng)吹載荷、覆冰載荷和自重載荷，所以強(qiáng)度是架空鋁線重要的性能指標(biāo)，與架空鋁線的服役安全性密切相關(guān)[6-7]。然而，受自然環(huán)境因素(山火，雷擊)、人為因素(線路擴(kuò)容)和材料自身性質(zhì)(自身電阻)的影響，架空鋁線的服役溫度遠(yuǎn)高于室溫，當(dāng)溫度升高至某一臨界值時，會對鋁線的微觀組織結(jié)構(gòu)造成不可逆的改變，導(dǎo)致架空鋁線力學(xué)性能下降，增大斷線失效的風(fēng)險[8-11]。架空鋁線在溫度影響下力學(xué)性能衰退的現(xiàn)象被稱為架空導(dǎo)線的老化現(xiàn)象。另外，隨著熱服役時間的延長和熱服役溫度的改變，架空鋁線的強(qiáng)度時刻處于動態(tài)變化中，如果能夠通過公式計算得到老化態(tài)鋁及鋁合金線在不同服役溫度和不同服役時間條件下的強(qiáng)度，那么便可以隨時掌握架空鋁線的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，避免因為老化態(tài)鋁線強(qiáng)度的下降導(dǎo)致導(dǎo)線失效。因此，老化態(tài)鋁及鋁合金線強(qiáng)度的預(yù)測具有非常重要的工程意義。

本文作者以架空導(dǎo)線領(lǐng)域常用的工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線為研究對象，對拉拔態(tài)工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線進(jìn)行不同溫度的退火處理，模擬其熱服役狀態(tài)。進(jìn)一步測試退火態(tài)工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線的屈服強(qiáng)度，建立屈服強(qiáng)度與退火時間的關(guān)系，提出老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度計算公式，并與實際測得的屈服強(qiáng)度進(jìn)行對比，不斷優(yōu)化老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度計算公式中的參數(shù)，最終建立老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度計算公式，為實時估算服役狀態(tài)下架空鋁及鋁合金線的屈服強(qiáng)度提供理論依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 鋁線成分及制備工藝

本試驗采用的工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線是直徑為9.5 mm的工業(yè)純鋁桿和鋁鎂硅合金桿經(jīng)過多道次冷拉拔工藝制備，工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線的直徑均為2.5 mm。工業(yè)純鋁線成分如下(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)：Si 0.11，F(xiàn)e 0.25，Cu 0.01，Mn 0.03，Al余量；鋁鎂硅合金線成分如下(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)：Si 0.51，F(xiàn)e 0.14，Mg 0.54，La 0.13，Ce 0.22，Cu 0.01，Mn 0.02，Cr 0.01，Zn 0.03，B 0.02，Al余量。對直徑為2.5 mm的工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線進(jìn)行退火處理，退火溫度為90 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃，分別保溫1 h～8 h。

1.2 力學(xué)性能測試

每種鋁線取3支樣品進(jìn)行拉伸試驗，拉伸樣品總長為200.0 mm，其中標(biāo)距段長度為150.0 mm。隨后，在靜態(tài)INSTRON5982拉伸試驗機(jī)上完成室溫拉伸試驗，拉伸速率為1.0×10-3s-1，加載方向為鋁線的軸線方向。

1.3 微觀組織結(jié)構(gòu)表征

沿工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線徑向取樣，進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)表征。樣品需經(jīng)過砂紙研磨、機(jī)械拋光以及電解拋光。電解拋光液的成分是高氯酸和乙醇(體積比為1∶9)，電解拋光電壓為16.0 V，時間為1.5 min，溫度為0 ℃。電解拋光之后，采用LEO Supra 35場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)對工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線進(jìn)行電子通道襯度(Electron channel contrast,ECC)觀察。透射電鏡觀察的樣品首先采用SiC砂紙打磨至厚度約為0.05 mm，然后在-20 ℃條件下采用體積分?jǐn)?shù)為20%的高氯酸和80%的甲醇進(jìn)行電解雙噴離子減薄。雙噴儀的型號為Tenupol-5化學(xué)雙噴儀，之后采用200 kV的FEI Tecnai F20透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope,TEM)觀察微觀組織。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 老化態(tài)工業(yè)純鋁線屈服強(qiáng)度預(yù)測公式

如圖1所示，工業(yè)純鋁線的屈服強(qiáng)度隨著退火時間的增加逐漸下降，當(dāng)退火時間增加至8 h后，工業(yè)純鋁線屈服強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。此外，當(dāng)退火時間相同時，工業(yè)純鋁線的屈服強(qiáng)度隨著退火溫度的升高而下降。首先，確定老化態(tài)工業(yè)純鋁線屈服強(qiáng)度與退火時間關(guān)系的基本函數(shù)形式：

σT=σi+(σ0-σi)·e-k·t

(1)

式中：

T—工業(yè)純鋁線退火溫度；

t—退火時間；

σT—溫度為T、退火時間為t時工業(yè)純鋁線的屈服強(qiáng)度；

σi—溫度為T、退火8 h工業(yè)純鋁線的屈服強(qiáng)度(穩(wěn)定屈服強(qiáng)度)；

σ0—拉拔態(tài)工業(yè)純鋁線的屈服強(qiáng)度；

k—工業(yè)純鋁線老化速率。

將σ0和不同退火溫度下的σi代入公式(1)，并不斷調(diào)整公式(1)中的k值大小，盡量使圖1中老化態(tài)工業(yè)純鋁線屈服強(qiáng)度預(yù)測曲線與實測數(shù)據(jù)點符合，從而獲得不同退火溫度下工業(yè)純鋁線屈服強(qiáng)度預(yù)測公式。

