張 旭,趙景峰,李軼文,李軍博,王徑迤,劉恩靜

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司 物資分公司，北京 100075)

失效分析

輸變電用導(dǎo)線的腐蝕機(jī)理

張 旭,趙景峰,李軼文,李軍博,王徑迤,劉恩靜

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司 物資分公司，北京 100075)

在某輸電線路工程現(xiàn)場(chǎng)用導(dǎo)線發(fā)生大面積腐蝕，腐蝕產(chǎn)物為白色膠狀細(xì)顆粒。采用理化分析、試驗(yàn)?zāi)M等方法對(duì)腐蝕產(chǎn)物及導(dǎo)線接觸物進(jìn)行分析，并探究腐蝕機(jī)理。結(jié)果表明：Cl是導(dǎo)致導(dǎo)線腐蝕的主要元素，導(dǎo)線中彌散分布的第二相粒子加速了腐蝕進(jìn)程。據(jù)此，提出了導(dǎo)線在加工制造、運(yùn)輸存貯及使用過(guò)程中避免腐蝕的方法。

導(dǎo)線；腐蝕；能譜分析；第二相粒子

在電廠及電網(wǎng)輸變電工程施工中，導(dǎo)線用量巨大，是最重要的物資。目前，國(guó)內(nèi)外輸變電工程施工所用導(dǎo)線主要為鋼芯鋁絞線。鋼芯鋁絞線是由單層或多層鋁單絲線絞合在鍍鋅鋼芯線外的加強(qiáng)型導(dǎo)線。鋼芯主要起增加強(qiáng)度的作用，鋁線主要起傳送電能的作用。

2016年7月，在河北某輸電重點(diǎn)工程施工現(xiàn)場(chǎng)，工作人員發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線出現(xiàn)大面積腐蝕現(xiàn)象，腐蝕產(chǎn)物為白色細(xì)顆粒膠狀水合物，如圖1和圖2。導(dǎo)線腐蝕最嚴(yán)重的部位發(fā)生在與線軸木板的貼合處,見(jiàn)圖3和圖4。導(dǎo)線腐蝕會(huì)降低其電導(dǎo)率及抗拉強(qiáng)度，危害極大。為此，筆者進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集及分析，以理化檢驗(yàn)和試驗(yàn)?zāi)M等手段，探明了導(dǎo)線腐蝕原因，并提出了解決方法。

圖1 盤在線軸上的導(dǎo)線Fig. 1 Wires on thread spool

圖2 圖1局部放大圖Fig. 2 Enlarged view of Fig. 1

圖3 腐蝕最嚴(yán)重的導(dǎo)線Fig. 3 The most serious corrosion of the wire

圖4 圖3局部放大圖Fig. 4 Enlarged view of Fig. 3

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線腐蝕呈點(diǎn)狀或片狀分布，尤以靠近線軸邊緣處腐蝕最為嚴(yán)重，腐蝕處的絞線顏色呈白色。腐蝕產(chǎn)物為白色顆粒膠狀水合物，風(fēng)干后為白色顆?；蚍勰?。將鋁單絲上的腐蝕產(chǎn)物去除后可發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕坑，見(jiàn)圖5，顯著區(qū)別于其他未發(fā)生腐蝕的銀白色鋁線。

圖5 發(fā)生腐蝕的鋁單絲Fig. 5 Corrosion of aluminum monofilament

1.2 化學(xué)成分

將未發(fā)生腐蝕的完好鋁單絲制成試樣，采用滴定法測(cè)試其中雜質(zhì)元素的含量，Al元素含量是通過(guò)減去雜質(zhì)元素含量計(jì)算得出的。以判斷雜質(zhì)元素含量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，排除成分設(shè)計(jì)(材質(zhì))問(wèn)題,各元素含量見(jiàn)表1。

參照GB/T 3190-2008《變形鋁合金及鋁合金化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)，鋁單絲中的雜質(zhì)含量并未超標(biāo)，化學(xué)成分合格[1]。

1.3 微觀形貌

表1 鋁單絲中各化學(xué)元素含量及標(biāo)準(zhǔn)

