特高壓輸電線路連接金具磨損對腐蝕的影響分析*

張培軍，李新梅，楊現(xiàn)臣，王曉輝，王松臣

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

特高壓輸電線路是超遠(yuǎn)距離輸電的主要方式，是西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎，也是沿海城市用電的支柱.連接金具作為特高壓輸電線路的連接部件，長期暴露在戶外，受各種極端環(huán)境的考驗，發(fā)生磨損、腐蝕、應(yīng)力斷裂等失效[1－3].實際服役過程中，由于環(huán)境復(fù)雜，往往受到多種失效形式共同作用.尤其在腐蝕與磨損共同作用的環(huán)境中，連接金具接觸部位發(fā)生摩擦損傷，使腐蝕介質(zhì)侵入，加速失效過程[4].因此，研究腐蝕與磨損環(huán)境中連接金具磨損對腐蝕的影響，對特高壓輸電線路的運(yùn)行安全極具現(xiàn)實意義.

諸多學(xué)者對各種環(huán)境中金屬材料損傷進(jìn)行了相關(guān)研究，李東亮[5]、蔣武斌[6]等研究不同腐蝕介質(zhì)對輸電線路材料腐蝕行為，得到腐蝕產(chǎn)物、腐蝕速率等在不同環(huán)境中有所不同；陳軍君等[7]研究了工業(yè)環(huán)境中連接金具失效，結(jié)果表明S元素是引起金具腐蝕的主要原因，而微動磨損也會促進(jìn)腐蝕.林啟皓等[8]研究了連接件暴露區(qū)和縫隙區(qū)的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)連接件表面縫隙區(qū)腐蝕更嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯的點(diǎn)蝕坑群.董彬杰等[9]研究了系泊鏈鋼材料在海水溶液中的腐蝕磨損行為，結(jié)果表明腐蝕對摩擦磨損有促進(jìn)作用，位錯缺陷和電偶腐蝕加速了腐蝕.相關(guān)學(xué)者注意到了連接金具的磨損和腐蝕現(xiàn)象，但未深入研究成因及機(jī)理.因此，本文主要研究連接金具磨損對腐蝕的影響，為其在相關(guān)環(huán)境中的損傷評估及防護(hù)提供理論依據(jù).

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

利用金具磨損試驗機(jī)對金具進(jìn)行磨損試驗，按實際工況選取8 000 N載荷，15萬次磨損參數(shù)[10]，磨損的連接金具見圖1（a）.為方便腐蝕稱重，利用線切割機(jī)制備預(yù)磨損試樣（Pre-Wear, PW），尺寸為20 mm×20 mm、側(cè)面半徑為10 mm的試樣見圖1（b）.相同尺寸制備對照試樣，選取無防護(hù)的基體Q235材料制備未磨損試樣（Un-Wear, UW）見圖1（c）.

圖1 連接金具及試樣

1.2 實驗方法

按照《人造氣氛腐蝕試驗-鹽霧試驗》標(biāo)準(zhǔn)模擬沿海地區(qū)腐蝕環(huán)境，溶液為0.5% NaCl，腐蝕時間分別為24 h、72 h、120 h、168 h、216 h.為保證試驗的準(zhǔn)確性，預(yù)磨損、未磨損試樣各設(shè)5組，每組3個平行試樣.借助超聲清洗儀清洗，吹風(fēng)機(jī)干燥，電子天平稱重.為避免其余表面對實驗結(jié)果的影響，用硅橡膠密封其余表面，留出待腐蝕面，置于鹽霧試驗箱中，分別在24 h、72 h、120 h、168 h、216 h取出預(yù)磨損和未磨損試樣各一組，用去離子水清洗、吹干、精確稱重，求出每組試樣的平均質(zhì)量損失，計算其平均腐蝕速率和擬合失重曲線.

對腐蝕24 h、120 h、216 h的預(yù)磨損和未磨損試樣，用工業(yè)顯微鏡觀察宏觀形貌，用LED-1430VP型掃描電鏡觀察表面微觀形貌.用D&Advance型X射線衍射儀分析表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物種類.對預(yù)磨損試樣和未磨損試樣，用CDM-16C型金相顯微鏡觀察截面組織、JEM-200CX透射電鏡觀察位錯.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 腐蝕動力學(xué)

預(yù)磨損和未磨損試樣的腐蝕動力學(xué)可以用腐蝕速率曲線和失重曲線表示.利用式（1）計算失重量、式（2）計算腐蝕速率.

式中：W為試樣失重量（μg）；W1為原始重量（μg）；W2為腐蝕后重量（μg）.Vw為試樣腐蝕速率（μg/(cm2.h)）；S為試樣的表面積（cm2）；T為試樣腐蝕時間（h）.

圖2（a）為連接金具預(yù)磨損試樣和未磨損試樣的失重量，按其變化規(guī)律依據(jù)式（3）進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)遵循冪函數(shù)分布規(guī)律.

