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        架空輸電用老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)

        2021-12-28 08:43:48陳慶吟侯嘉鵬沈?qū)毰d張哲峰
        輕合金加工技術(shù) 2021年7期
        關(guān)鍵詞:鋁線屈服老化

        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(cè)研究所有限公司,國(guó)家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)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(guó)科學(xué)院金屬研究所,材料疲勞與斷裂實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110016)

        我國(guó)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(zhǎng)距離輸送。架空導(dǎo)線是長(zhǎng)距離輸電線路最重要載體,是電力能源輸送的“大動(dòng)脈”。國(guó)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(dòng)源源不斷地提供電力能源[1-2]。

        由于我國(guó)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(shí),會(huì)對(duì)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(xiǎn)[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(shí)間的延長(zhǎng)和熱服役溫度的改變,架空鋁線的強(qiáng)度時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)變化中,如果能夠通過(guò)公式計(jì)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(shí)間條件下的強(qiáng)度,那么便可以隨時(shí)掌握架空鋁線的強(qiáng)度數(shù)據(jù),避免因?yàn)槔匣瘧B(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(cè)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(duì)象,對(duì)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(cè)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(shí)間的關(guān)系,提出老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度計(jì)算公式,并與實(shí)際測(cè)得的屈服強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,不斷優(yōu)化老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度計(jì)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(jì)算公式,為實(shí)時(shí)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(yàn)方法

        1.1 鋁線成分及制備工藝

        本試驗(yàn)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(guò)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(duì)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(cè)試

        每種鋁線取3支樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸樣品總長(zhǎng)為200.0 mm,其中標(biāo)距段長(zhǎng)度為150.0 mm。隨后,在靜態(tài)INSTRON5982拉伸試驗(yàn)機(jī)上完成室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速率為1.0×10-3s-1,加載方向?yàn)殇X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(guò)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(shí)間為1.5 min,溫度為0 ℃。電解拋光之后,采用LEO Supra 35場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)對(duì)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(hào)為T(mén)enupol-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(yàn)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(cè)公式

        如圖1所示,工業(yè)純鋁線的屈服強(qiáng)度隨著退火時(shí)間的增加逐漸下降,當(dāng)退火時(shí)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(shí)間相同時(shí),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(shí)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(shí)間;

        σT—溫度為T(mén)、退火時(shí)間為t時(shí)工業(yè)純鋁線的屈服強(qiáng)度;

        σi—溫度為T(mén)、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(cè)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(cè)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(shí)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(cè)公式

        圖2為退火態(tài)鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度與退火時(shí)間的關(guān)系圖。當(dāng)退火溫度為90 ℃和150 ℃時(shí),隨著退火時(shí)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(guò)150 ℃時(shí),鋁鎂硅合金線的屈服強(qiáng)度則隨著退火時(shí)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(cè)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(guò)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(cè)曲線(圖2)。由圖2可見(jiàn),鋁鎂硅合金線屈服強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)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(shí)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(guò)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(cè)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(cè)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(guò)150 ℃時(shí)保持不變;當(dāng)溫度超過(guò)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(shí),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(shí),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(guò)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(jì)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(shí)間越短。當(dāng)退火溫度為90 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃時(shí),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(guò)150 ℃退火8 h后橫截面的透射觀察結(jié)果。由圖6可見(jiàn),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(shí)的晶粒長(zhǎng)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(duì)老化態(tài)架空鋁線強(qiáng)度難以實(shí)時(shí)監(jiān)控的難題,以工業(yè)純鋁線和鋁鎂硅合金線為研究對(duì)象,通過(guò)不同溫度的退火處理模擬實(shí)際服役環(huán)境,并對(duì)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(cè)試和表征,提出老化態(tài)鋁及鋁合金線屈服強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式,主要結(jié)論如下:

        1)通過(guò)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(cè)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(shí)間便可以計(jì)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(shí),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(guò)250 ℃時(shí),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(shí),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(guó)家電網(wǎng)浙江省電力公司項(xiàng)目(5211HD190002)和中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2019M661151)對(duì)本研究的支持。

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