特高壓輸電線路連接金具腐蝕特性及其產(chǎn)物對磨損行為的影響

張培軍，李新梅，楊現(xiàn)臣，王曉輝，田志剛

（新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

特高壓輸電線路作為超遠距離輸電的主要途徑，在實現(xiàn)“西電東輸”過程中起著不可替代的作用。金具作為塔架與導(dǎo)線間傳遞機械、電氣荷載的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)失效，將嚴重威脅到整條電網(wǎng)安全。而電網(wǎng)覆蓋面積廣，常受到山區(qū)強風(fēng)、濕熱氣氛的腐蝕以及局部區(qū)域冰凍、沙塵等惡劣氣候的考驗，各種復(fù)雜環(huán)境的影響加速了連接金具的失效過程。例如，750 kV吐哈I、II線僅運行一年多，連接掛環(huán)(U-12)、掛板便批量出現(xiàn)了嚴重的磨損現(xiàn)象，500 kV荊林線中部分金具螺桿截面已磨損近50%[1]，貴廣線河池地區(qū)多次大量出現(xiàn)球頭、碗頭以及掛環(huán)(PQ-30)銹蝕問題。

已有不少針對金具失效問題的研究報道。如陳軍君等[2]認為S元素是工業(yè)地區(qū)金具腐蝕失效的主要原因，而張秀麗等[3]對酸性沉降區(qū)金具腐蝕提出了防范措施。還有不少學(xué)者針對大風(fēng)區(qū)域連接金具磨損問題開展試驗研究，分析了擺動次數(shù)、載荷與剩余直徑間的關(guān)系以及沙塵粒徑對金具磨損的影響[4-5]。然而這些研究都只針對單一工況中的失效形式，實際工況中金具受到多種失效形式的交替、疊加作用。Murkute等[6]研究腐蝕磨損耦合工況中的失效后得出結(jié)論：腐蝕磨損耦合損傷大于單一損傷。董彬杰等[7]研究系泊鏈鋼材料在海水中的腐蝕磨損耦合失效時發(fā)現(xiàn)，腐蝕對摩擦磨損具有促進作用。然而上述對腐蝕磨損耦合失效的相關(guān)研究只是針對應(yīng)用于海水環(huán)境中的金屬材料。金具在大氣環(huán)境中服役，受腐蝕介質(zhì)長期持續(xù)侵蝕的同時，還將遭受間歇性風(fēng)載荷造成的往復(fù)磨損影響，腐蝕失效形式在大部分時間出現(xiàn)，磨損失效形式在惡劣天氣時出現(xiàn)，惡劣天氣消退之后它們的磨損暫停，如此往復(fù)。目前，金具大氣腐蝕產(chǎn)生的缺陷、產(chǎn)物對磨損行為的影響，以及它們之間的相互作用尚未得到充分討論。本文針對金具腐蝕和磨損交替工況展開研究，分析腐蝕特性及其產(chǎn)物對磨損行為的影響。

1 實驗

1.1 材料

選用輸電線路連接金具U12，利用線切割制成20 mm × 20 mm × 4 mm和7 mm × 8 mm × 31 mm的試樣。

1.2 鹽霧腐蝕與磨損試驗

參考標(biāo)準(zhǔn)《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》(GB/T 10125-2012)，配制0.5% NaCl溶液模擬海洋大氣腐蝕環(huán)境。將2種金具試樣放入KY-YW40鹽霧試驗箱，分別在12、24、48、72、96和120 h時取出平行試樣，去除7 mm × 8 mm × 31 mm試樣表面的腐蝕產(chǎn)物，利用電子天平稱重，計算試驗前后的質(zhì)量損失Δm(單位：g)。通過式(1)[8]計算平均腐蝕深度d(單位：μm)，并按式(2)計算腐蝕速率v(單位：μm/h)。

