岳增武，李辛庚，閆風潔，郭 凱

(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南250002)

0 引言

沿海鹽霧區(qū)的鋼芯鋁絞線腐蝕速率較高，導線斷股和斷線的情況時有發(fā)生，使輸電線路的安全運行受到嚴重威脅，有些地區(qū)鋼芯鋁絞線的運行壽命不足6年［1-3］。為研究海洋大氣環(huán)境下鋼芯鋁絞線的腐蝕機理，文獻［3-5］使用NaCl水溶液或鹽霧氣氛研究鋼芯鋁絞線的腐蝕行為，結果表明外層鋁線腐蝕速率最大，鋼芯鍍鋅層對鋁導線具有保護作用，但這些實驗結果與失效鋼芯鋁絞線內層鋁線腐蝕更嚴重的事實不符。文獻［6］對失效的鋼芯鋁絞線也進行了分析，認為鋁導線和鋼芯之間構成腐蝕電池，使內層鋁導線腐蝕嚴重。這些研究與分析結果與鋼芯鋁絞線服役過程中的一定階段相符，未能反映其服役全過程的腐蝕規(guī)律。

山東沿海某條220 kV回路的部分線路與海岸線平行架設，已投入運行24年。塔基與海岸線的最短距離約10 m，附近有小型化工廠多家。該回路采用了型號為LGJQF2－400/50的鋼芯鋁絞線，為輕型中防腐型鋼芯鋁絞線。與普通鋼芯鋁絞線相比，鋼芯采用浸涂油脂處理，增強了鋼芯的防腐性能。圖1是這種鋼芯鋁絞線的截面示意圖。最外層的鋁導線呈灰黑色，導線存在鼓脹現(xiàn)象。經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn):其實最外層鋁導線的腐蝕最輕微;第二層和最內層腐蝕嚴重，均有斷股現(xiàn)象且導線變脆，輕輕一掰即斷裂;導線之間有大量白色或灰白色的顆粒狀腐蝕產物，造成鼓脹，見圖2。鋼芯表面呈黑色并附著灰白色的腐蝕產物。

本文采用宏觀、微觀分析及電化學分析方法，探討了鋼芯鋁絞線的腐蝕機理及腐蝕失效發(fā)生過程，從而有針對性地給出建議措施。

圖1 鋼芯鋁絞線橫截面示意圖

圖2 發(fā)生腐蝕的鋼芯鋁絞線

1 實驗方法

對鋁導線和鋼芯分別割取試樣并鑲嵌，用SiC砂紙逐級打磨，最終用1μm金剛石拋光膏拋光，進行截面形貌觀察和能譜分析(使用Amray 1830掃描電子顯微鏡和Noran system 7能譜儀)。對內層導線與鋼芯之間的白色腐蝕物顆粒研磨成粉末后進行X射線衍射分析(使用Panalytical X’Pert Pro型X射線衍射儀，Cu靶);將鋼芯表面附著的腐蝕物輕輕刮下，也進行了X射線衍射分析。對該回路的舊鋼芯、同型號的未投入使用的鋼芯和鋁導線在3.5%NaCl溶液中進行了開路電位的測試，以飽和甘汞電極為參比電極，研究電極(鋼芯或鋁導線)用環(huán)氧樹脂封裝，暴露面積為1 cm2，測試儀器為PARSTAT2273電化學工作站。

2 結果與分析

2.1 截面形貌及能譜分析

圖3a為鋼芯橫截面的形貌，圖中1和3所指的部位為腐蝕層，2所指部位為Zn-Fe合金層，4所指部位為基體。只有部分表面尚殘存Zn-Fe合金層，大部分表面已經(jīng)裸露出鋼基體，腐蝕物中可檢測到Cl、S腐蝕性元素。

圖3b為最內層鋁導線的橫截面圖像，圖中1、2所指為腐蝕物，3為基體。能譜檢測腐蝕產物中存在Cl、S元素。腐蝕產物侵入導線基體，為非均勻腐蝕。

圖3 鋼芯和鋁導線的外表面附近的截面形貌

2.2 腐蝕產物的物相分析

圖4 為鋼芯和鋁導線表面腐蝕物的X射線衍射(XRD)圖譜。鋁導線的腐蝕產物中主要物相為Al(OH)3、Al2O3·3H2O、NaAlCO3(OH)2和Al2O3·H2O等;鋼芯腐蝕物中含有Zn(OH)2、ZnO、FeOOH和Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O。鋼芯表面腐蝕物中存在少量Fe的腐蝕物。對比鋁導線和鋼芯的腐蝕產物的XRD圖譜，鋁導線的腐蝕產物中應含有較大比例的非晶產物。由于含量少，XRD方法未能檢測出含S、Cl的腐蝕產物。