在圖5所示試樣上截取一段腐蝕較為明顯的鋁單絲，沿橫向及縱向分別截開(kāi)后拋光，制成試樣[2]，采用金相顯微鏡觀察試樣，見(jiàn)圖6。再將拋光后的試樣用金相侵蝕劑腐蝕，觀察其微觀形貌，見(jiàn)圖7。由圖6可見(jiàn)，導(dǎo)線從邊緣處開(kāi)始腐蝕，逐漸深入基體。腐蝕產(chǎn)物聚集在基體的邊緣，連成一片導(dǎo)致基體的脫落，形成腐蝕坑。由圖7可見(jiàn),基體內(nèi)有大量的第二相粒子(已被金相侵蝕劑腐蝕)，排列方向與試樣的軋制方向一致。金相侵蝕分布路徑與導(dǎo)線腐蝕路徑基本吻合。

1.4 能譜

為確定腐蝕元素，截取一段腐蝕較為明顯的鋁單絲，進(jìn)行揮發(fā)處理后，置于高倍掃描電鏡下進(jìn)行能譜分析(SEM型號(hào)：JEOL，JSM-6510)，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Cl及Al元素，一定量的C元素及O元素，微量的Ca及Si元素。

1.5 腐蝕源排查

通過(guò)對(duì)腐蝕產(chǎn)物的分析，確定Cl元素是導(dǎo)致導(dǎo)線腐蝕的直接原因。為了查找腐蝕元素來(lái)源，筆者對(duì)導(dǎo)線施工工地、導(dǎo)線包裝物及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了逐一排查，以明引入確腐蝕源的環(huán)節(jié)。

1.5.1 施工工地排查

2016年7月，筆者赴施工工地，采集了與導(dǎo)線接觸的土壤及地表殘留的雨水，分別對(duì)其進(jìn)行了能譜分析和化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)圖9和表2。由圖9和表2可見(jiàn),土壤中并無(wú)Cl元素，但是有沉積的Al元素；雨水中只含有微量Cl元素。另外，對(duì)包裝用的隔層牛皮紙、防雨布、線軸木板等一切與導(dǎo)線接觸的物品進(jìn)行取樣檢測(cè),發(fā)現(xiàn)只有C、O等常規(guī)元素，未發(fā)現(xiàn)Cl元素。

(a) 橫向截面組織

(b) 縱向截面組織圖6 試樣的拋光態(tài)形貌Fig. 6 Polished state morphology of the sample: (a) cross section; (b) longitudinal section

(a) 橫向截面組織

(b) 縱向截面組織圖7 腐蝕侵蝕后的形貌Fig. 7 Morphology of sample after erosion: (a) cross section; (b) longitudinal section

1.5.2 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)排查

2016年8月，筆者赴導(dǎo)線生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)地排查可能引入Cl元素的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絞制導(dǎo)線的鋁單絲是通過(guò)較粗的鋁桿逐級(jí)拉絲變細(xì)制作而成的。鋁桿在拉絲過(guò)程中，溫度很高，需要用到有機(jī)礦物油以起到降溫及潤(rùn)滑的作用。通過(guò)對(duì)拉絲油進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)其中含有一定量的Cl元素，見(jiàn)圖9。

圖8 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果Fig. 8 Analysis results of energy spectrum of the corrosive produt

圖9 土壤能譜圖Fig. 9 Energy spectrum of soil

表2 積水化學(xué)成分

圖10 拉絲油能譜圖Fig. 10 EDS pattern of drawing oil

為了確定拉絲油中Cl元素的存在形式，使用島津GC-2010 Plus熱裂解-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀，模擬鋁桿拉絲溫度，在200 ℃和300 ℃溫度條件下對(duì)拉絲油進(jìn)行熱裂解，發(fā)現(xiàn)油中有一定量含Cl有機(jī)物存在；使用純水對(duì)拉絲油樣品進(jìn)行提取，提取液進(jìn)行離子色譜分析，發(fā)現(xiàn)拉絲油中含有游離氯離子，含量約為99.98 mg/kg，pH為6.5，呈弱酸性。至此，Cl元素來(lái)源已經(jīng)查明。

1.6 第二相粒子分析

在微觀形貌觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)樣品中彌散分布著大量的第二相粒子，且分布范圍與導(dǎo)線腐蝕路徑基本吻合，說(shuō)明二者存在必然關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)第二相粒子的能譜分析，發(fā)現(xiàn)其為Al和Fe元素。經(jīng)查文獻(xiàn)得知，第二相粒子為FeAl3[3]。