式中ρ為鋼鐵的密度(取7.85 g/cm3)，A為試樣表面積(單位：cm2)，t為試樣腐蝕時間(單位：h)。

利用M-2000磨損試驗機研究腐蝕程度對連接金具摩擦磨損性能的影響。選取載荷100 N、轉(zhuǎn)速180 r/min的試驗參數(shù)，對0、12、48和96 h的預(yù)腐蝕試樣(7 mm × 8 mm × 31 mm)分別磨損300、600、900、1 200、1 500和1 800 s。根據(jù)式(3)計算磨損率。

式中W為磨損率(單位：g/m)，r為摩擦副直徑(41 mm)，n為摩擦副轉(zhuǎn)動圈數(shù)。利用超景深顯微鏡觀測磨損輪廓和面粗糙度(Sa)。利用LED-1430VP型掃描電鏡觀察7 mm × 8 mm × 31 mm試樣的磨痕形貌和20 mm × 20 mm × 4 mm試樣的腐蝕形貌，并以電鏡附帶的能譜儀分析元素組成。采用D8 Advance型X射線衍射儀分析腐蝕產(chǎn)物的物相。

2 結(jié)果與討論

2.1 連接金具材料的腐蝕行為

用平均腐蝕深度和腐蝕速率來表征腐蝕行為，可以直觀描述材料的腐蝕程度。從圖1和2可以看出，隨著腐蝕時間延長，腐蝕深度逐漸增加，而腐蝕速率逐漸降低。可將腐蝕變化歸納成3個階段：0 ～ 24 h時，腐蝕速率較大，但腐蝕深度較小，達到20.04 μm，這可能是試樣直接暴露在腐蝕環(huán)境中發(fā)生了點腐蝕，表明金具試樣發(fā)生點蝕的速率較高；48 ～ 72 h階段，腐蝕深至29.75 μm，腐蝕速率卻下降，這可能是因為腐蝕產(chǎn)物逐漸形成，緩解了腐蝕介質(zhì)對基體的腐蝕，起到了一定的保護作用；至96 ～ 120 h階段，腐蝕深度增加至37.25 μm，腐蝕速率進一步下降，這可能是因為隨著腐蝕的持續(xù)，腐蝕產(chǎn)物逐漸積累，形成致密、穩(wěn)定的腐蝕層，更好地阻礙了腐蝕介質(zhì)的侵入，對基體的保護效果更明顯。

圖1 腐蝕深度隨鹽霧試驗時間的變化 Figure 1 Variation of corrosion depth with salt spray test time

圖2 腐蝕速率隨鹽霧試驗時間的變化 Figure 2 Variation of corrosion rate with salt spray test time

隨著腐蝕時間變化，腐蝕產(chǎn)物的類型及相對含量會有改變。從圖3可以看到腐蝕12 h時，腐蝕層由γ-FeOOH、β-FeOOH及一定量的Fe2O3組成，其中的Fe來自基體。腐蝕至48 h時，γ-FeOOH含量增加，并有α-FeOOH、Fe3O4出現(xiàn)，這是因為γ-FeOOH不斷地生長、積累到一定程度時會逐漸轉(zhuǎn)化成α-FeOOH并被氧化成Fe3O4，這與Misawa等的研究[9]中所描述的一致，F(xiàn)e的衍射峰隨時間推移有減小的趨勢，表明腐蝕產(chǎn)物逐漸覆蓋基體。腐蝕至96 h時，γ-FeOOH含量減小，α-FeOOH含量增加，表明該時期的腐蝕過程主要是γ-FeOOH向α-FeOOH的轉(zhuǎn)化，而Fe的峰消失表明了由γ-FeOOH、β-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4、Fe2O3等組成的腐蝕層變厚，阻礙了X射線的穿透。

圖3 腐蝕不同時間后試樣的XRD譜圖 Figure 3 XRD patterns of the samples after being etched for different time