圖4 鋼芯及鋁導線表面腐蝕物的X射線衍射圖譜

2.3 電化學測試

開路電位的測試結果見圖5。鋁導線、舊鋼芯、新鋼芯的腐蝕電位分別是－0.774V、－0.657V和－1.05V，舊鋼芯的腐蝕電位高于鋁導線。

圖5 鋼芯和鋁導線在3.5%NaCl溶液中的開路電位

3 討論

3.1 鋼芯鋁絞線的腐蝕原因分析

達到穩(wěn)定狀態(tài)時的開路電位可認為是材料的自腐蝕電位。圖5測試結果表明:在3.5%NaCl溶液中新鋼芯的腐蝕電位低于鋁導線，在鋁導線與鋼芯形成的腐蝕電偶中充當陽極;而舊鋼芯的腐蝕電位高于鋁導線，在形成的腐蝕電偶中鋁導線則成為陽極。鋼芯鋁絞線處于海岸線附近潮濕海洋大氣環(huán)境中，金屬表面實際形成的電解液雖然與實驗所用的3.5%NaCl不同，但鋼芯的腐蝕電位應具有相似的變化趨勢，即產生電位正移，電位正移可能與鍍鋅層腐蝕及表面附著的腐蝕產物有關。當鋁導線在腐蝕電偶中充當陽極時，則與鋼芯接觸的內層鋁導線比最外層腐蝕更嚴重。

普通鋼芯鋁絞線的鋼芯采用中高碳鋼并進行熱鍍鋅防護，是因為鋅在大氣中的腐蝕速度比鋼低得多，并能對鋼基體提供陰極保護。當腐蝕介質滲入鋁導線和鋼芯之間時，由于鋁導線和鍍鋅層異種金屬接觸，形成腐蝕電偶。在鋼芯鋁絞線服役的初期，鍍鋅層作為陽極，對鋼芯及鋁導線提供保護，而在鍍鋅層破壞后，鋁導線成為陽極對鋼芯提供保護，從而使鋁導線的腐蝕加速。文獻［3-8］的研究結果分別與其不同服役階段的腐蝕機理相一致。

在干燥空氣中，鋅鍍層具有良好的保護作用，但在沿海等潮濕環(huán)境中，形成的腐蝕產物疏松，防護作用顯著降低，防護壽命縮短。除了潮濕的海洋大氣環(huán)境外，附近的小型化工企業(yè)的排放也可能加速了對鋼芯鋁絞線的腐蝕。

因此，鋼芯表面鍍鋅層的腐蝕程度是判斷整個鋼芯鋁絞線腐蝕狀況及壽命的重要依據(jù):當鍍鋅層因腐蝕失去對鋼芯的保護作用時，鋁導線的腐蝕將加速。國外已有對鋼芯鋁絞線的鍍鋅層進行在線檢測的設備［9，10］，國內也在進行這方面的研究，以加強對輸電線路的監(jiān)督。

3.2 延緩鋼芯鋁絞線腐蝕的措施

根據(jù)對沿海地區(qū)鋼芯鋁絞線腐蝕原因的分析，對延緩其腐蝕，可從三方面著手:(1)防止或延緩腐蝕介質的滲入;(2)防止或減緩異種金屬接觸產生的電偶腐蝕;(3)選用耐蝕性更好的鋼芯防腐蝕鍍層。

涂抹防腐油脂可有效地阻止腐蝕介質滲入到鋁導線與鋼芯之間。本次分析的沿海地區(qū)的鋼芯鋁絞線已經(jīng)運行了24年。為輕防腐型鋼芯鋁絞線，即在鋼芯表面涂了防腐油脂，不可否認，防腐油脂對于延長絞線的壽命起到了重要作用。正是認識到防腐油脂的作用，國際上從上世紀60年代起，防腐油脂的使用量大大增加，可使鋼芯鋁絞線的壽命延長約10年［6］。國內某線路采用了S、Z型導線，代替圓形導線進行同心絞，結合涂抹防腐油脂，能有效延緩腐蝕性介質的滲入，起到了較好的防腐蝕效果［1］。

使用鋁包鋼芯鋁絞線是防止異種金屬接觸形成電偶腐蝕的有效措施［11，12］，但是制造成本較高。也可在鋼芯外熱浸鍍鋅基合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱浸鍍純鋅，提高耐蝕性并仍能提供陰極保護作用，目前較成熟的熱浸鍍Zn-5%Al-RE合金(Galfan合金)的耐蝕性是熱浸鍍純鋅的2～3倍，已用于鋼芯的腐蝕防護，應進行推廣應用并同時研究耐蝕性更好的鋅基合金。目前Zn-Al-Mg-RE合金鍍層是國內外新型熱浸鍍合金研究的重要方向，有實驗表明，含Mg的熱鍍Zn層與Al形成的電偶比熱鍍純Zn層與Al形成的電偶的腐蝕程度輕［13］，也可減輕由于異種金屬接觸產生的電偶腐蝕。

4 結論

(1)沿海地區(qū)的鋼芯鋁絞線在服役的后期，由于鋁導線與鋼芯形成電偶腐蝕，使內層鋁導線腐蝕加速。

(2)延緩鋼芯鋁絞線腐蝕的思路是防止腐蝕介質滲入、消除或減弱異種金屬之間的電偶腐蝕、使用耐蝕性更好的鋼芯防護層。

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