圖2 連接金具腐蝕動力曲線

式中：C為腐蝕量（μg/cm2）；t為金屬暴露時間（h）；A、n為常數(shù)，分別表示環(huán)境和材料因素.當(dāng)t=1時，C=A表示在服役環(huán)境中的初始單位腐蝕量，n代表腐蝕發(fā)展趨勢，當(dāng)n ＞0.5時，表示腐蝕產(chǎn)物的生長速率開始加大[11]，擬合結(jié)果見表1.

表1 預(yù)磨損和未磨損試樣失重曲線擬合結(jié)果

兩試樣的腐蝕失重曲線結(jié)果表明：在相同實驗環(huán)境下，t=1時，預(yù)磨損試樣初始腐蝕量9.09 μg/cm2比未磨損試樣初始腐蝕量7.29 μg/cm2約高19%，表明在相同腐蝕環(huán)境中服役時，磨損后的連接金具腐蝕損傷更嚴(yán)重.兩試樣的n ＞0.5，表明連接金具材料抗腐蝕能力較差，而nPW＞nUW，表明相同環(huán)境下，磨損的金具材料腐蝕速率更快.

由圖2（b）可知，預(yù)磨損試樣的腐蝕速率大于未磨損試樣，且預(yù)磨損初始腐蝕速率0.069 μg/(cm2.h)比未磨損試樣初始腐蝕速率0.041 μg/(cm2.h)約高40%，說明磨損使腐蝕速率顯著提高，可能是磨損后的表層缺陷起加速腐蝕作用.隨著腐蝕時間增加，兩試樣均表現(xiàn)出腐蝕速率逐漸降低的特征，可能是腐蝕進(jìn)入中后階段，此時腐蝕產(chǎn)物覆蓋基體，阻止腐蝕介質(zhì)侵入，緩解了基體的腐蝕[12].

2.2 形貌分析

圖3為未磨損試樣腐蝕24 h、120 h、216 h后表面的宏觀和微觀形貌.從宏觀形貌圖3（a）中觀察到未磨損試樣的腐蝕產(chǎn)物較少，裸露的基體較多；從圖3（b～c）中觀察發(fā)現(xiàn)隨腐蝕時間的延長，腐蝕產(chǎn)物基本覆蓋表面，留有少量的基體.為進(jìn)一步分析形貌變化，對宏觀形貌標(biāo)識區(qū)域進(jìn)行微觀形貌觀察.從圖3（a）微觀形貌觀察到腐蝕產(chǎn)物類似團(tuán)簇狀，從圖3（b）微觀形貌觀察到團(tuán)簇狀增多，從圖3（c）微觀形貌觀察到產(chǎn)物有團(tuán)簇狀和片狀.這是因為隨著腐蝕時間的延長，團(tuán)簇狀腐蝕產(chǎn)物不斷堆積，片狀產(chǎn)物逐漸出現(xiàn)并長大[13].

圖3 未磨損試樣腐蝕不同時間形貌

圖4為預(yù)磨損試樣腐蝕24 h、120 h、216 h后表面的宏觀和微觀形貌.從圖4（a）宏觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)預(yù)磨損試樣的淡黃色腐蝕產(chǎn)物較多，集中在磨損缺陷區(qū)域.從圖4（b）宏觀形貌中觀察到腐蝕產(chǎn)物基本覆蓋，留有少量的基體，腐蝕產(chǎn)物以橙黃色產(chǎn)物為主，及少量的淡褐色產(chǎn)物.從圖4（c）宏觀形貌觀察到表面區(qū)域腐蝕產(chǎn)物完全覆蓋，腐蝕產(chǎn)物的橙黃色產(chǎn)物進(jìn)一步增加，出現(xiàn)暗黃褐色腐蝕產(chǎn)物.從圖4（a）微觀形貌發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物形貌為團(tuán)簇狀，從圖4（b）微觀形貌觀察到產(chǎn)物覆蓋，形態(tài)較致密.從圖4（c）微觀形貌觀察到產(chǎn)物變?yōu)槠瑺?結(jié)果表明：預(yù)磨損試樣的腐蝕產(chǎn)物多于未磨損試樣，一方面可能是因為預(yù)磨損試樣的缺陷位置水分子、腐蝕介質(zhì)和氧氣易集聚[14]；另一方面可能是磨損增加了試樣的內(nèi)能，加速了腐蝕產(chǎn)物生成[15－16].

圖4 預(yù)磨損試樣腐蝕不同時間形貌

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

圖5為連接金具預(yù)磨損和未磨損試樣腐蝕216 h的XRD譜圖.兩試樣的腐蝕產(chǎn)物有FeO、Fe3O4、Fe2O3、γ-FeOOH、β-FeOOH、α-FeOOH.與未磨損試樣相比，預(yù)磨損試樣的腐蝕產(chǎn)物中γ-FeOOH、α-FeOOH的衍射峰強(qiáng)度較明顯，說明相同腐蝕時間下，預(yù)磨損試樣產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物較多，以γ-FeOOH、α-FeOOH產(chǎn)物為主.