從圖4可以看出，腐蝕12 h時的腐蝕產(chǎn)物有團簇狀和棒狀兩類形貌，團簇狀產(chǎn)物之間存在縫隙，EDS分析(圖5的能譜1)發(fā)現(xiàn)其中含有Fe、O、C、Na和Cl元素，可能是Fe2O3、Fe3O4及少量NaCl產(chǎn)物聚集成疏松的團簇狀。棒狀產(chǎn)物的EDS結(jié)果(圖5的能譜2)顯示其含有的元素與塊狀產(chǎn)物相同，但Cl含量有所提高。相關(guān)研究表明，高濃度Cl元素為β-FeOOH的生成提供了條件[10]。于是推測棒狀產(chǎn)物可能是β-FeOOH[11]。腐蝕至48 h時，腐蝕層中有團簇狀產(chǎn)物和片狀產(chǎn)物(見圖4c)以及棒狀產(chǎn)物(見圖4d)3類形貌。片狀產(chǎn)物是γ-FeOOH，隨著腐蝕時間的延長而逐漸出現(xiàn)并長大。腐蝕96 h時，腐蝕層由片狀(見圖4e)、棒狀和塊狀產(chǎn)物(見圖4f)組成，EDS結(jié)果(圖6的能譜3和4)表明它們均含有Fe、O、C、Na和Cl元素，且Na、Cl含量較高，這是因為γ-FeOOH、β-FeOOH和α-FeOOH聚集成較厚的腐蝕層后，Na、Cl離子容易在腐蝕層表面停留。

圖4 不同腐蝕時間下腐蝕層的微觀形貌：(a、b) 12 h；(c、d) 48 h；(e、f) 96 h Figure 4 Microstructure of corrosion layer at different corrosion time: (a, b) 12 h; (c, d) 48 h; and (e, f) 96 h

圖5 試樣腐蝕12 h后的EDS分析結(jié)果 Figure 5 EDS analysis results after 12 hours of corrosion

圖6 試樣腐蝕96 h的EDS分析結(jié)果 Figure 6 EDS analysis results after 96 hours of corrosion

2.2 連接金具材料的預(yù)腐蝕磨損行為

由圖7可知，以未腐蝕試樣磨損1 800 s的質(zhì)量損失曲線作為基準(zhǔn)，可將質(zhì)量損失變化分為加速增長階段和減速增長階段。在加速增長階段，腐蝕12 h的試樣磨損1 800 s時的質(zhì)量損失為1.41 g，磨損率為2.0 × 10-3g/m，磨損質(zhì)量損失增幅為6.6%，而48 h腐蝕試樣磨損1 800 s的質(zhì)量損失為1.62 g，磨損率為2.3 × 10-3g/m，磨損質(zhì)量損失增幅為22%，說明隨著腐蝕時間的延長，磨損質(zhì)量損失增加；在減速增長階段，96 h腐蝕試樣磨損1 800 s的質(zhì)量損失為1.23 g，磨損率為1.7 × 10-3g/m，磨損質(zhì)量損失減幅僅為6.8%，可見隨著預(yù)腐蝕時間的進一步延長，磨損質(zhì)量損失反而減少。

圖7 預(yù)腐蝕試樣的質(zhì)量損失曲線 Figure 7 Mass loss curves of pre-corroded specimens

由圖8可知，摩擦因數(shù)隨著預(yù)腐蝕時間的延長呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，與試樣的磨損質(zhì)量損失變化趨勢相似。當(dāng)預(yù)腐蝕時間較短時，因為腐蝕破壞了材料表面的完整性，基體材料剝落造成摩擦因數(shù)增大，磨損質(zhì)量損失增加。預(yù)腐蝕時間越長則腐蝕產(chǎn)物積累越多，腐蝕產(chǎn)物在磨擦過程中起潤滑作用[12]，導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，令磨損質(zhì)量損失減少。

圖8 預(yù)腐蝕試樣的摩擦因數(shù) Figure 8 Friction factors of pre-corroded specimens

圖9是相同載荷(100 N)和相同轉(zhuǎn)速(180 r/min)下不同預(yù)腐蝕時間的試樣表面磨損的截面輪廓曲線及面粗糙度。在橫向輪廓曲線中，預(yù)腐蝕12 h試樣表面近似“凹”形，預(yù)腐蝕至48 h時表面“凹”輪廓加深，但在腐蝕96 h時“凹”輪廓變淺。在縱向輪廓曲線中，預(yù)腐蝕48 h試樣表面輪廓曲線波動明顯，說明其表面較粗糙， 此時面粗糙度為158.06 μm。預(yù)腐蝕48 h試樣表面磨損后的面粗糙度為184.15 μm，預(yù)腐蝕96 h試樣則是92.23 μm。