2 分析及討論

本例中，導(dǎo)線的防雨布為尼龍編織物，使用及儲(chǔ)存時(shí)正值雨季。防雨布雖然能阻隔部分雨水，但當(dāng)有雨水滲入線軸內(nèi)部時(shí)，防雨布又阻止了水氣的蒸發(fā)，使導(dǎo)線處于一種相對(duì)密閉的潮濕環(huán)境。尤其是在線軸邊緣處，木板吸水性好，水氣更不易蒸發(fā)。在導(dǎo)線上附著的拉絲油含Cl-，遇水形成了鹽酸。

鋁是一種兩性金屬，當(dāng)純鋁放置在自然環(huán)境中時(shí)，表面會(huì)形成氧化膜(γ-Al2O3)[4]，能起到防止基體腐蝕的作用。但γ-Al2O3是一種非晶態(tài)、非均勻且不連續(xù)的氧化膜，易破損，若有水存在，最初形成的γ-Al2O3外層會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐槐应?A100H。然后，在γ-A100H上又會(huì)覆蓋上一層Al(OH)3。當(dāng)遇到酸溶液時(shí)極易發(fā)生溶解從而導(dǎo)致表面腐蝕。

查閱文獻(xiàn)可知[2-5]，F(xiàn)eAl3的電極電位為-0.39～-0.58 V(SHE)，而Al的電極電位為-0.80 V(SHE)，兩者的電極電位差為0.4 V。當(dāng)二者共同處在一定濃度的電解質(zhì)溶液中時(shí)，即形成了原電池。基體Al由于具有較低的電極電位，極易失去電子，當(dāng)與第二相粒子FeAl3接觸時(shí)，常作為陽(yáng)極發(fā)生電偶腐蝕。

化學(xué)腐蝕過(guò)程方程式見(jiàn)式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

3 結(jié)論及建議

通過(guò)分析及討論可知，本例中導(dǎo)線的初期表層腐蝕為化學(xué)腐蝕，中后期腐蝕為化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕。

綜上所述，提出以下建議，以期避免導(dǎo)線的腐蝕，減少經(jīng)濟(jì)損失，節(jié)約施工時(shí)間成本:(1) 拉絲所用鋁桿在軋制時(shí)，應(yīng)盡量降低其中雜質(zhì)元素的含量，尤其是鐵元素的含量，提高自身的耐蝕性；(2) 在鋁桿拉絲時(shí)，避免使用含Cl有機(jī)物的拉絲油；(3) 導(dǎo)線在運(yùn)輸及存儲(chǔ)時(shí)，應(yīng)避免淋雨或受潮，一旦發(fā)現(xiàn)此類情況，應(yīng)及時(shí)晾曬通風(fēng)；(4) 對(duì)于在潮濕及海鹽環(huán)境中使用的導(dǎo)線，可適當(dāng)涂抹防腐蝕材料，提高導(dǎo)線表面耐蝕性。

[1] GB/T 3190-2008 變形鋁合金及鋁合金化學(xué)成分[S].

[2] 鄭藝,郭偉,丁洪生,等. 不同狀態(tài)AZ80鎂合金的金相試樣制備方法[J]. 理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(7):477-479.

[3] 李勁風(fēng). 第二相在鋁合金局部腐蝕中的作用機(jī)制腐蝕[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2005，19(2)：81-83.

[4] 馬 騰，王振堯，韓薇. 鋁和鋁合金的大氣腐蝕[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2004，16(3)：156-161.

[5] 安百剛，張學(xué)元，韓恩厚，等. 鋁和鋁合金的大氣腐蝕研究現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2001，11(2)：11-15.

Corrosion Mechanism of Wires Used for Transmission and Transformation Project

ZHANG Xu, ZHAO Jingfeng, LI Yiwen, LI Junbo, WANG Jingyi, LIU Enjing

(State Grid Jibei Electric Power Limited Company Material Branch, Beijing 100075, China)

Serious corrosion of wires used in a transmission project appeared. The corrosion product was white colloidal fine particles. The composition of corrosion products and mechanism of corrosion were explored by means of physical and chemical analysis and simulation test. The results show that Cl was the main element leading to the corrosion of the wire, and the second phase particles dispersed in the wire accelerated the corrosion process. Accordingly, some suggestions for avoiding the wire corrosion in the process of manufacture, transport and use were proposed.

wire； corrosion； EDS analysis； second phase particle

10.11973/fsyfh-201705019

2017-03-16

張 旭(1985-)，工程師，碩士，從事電網(wǎng)物資的質(zhì)量管控的相關(guān)工作,010-87631465，jancy001@126.com

TG115.2

B

1005-748X(2017)05-0403-04