圖5 預(yù)磨損和未磨損試樣腐蝕216 h的XRD譜圖

2.4 磨損加速腐蝕的原因及機(jī)理分析

圖6為預(yù)磨損試樣原始形貌和腐蝕216 h除銹后形貌.從圖6（a）觀察到磨損表面缺陷為剝落坑、裂紋.從圖6（b）觀察到除銹后試樣表面分布著腐蝕坑，在裂紋處出現(xiàn)明顯金屬溶解現(xiàn)象，這是由于磨損形成剝落坑、裂紋等吸引水分子和腐蝕介質(zhì)，加速了腐蝕的陽極溶解過程[17－18].

圖6 預(yù)磨損原始和除銹后形貌圖

圖7為未磨損、預(yù)磨損試樣的金相圖.從圖7（a）觀察到試樣的組織由珠光體和鐵素體組成，從圖7（b）觀察到磨損后組織的晶粒沿剪切力方向被拉長，這是由于重載荷使表層發(fā)生塑性變形，塑性變形能夠提高金屬內(nèi)能，從而加速金屬腐蝕，這與田永武等[19]的實驗結(jié)果一致.圖8為未磨損、預(yù)磨損試樣的位錯圖.從圖8（a）觀察到未磨損試樣位錯線分布密度低，從圖8（b）觀察到預(yù)磨損試樣位錯線密度顯著增加，且位錯線之間相互糾纏.位錯聚集導(dǎo)致金屬的電勢都將偏離平衡位置[20－21]，使金屬的電流密度增大，從而加速腐蝕.

圖7 未磨損、預(yù)磨損試樣的金相圖

圖8 未磨損、預(yù)磨損試樣的位錯圖

綜上，連接金具磨損后，出現(xiàn)剝落坑及微裂紋，伴隨表層的塑性變形、位錯聚集等，共同作用下加速了連接金具的腐蝕損傷.這解釋了預(yù)磨損試樣腐蝕速率提高、形貌分布不均勻和銹層中γ-FeOOH、α-FeOOH含量變多的現(xiàn)象.

金屬材料一旦發(fā)生磨損將對腐蝕的各個階段造成影響，如圖9所示.在腐蝕開始階段，磨損形成的缺陷加大了金屬表面的吸附性，使水分子在缺陷區(qū)域快速聚集，通過氧原子與金屬間的結(jié)合，形成金屬羥基鍵，多個金屬羥基鍵聚集在缺陷區(qū)域結(jié)合生成羥基基團(tuán)，見圖9（a）.羥基基團(tuán)內(nèi)有氧濃差，成為腐蝕微電池.在羥基基團(tuán)中心作陽極發(fā)生溶解，而邊緣作陰極發(fā)生氧去極化反應(yīng).反應(yīng)化學(xué)式如下：

陽極：Fe-2e－→Fe2+，

陰極：O2+2H2O+4e－→4OH－，

Fe2++2OH－→Fe(OH)2.

內(nèi)部反應(yīng)生成的Fe(OH)2腐蝕產(chǎn)物不穩(wěn)定，逐漸溶解于羥基基團(tuán)聚集而形成的薄膜液中，并氧化成γ-FeOOH.由于腐蝕產(chǎn)物生長和溶解使部分γ-FeOOH逐漸褪去水分形成γ-Fe2O3，見圖9（b）.在產(chǎn)物長大過程中，磨損缺陷區(qū)域的金屬電勢發(fā)生偏離，腐蝕電流密度強(qiáng)度增加，加快了腐蝕產(chǎn)物形成和生長.隨著腐蝕時間的增加，腐蝕產(chǎn)物不斷生長，直到完全覆蓋金屬表面，部分γ-FeOOH隨之發(fā)生陽極氧化反應(yīng)形成Fe3O4，隨后氧化形成α-FeOOH，見圖9（c）.

圖9 預(yù)磨損試樣腐蝕機(jī)理示意圖

3 結(jié)論

1）在磨損與腐蝕的環(huán)境中，預(yù)磨損試樣的失重曲線和腐蝕速率均大于未磨損試樣，預(yù)磨損試樣初始腐蝕量9.09 μg/cm2比未磨損試樣初始腐蝕量7.29 μg/cm2約高19%，預(yù)磨損初始腐蝕速率0.069 μg/(cm2·h)比未磨損初始腐蝕速率0.041 μg/(cm2·h)約高40%.

2）預(yù)磨損試樣的腐蝕產(chǎn)物多于未磨損試樣，腐蝕產(chǎn)物均有FeO、Fe3O4、Fe2O3、γ-FeOOH、β-FeOOH、α-FeOOH，其中預(yù)磨損試樣的γ-FeOOH、α-FeOOH產(chǎn)物較多.

3）在磨損與腐蝕的環(huán)境中，磨損導(dǎo)致表面裂紋、剝落坑、表層塑性變形、位錯聚集等，提高了腐蝕速率，加速了腐蝕產(chǎn)物生成.

4）隨著特高壓輸電線路的建設(shè)，面臨的服役環(huán)境更為復(fù)雜苛刻，本文探討了磨損對腐蝕的影響，在此基礎(chǔ)上，腐蝕對磨損的影響、腐蝕和磨損的協(xié)同作用是我們今后研究的重要方向.