劉 洋,陳 杰,王凌志,周文俊,曹京滎,李陳瑩

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京 211103； 2. 國網(wǎng)泉州供電公司,泉州 362000; 3. 武漢大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，武漢 430072)

電力電纜因可靠性高，不占地上空間等原因廣泛應(yīng)用于我國城市輸配電網(wǎng)[1]。金屬護(hù)套電纜的阻水性能好，可有效避免和減少XLPE(交聯(lián)聚乙烯)材料產(chǎn)生水樹。相對于鉛護(hù)套電纜，波紋鋁護(hù)套電纜價格便宜，質(zhì)量輕，易于敷設(shè)，是應(yīng)用最廣泛的一類陸地用高壓電纜。東部沿海地區(qū)使用電纜較早，近年來，多地出現(xiàn)了電纜外護(hù)套破損進(jìn)而引發(fā)鋁護(hù)套高壓電纜的護(hù)套腐蝕案例[2-3]。對于敷設(shè)方式為直埋、管埋、溝埋等的高壓電纜，外護(hù)套破損可能會導(dǎo)致多點接地。電纜線芯交變電流產(chǎn)生的磁場與鋁護(hù)套交鏈形成的交變感應(yīng)電動勢直接作用于護(hù)套與大地之間，有可能會進(jìn)一步導(dǎo)致電纜鋁護(hù)套腐蝕[4]。

過去的研究主要針對鐵磁材料構(gòu)成的金屬管道[5]，如城市地下水管[6]、輸油[7]、輸氣管道等[8-9]，鮮見關(guān)于鋁材交流腐蝕過程的研究報道。鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，且在交變感應(yīng)電動勢的激勵下，在濕潤土壤環(huán)境中易發(fā)生交流電化學(xué)反應(yīng)。雖然已有關(guān)于平板鋁材的腐蝕研究報道[10]，但其采用的電壓激勵為直流[11]，且環(huán)境與地下電纜的實際運行環(huán)境相差很大[12]。交流電流可以導(dǎo)致或加速金屬材料的腐蝕[13-14]，因而有必要采用實際應(yīng)用的電纜鋁護(hù)套進(jìn)行交流腐蝕研究。

為了得到電纜外護(hù)套破損后，鋁護(hù)套腐蝕速率與流出鋁護(hù)套表面交流電流之間的關(guān)系，探究鋁護(hù)套的交流腐蝕過程，本工作在110 kV電纜外護(hù)套上開孔，將其浸泡于3.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)NaCl溶液(模擬海水)中，模擬沿海城市電纜直接浸泡于海水中，且外護(hù)套破損的情況。改變鋁護(hù)套表面流出交流電流的大小，得到不同電流作用下，鋁護(hù)套的穿孔時間，并記錄不同腐蝕時間條件下，鋁護(hù)套的表面形貌，以期為電纜鋁護(hù)套交流腐蝕評價提供參考。

1 交流電化學(xué)腐蝕條件和機理

金屬在交流電流作用下會發(fā)生交流電化學(xué)腐蝕[15]，交流腐蝕是金屬電場大小和方向均變化的條件下發(fā)生的電化學(xué)腐蝕[16]，這個外施電場比自然極化電場大得多。交流電化學(xué)腐蝕的必要條件如下[17-18]：

(a) 必須有兩個電極；

(b) 兩電極必須在同一電解質(zhì)溶液中；

(c) 兩電極之間存在交流電流。

由法拉第電解定律可知，金屬腐蝕速率與流出金屬表面電流成正比。故金屬腐蝕速率可用陽極腐蝕電流密度表征。假設(shè)金屬腐蝕過程遵循塔菲爾方程，則在金屬未受到交流電作用時[19]：

(1)

式中：Jcorr為金屬自腐蝕電流密度；J0,a為金屬陽極腐蝕反應(yīng)交換電流密度；Ecorr為自腐蝕電位；Ee,a為陽極腐蝕反應(yīng)平衡電位；βa為陽極塔菲爾斜率。

當(dāng)金屬電位偏離自腐蝕電位ΔE時，陽極腐蝕電流密度為：

(2)

假設(shè)ΔE是幅值為V，角頻率為ω的交流電，則金屬陽極腐蝕電流密度為：

(3)

