岳增武，李辛庚，閆風(fēng)潔，郭 凱

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250002)

0 引言

沿海鹽霧區(qū)的鋼芯鋁絞線腐蝕速率較高，導(dǎo)線斷股和斷線的情況時(shí)有發(fā)生，使輸電線路的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，有些地區(qū)鋼芯鋁絞線的運(yùn)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(jī)理，文獻(xiàn)［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(jié)果表明外層鋁線腐蝕速率最大，鋼芯鍍鋅層對(duì)鋁導(dǎo)線具有保護(hù)作用，但這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與失效鋼芯鋁絞線內(nèi)層鋁線腐蝕更嚴(yán)重的事實(shí)不符。文獻(xiàn)［6］對(duì)失效的鋼芯鋁絞線也進(jìn)行了分析，認(rèn)為鋁導(dǎo)線和鋼芯之間構(gòu)成腐蝕電池，使內(nèi)層鋁導(dǎo)線腐蝕嚴(yán)重。這些研究與分析結(jié)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(shè)，已投入運(yùn)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(hào)為L(zhǎng)GJQF2－400/50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(qiáng)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(dǎo)線呈灰黑色，導(dǎo)線存在鼓脹現(xiàn)象。經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn):其實(shí)最外層鋁導(dǎo)線的腐蝕最輕微;第二層和最內(nèi)層腐蝕嚴(yán)重，均有斷股現(xiàn)象且導(dǎo)線變脆，輕輕一掰即斷裂;導(dǎo)線之間有大量白色或灰白色的顆粒狀腐蝕產(chǎn)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(chǎn)物。

本文采用宏觀、微觀分析及電化學(xué)分析方法，探討了鋼芯鋁絞線的腐蝕機(jī)理及腐蝕失效發(fā)生過程，從而有針對(duì)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(shí)驗(yàn)方法

對(duì)鋁導(dǎo)線和鋼芯分別割取試樣并鑲嵌，用SiC砂紙逐級(jí)打磨，最終用1μm金剛石拋光膏拋光，進(jìn)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(duì)內(nèi)層導(dǎo)線與鋼芯之間的白色腐蝕物顆粒研磨成粉末后進(jìn)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(jìn)行了X射線衍射分析。對(duì)該回路的舊鋼芯、同型號(hào)的未投入使用的鋼芯和鋁導(dǎo)線在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行了開路電位的測(cè)試，以飽和甘汞電極為參比電極，研究電極(鋼芯或鋁導(dǎo)線)用環(huán)氧樹脂封裝，暴露面積為1 cm2，測(cè)試儀器為PARSTAT2273電化學(xué)工作站。

2 結(jié)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(cè)到Cl、S腐蝕性元素。

圖3b為最內(nèi)層鋁導(dǎo)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(cè)腐蝕產(chǎn)物中存在Cl、S元素。腐蝕產(chǎn)物侵入導(dǎo)線基體，為非均勻腐蝕。

圖3 鋼芯和鋁導(dǎo)線的外表面附近的截面形貌

2.2 腐蝕產(chǎn)物的物相分析

圖4 為鋼芯和鋁導(dǎo)線表面腐蝕物的X射線衍射(XRD)圖譜。鋁導(dǎo)線的腐蝕產(chǎn)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(duì)比鋁導(dǎo)線和鋼芯的腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜，鋁導(dǎo)線的腐蝕產(chǎn)物中應(yīng)含有較大比例的非晶產(chǎn)物。由于含量少，XRD方法未能檢測(cè)出含S、Cl的腐蝕產(chǎn)物。

圖4 鋼芯及鋁導(dǎo)線表面腐蝕物的X射線衍射圖譜

2.3 電化學(xué)測(cè)試

開路電位的測(cè)試結(jié)果見圖5。鋁導(dǎo)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(dǎo)線。