圖9 不同預(yù)腐蝕時間下試樣磨損表面的截面輪廓曲線和面粗糙度 Figure 9 Sectional profile curves and surface area roughness of worn specimens pre-corroded for different time

預(yù)腐蝕12 ～ 48 h時，磨損表面的摩擦因數(shù)及面粗糙度增大。預(yù)腐蝕時間延長至96 h時，磨損表面的摩擦因數(shù)及面粗糙度減小，這受控于腐蝕過程中的陽極溶解和陰極極化。有研究[13-14]表明，腐蝕對磨損的加速主要是陽極溶解：一方面，陽極溶解使表面出現(xiàn)點蝕坑，表面粗糙度增大，從而加速磨損；另一方面，陽極溶解導(dǎo)致材料表面力學(xué)性能下降，材料在剪切力作用下極易脫落，進而加劇磨損。而陰極極化產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物成為了潤滑劑，保護材料免受磨損[15-16]。除此之外，腐蝕介質(zhì)中的氯化物也具有一定的潤滑作用[17]。在磨損過程中，當(dāng)腐蝕時間較短時，主要是表面基體碎片剝落，加大了表面粗糙度和摩擦因數(shù)，加速了磨損；當(dāng)腐蝕時間延長，表面腐蝕產(chǎn)物和沉積的氯化物增多，大量腐蝕產(chǎn)物成為“潤滑介質(zhì)”，令表面粗糙度和摩擦因數(shù)降低，抑制了腐蝕對磨損的加速作用。

圖10為相同載荷(100 N)和相同轉(zhuǎn)速(180 r/min)下不同預(yù)腐蝕時間試樣上磨痕的形貌及能譜。磨痕表面均出現(xiàn)不同程度的犁溝、剝落和分層。在預(yù)腐蝕12 h時，試樣表面有大量犁溝、材料脫落留下的剝落坑和分層，磨損表面有殘留的氯元素。推測在預(yù)腐蝕12 h時，磨損機制主要為磨粒磨損、輕微粘著磨損和輕微腐蝕磨損。隨著預(yù)腐蝕時間延長至48 h，試樣表面的犁溝變寬，分層增多，剝落坑面積增大，磨損表面有Fe和O元素。推測預(yù)腐蝕48 h時，磨損機制以粘著磨損和磨粒磨損為主。預(yù)腐蝕96 h時，試樣表面的犁溝深度和寬度明顯變小，分層和剝落坑減少，表面的O和Cl元素增加，可能是Fe3O4、Fe2O3和NaCl的殘留物。推測在預(yù)腐蝕96 h時，磨損機制主要是腐蝕磨損、輕微磨粒磨損和輕微粘著磨損。

圖10 不同預(yù)腐蝕時間下試樣的磨痕形貌及EDS分析結(jié)果 Figure 10 Morphologies and EDS analysis results of wear scar on the specimens pre-corroded for different time

3 結(jié)論

(1) 連接金具服役工況復(fù)雜，單一的失效形式不能完全評價連接金具在實際服役中的失效。模擬腐蝕與磨損服役狀態(tài)的評價方法能在一定程度上表征連接金具在服役過程中的長期腐蝕和反復(fù)磨損工況。

(2) 沿海地區(qū)宜采用腐蝕與磨損服役狀態(tài)的評價方法進行失效研究，選取具有較佳服役狀態(tài)的連接金具，降低維護成本，提高使用安全性。

(3) 可考慮將連接金具材質(zhì)由Q235鋼改為耐腐蝕性能較好的耐候鋼，并在設(shè)計時增加腐蝕裕量。