由式(2)可知：金屬陽極腐蝕電流密度與金屬偏離自腐蝕電位ΔE之間為非線性關(guān)系。Ja與Ecorr-Ee,a+ΔE之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。在交流電正半周時，電位最高點為Ecorr-Ee,a+V，金屬腐蝕速率增大；在交流電負(fù)半周時，電位最低點為Ecorr-Ee,a-V，金屬腐蝕速率減小，甚至出現(xiàn)金屬沉積現(xiàn)象。但在交流電正半周內(nèi)金屬的腐蝕速率增加量較負(fù)半軸內(nèi)可能出現(xiàn)的金屬沉淀量更大，最終引起金屬的陽極腐蝕速率增大。

但是，有研究表明交流電對金屬腐蝕加速的影響不止于此，交流電甚至?xí)淖兯茽栃甭蔥20-23]，即交流電可能會影響金屬的腐蝕反應(yīng)動力學(xué)過程。

通過測量腐蝕電位、塔菲爾斜率來判斷電纜鋁護(hù)套腐蝕速率相對復(fù)雜，為此本工作設(shè)計了一組試驗，用鋁護(hù)套腐蝕穿孔時間來表征金屬的腐蝕速率。

2 試驗

試驗材料選用截面積為800 mm2的110 kV電纜鋁護(hù)套，鋁護(hù)套厚2.5 mm。將電纜裁成長200 mm小段，如圖1所示在外護(hù)套上開一直徑22 mm圓孔，試樣暴露面積為380 mm2。采用酒精、無紡布將暴露面瀝青清洗干凈。電纜段一端用硅橡膠將非工作面鋁護(hù)套密封；另一端開一小口，便于試驗時連接導(dǎo)線，見圖2。將制備好的電纜段置于干燥環(huán)境中備用。電解質(zhì)為3.5% NaCl溶液，模擬沿海地區(qū)電纜浸沒于海水中的極端情況。

圖1 試驗用電纜段Fig. 1 Test cable

圖2 電纜段兩端Fig. 2 Two ends of the cable

試驗裝置如圖3所示，將電纜段與石墨板置于NaCl溶液中，分別與交流電源兩極連接。電纜段中間圓孔完全浸沒在電解液中，使交流電流從圓孔處流出，通過石墨板流回交流電源，試驗裝置實物圖如圖4所示。試驗時，交流電源固定輸出電流大小，開始計時。每隔一段時間斷開電路停止計時，將電纜段取出觀察圓孔處是否穿孔。當(dāng)鋁護(hù)套表面出現(xiàn)貫穿性孔洞，通過鋁護(hù)套孔洞可以觀察到內(nèi)部黑色緩沖層時，認(rèn)為鋁護(hù)套已經(jīng)腐蝕穿孔。未穿孔則將電纜段放回，繼續(xù)通電并計時，重復(fù)上述操作，直至電纜段圓孔處出現(xiàn)穿孔，停止試驗，記錄穿孔時間。

圖3 腐蝕試驗裝置Fig. 3 Corrosion test device

圖4 試驗裝置實物圖Fig. 4 Physical object of test equipment

3 結(jié)果與討論

3.1 腐蝕速率

由圖5和表1可見：隨著流出圓孔處交流電流的增大，鋁護(hù)套穿孔時間減小。對于2.5 mm厚皺紋鋁護(hù)套，從φ22 mm圓孔處連續(xù)流出1 A交流電流，10 h后鋁護(hù)套出現(xiàn)穿孔。增大交流電流，穿孔時間下降，當(dāng)電流增大到5 A時，穿孔時間縮短為2 h；電流為10 A時，穿孔時間不足1 h。當(dāng)鋁護(hù)套表面沒有電流流出時，將電纜連續(xù)浸泡于溶液中1個月，鋁護(hù)套表面仍未發(fā)生改變，可以認(rèn)為此條件下鋁護(hù)套的腐蝕較緩慢，與鋁護(hù)套表面流出電流時的情況相比，腐蝕幾乎可以忽略。

表1 不同電流條件下的腐蝕試驗結(jié)果Tab. 1 Corrosion test results under different current conditions