圖5 鋼芯和鋁導(dǎo)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的開路電位可認(rèn)為是材料的自腐蝕電位。圖5測(cè)試結(jié)果表明:在3.5%NaCl溶液中新鋼芯的腐蝕電位低于鋁導(dǎo)線，在鋁導(dǎo)線與鋼芯形成的腐蝕電偶中充當(dāng)陽極;而舊鋼芯的腐蝕電位高于鋁導(dǎo)線，在形成的腐蝕電偶中鋁導(dǎo)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(shí)際形成的電解液雖然與實(shí)驗(yàn)所用的3.5%NaCl不同，但鋼芯的腐蝕電位應(yīng)具有相似的變化趨勢(shì)，即產(chǎn)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(chǎn)物有關(guān)。當(dāng)鋁導(dǎo)線在腐蝕電偶中充當(dāng)陽極時(shí)，則與鋼芯接觸的內(nèi)層鋁導(dǎo)線比最外層腐蝕更嚴(yán)重。

普通鋼芯鋁絞線的鋼芯采用中高碳鋼并進(jìn)行熱鍍鋅防護(hù)，是因?yàn)殇\在大氣中的腐蝕速度比鋼低得多，并能對(duì)鋼基體提供陰極保護(hù)。當(dāng)腐蝕介質(zhì)滲入鋁導(dǎo)線和鋼芯之間時(shí)，由于鋁導(dǎo)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(duì)鋼芯及鋁導(dǎo)線提供保護(hù)，而在鍍鋅層破壞后，鋁導(dǎo)線成為陽極對(duì)鋼芯提供保護(hù)，從而使鋁導(dǎo)線的腐蝕加速。文獻(xiàn)［3-8］的研究結(jié)果分別與其不同服役階段的腐蝕機(jī)理相一致。

在干燥空氣中，鋅鍍層具有良好的保護(hù)作用，但在沿海等潮濕環(huán)境中，形成的腐蝕產(chǎn)物疏松，防護(hù)作用顯著降低，防護(hù)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(duì)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(gè)鋼芯鋁絞線腐蝕狀況及壽命的重要依據(jù):當(dāng)鍍鋅層因腐蝕失去對(duì)鋼芯的保護(hù)作用時(shí)，鋁導(dǎo)線的腐蝕將加速。國(guó)外已有對(duì)鋼芯鋁絞線的鍍鋅層進(jìn)行在線檢測(cè)的設(shè)備［9，10］，國(guó)內(nèi)也在進(jìn)行這方面的研究，以加強(qiáng)對(duì)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(duì)沿海地區(qū)鋼芯鋁絞線腐蝕原因的分析，對(duì)延緩其腐蝕，可從三方面著手:(1)防止或延緩腐蝕介質(zhì)的滲入;(2)防止或減緩異種金屬接觸產(chǎn)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(zhì)滲入到鋁導(dǎo)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(yùn)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(rèn)，防腐油脂對(duì)于延長(zhǎng)絞線的壽命起到了重要作用。正是認(rèn)識(shí)到防腐油脂的作用，國(guó)際上從上世紀(jì)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(zhǎng)約10年［6］。國(guó)內(nèi)某線路采用了S、Z型導(dǎo)線，代替圓形導(dǎo)線進(jìn)行同心絞，結(jié)合涂抹防腐油脂，能有效延緩腐蝕性介質(zhì)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(hù)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(hù)，應(yīng)進(jìn)行推廣應(yīng)用并同時(shí)研究耐蝕性更好的鋅基合金。目前Zn-Al-Mg-RE合金鍍層是國(guó)內(nèi)外新型熱浸鍍合金研究的重要方向，有實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的電偶腐蝕。

4 結(jié)論

(1)沿海地區(qū)的鋼芯鋁絞線在服役的后期，由于鋁導(dǎo)線與鋼芯形成電偶腐蝕，使內(nèi)層鋁導(dǎo)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(zhì)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(hù)層。

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