圖1 不同退火溫度下工業(yè)純鋁線屈服強(qiáng)度與退火時間的關(guān)系

2.2 老化態(tài)鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度預(yù)測公式

圖2為退火態(tài)鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度與退火時間的關(guān)系圖。當(dāng)退火溫度為90 ℃和150 ℃時，隨著退火時間的增加，鋁鎂硅合金線的屈服強(qiáng)度略微下降；當(dāng)退火溫度超過150 ℃時，鋁鎂硅合金線的屈服強(qiáng)度則隨著退火時間的增加而明顯下降。老化態(tài)鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度預(yù)測公式同樣基于公式(1)的基本形式，將公式(1)中工業(yè)純鋁線的參數(shù)替換為鋁鎂硅合金線的參數(shù)，通過調(diào)整k值的大小，從而獲得不同退火溫度下鋁鎂硅合金線的屈服強(qiáng)度預(yù)測曲線(圖2)。由圖2可見，鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度的預(yù)測值與實測值符合較好。

圖2 不同退火溫度下鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度與退火時間的關(guān)系

2.3 公式重要參數(shù)與微觀組織的關(guān)系

通過上述研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，公式(1)可以用于較好地預(yù)測老化態(tài)工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線的屈服強(qiáng)度，公式中重要的參數(shù)為穩(wěn)定屈服強(qiáng)度(σi)和老化速率(k)。表1整理了老化態(tài)工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度預(yù)測公式中不同溫度下的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度和老化速率數(shù)值。圖3為根據(jù)表1繪制的工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線穩(wěn)定屈服強(qiáng)度與退火溫度的關(guān)系曲線。由圖3可知，工業(yè)純鋁線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度隨著退火溫度的增加逐漸下降；而鋁鎂硅合金線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度在溫度不超過150 ℃時保持不變；當(dāng)溫度超過150 ℃后，鋁鎂硅合金線穩(wěn)定屈服強(qiáng)度迅速下降；當(dāng)溫度低于250 ℃時，鋁鎂硅合金線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度始終高于工業(yè)純鋁線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度；當(dāng)溫度高于250 ℃時，鋁鎂硅合金線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度與工業(yè)純鋁線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度相近。圖4為工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線經(jīng)過300 ℃退火8 h后利用電子通道襯度技術(shù)觀察的橫截面微觀組織結(jié)果。由圖4可知，300 ℃退火8 h后工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線橫截面晶粒尺寸相當(dāng)。因此，高溫退火后工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度相近。

圖4 退火態(tài)工業(yè)純鋁線和退火態(tài)鋁鎂硅合金線橫截面ECC照片

表1 退火態(tài)工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線穩(wěn)定屈服強(qiáng)度和老化速率統(tǒng)計結(jié)果

圖3 工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線穩(wěn)定屈服強(qiáng)度與退火溫度的關(guān)系

圖5呈現(xiàn)了老化速率與退火溫度的關(guān)系，老化速率越大鋁線強(qiáng)度衰減越快，即鋁線達(dá)到穩(wěn)定屈服強(qiáng)度所需時間越短。當(dāng)退火溫度為90 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃時，工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線的老化速率相同，并且，隨著退火溫度的增加，老化速率逐漸增大。然而，在150 ℃退火條件下，鋁鎂硅合金線的老化速率明顯小于工業(yè)純鋁線的老化速率。

圖5 工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線老化速率與退火溫度的關(guān)系

圖6給出了鋁鎂硅合金線經(jīng)過150 ℃退火8 h后橫截面的透射觀察結(jié)果。由圖6可見，在鋁鎂硅合金線內(nèi)觀察到了大量的析出相，一方面，這種析出相起到析出相強(qiáng)化的作用；另一方面，在晶界處的析出相起到釘扎晶界的作用，抑制了鋁鎂硅合金線在150 ℃退火時的晶粒長大。所以，鋁鎂硅合金線在150 ℃溫度下老化速率較小。

圖6 150 ℃退火8 h鋁鎂硅合金線橫截面透射照片

綜上，工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度和老化速率與其微觀組織密切相關(guān)。

3 結(jié) 論

針對老化態(tài)架空鋁線強(qiáng)度難以實時監(jiān)控的難題，以工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線為研究對象，通過不同溫度的退火處理模擬實際服役環(huán)境，并對工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線的強(qiáng)度和微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試和表征，提出老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度預(yù)測公式，主要結(jié)論如下：

1)通過數(shù)值擬合的方法，提出了老化態(tài)工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度預(yù)測公式，基于拉拔態(tài)鋁線的屈服強(qiáng)度和退火態(tài)鋁線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度，根據(jù)退火溫度選取相應(yīng)的老化速率，并代入退火時間便可以計算出退火態(tài)鋁線的屈服強(qiáng)度。

2)穩(wěn)定屈服強(qiáng)度隨著退火溫度的增大逐漸下降，當(dāng)溫度低于250 ℃時，鋁鎂硅合金線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度始終高于工業(yè)純鋁線的，當(dāng)溫度超過250 ℃時，鋁鎂硅合金線和工業(yè)純鋁線的穩(wěn)定屈服強(qiáng)度大小相近。

3)老化速率隨著退火溫度的增高而增大，當(dāng)退火溫度為90 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃時，工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線的老化速率相同，然而，在150 ℃退火條件下，鋁鎂硅合金線的老化速率明顯小于工業(yè)純鋁線的老化速率。

致謝：感謝國家電網(wǎng)浙江省電力公司項目(5211HD190002)和中國博士后科學(xué)基金資助項目(2019M661151)對本研究的支持。