圖5 鋁護(hù)套腐蝕穿孔時間與表面流出電流的關(guān)系Fig. 5 Relationship between the corrosion perforation time of aluminum sheath and the current flowing out of the surface

根據(jù)法拉第電解定律：在電解過程中，陽極上金屬腐蝕的量與所通過的電流強度和通電時間成正比，見式(4)。且文獻(xiàn)[19]給出了當(dāng)電流密度較大時，鋁在交流電作用下腐蝕量與在直流作用下腐蝕量的比值趨近于常數(shù)。因此，在交流電流較大時，腐蝕速率與電流大小應(yīng)成正比例關(guān)系。

M=KQ=KIt

(4)

式中：M為金屬腐蝕質(zhì)量；K為比例常數(shù)；Q為通過的電量；I為電流大小；t為通電時間。

因穿孔時間與腐蝕速率成反比關(guān)系，采用反比例函數(shù)對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5中曲線所示，擬合得到圓孔處穿孔時間與電流大小之間的關(guān)系見式(5)：

T=10.06/I

(5)

式中：T為圓孔處穿孔時間，h；I為交流電流，A。

將表1中腐蝕速率與電流密度進(jìn)行線性擬合，因腐蝕環(huán)境為3.5% NaCl溶液，而鋁表面有一層氧化鋁，當(dāng)鋁表面沒有電流流出時，腐蝕可以忽略，因此，選取過原點直線對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖6所示。

圖6 腐蝕速率與電流密度的關(guān)系Fig. 6 The relationship between corrosion rate and current density

擬合直線函數(shù)為：

V=1.06×J

(6)

式中：V為腐蝕速率，mm/h；J為交流電流密度，A/cm2。

由上式可知，當(dāng)電纜外護(hù)套破損后，鋁護(hù)套表面每流出1 A/cm2電流密度，腐蝕速率增加1.06 mm/h。因?qū)嶋H土壤環(huán)境較為復(fù)雜，當(dāng)土壤較為干燥時外護(hù)套破損點流出電流相對較小，腐蝕速率較小，一旦外護(hù)套破損點出現(xiàn)浸水現(xiàn)象，該處鋁護(hù)套表面流出電流密度將大幅增大，甚至到“A/cm2”級別，此條件下鋁護(hù)套將很快腐蝕穿孔，最終傷及電纜主絕緣，甚至導(dǎo)致電纜本體絕緣失效。

3.2 腐蝕形貌

由圖7可見:鋁護(hù)套腐蝕初期呈現(xiàn)點蝕形貌，圓孔邊緣明顯分布有許多單個點蝕坑，靠近圓孔中心位置點蝕坑更加密集，且點蝕坑連成一片。這是因為鋁護(hù)套為皺紋形狀，試驗時將圓孔開在皺紋鋁護(hù)套凸起部位，這導(dǎo)致圓孔中間相對于邊緣更靠近石墨電極，電流更容易從圓孔中間流出，因此圓孔中間腐蝕程度較邊緣更加嚴(yán)重。隨著時間的延長，腐蝕嚴(yán)重區(qū)域向邊緣擴散。腐蝕時間為2 h時,邊緣還能看出單個點蝕痕跡;腐蝕時間增至4h，整個圓孔內(nèi)蝕孔連成一片;腐蝕10 h，鋁護(hù)套表面出現(xiàn)孔洞。

圖7 1 A交流電流作用不同時間后圓孔處鋁護(hù)套的表面形貌Fig. 7 Surface morphology of the aluminum sheath at the round hole after 1 A AC current applied for different times

4 結(jié)論

(1) 電流為1～10A條件下，鋁護(hù)套穿孔時間與鋁護(hù)套表面流出電流成反比例關(guān)系，擬合結(jié)果為T=10.06/I，電流越大腐蝕穿孔時間越短；鋁護(hù)套腐蝕速率與鋁護(hù)套表面所流出電流密度成線性關(guān)系，擬合結(jié)果為V=1.06×J，電流密度越大,腐蝕速率越大。

(2) 鋁護(hù)套交流腐蝕初期呈點蝕形貌，靠近圓孔中心位置點蝕坑更加密集，隨著腐蝕時間的延長，腐蝕嚴(yán)重區(qū)域向邊緣擴散。