对服役钢芯铝绞线腐蚀状态的研究及原因分析.doc

尊敬的编辑：您好！根据编辑部和审稿专家的修改意见，现对cp130312号稿件做了如下修改：1. 补充了：英文图题及表题，图中坐标轴的相关信息，脚注内容。删除了文献6和7。2. 补充ACSR导线的横断面图，见图1.3. 对图2至图4中的纵断面在文中了作了修改和注释，以便读者阅读。4. 对图5进行了合并，考虑到图6与本文相关性不大，故删除了图6。5. 在2.4中补充了电化学试验的相关内容。祝工作顺利！在役输电线路钢芯铝绞线腐蚀状态研究夏开全1，于俊超2，邓元婧1，任西春1(1. 中国电力科学研究院，北京，100055；2. 燕山大学 河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室，河北 秦皇岛 066004)摘要: 为分析在役钢芯铝绞线（ACSR）的腐蚀状态，本文对典型气候下其各组成部分的腐蚀情况进行了宏观和微观研究，并结合其运行环境，分析了腐蚀原因。研究结果表明：腐蚀较为严重的是外层铝绞线，局部已出现腐蚀坑，钢芯基体未发生明显腐蚀；腐蚀产物可以降低铝绞线的腐蚀速率，但其对钢芯的腐蚀速率有提高作用。通过本文的研究，建议应更加注重外层铝绞线的腐蚀监测工作。关键词：钢芯铝绞线；在役；大气腐蚀；外层铝绞线；监测中图分类号：TG172 文献标识码：A 文章编号：Analysis of Corrosion Conditions of In-service ACSRXIA Kai-quan1, YU Jun-chao2, DENG Yuan-jing1, REN Xi-chun1(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100055, China; 2. Key Laboratory of Mechanical Reliability for Heavy Equipments and Large Structures of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, Hebei, China)Abstract: In order to analyze corrosion conditions of in-service aluminum conductor steel reinforced (ACSR), the atmospheric corrosion of its components under typical climate was studied by macroscopic and microscopic methods. According to its operating environment, the corrosion causes were also analyzed. The results show that the corrosion of the outer aluminum stranded wires is more serious than others. And partial corrosion pits have been found on the outer layers of aluminum stranded wires. While no obvious corrosion occurs for the steel core matrix. Additionally, corrosion products reduce the corrosion rate of aluminum stranded wire but accelerate corrosion of the steel core. Through this research, more attention should be paid to monitoring the outer aluminum stranded wires.Key words: ACSR; in service; atmospheric corrosion; outer aluminum stranded wires; monitor0 引 言国内外高压输电网的架空导线主要采用钢芯铝绞线(Aluminum conductor steel reinforced，ACSR)，复杂的运行环境使ACSR导线在服役过程中易发生腐蚀，腐蚀破坏会对输电线路安全可靠性和使用寿命造成不利影响。国内外学者对ACSR导线的腐蚀问题展开了一系列的研究，并取得了有价值的研究成果。Lyon等1在实验室条件下，进行了周期性干/湿盐雾加速腐蚀试验，研究了ACSR导线的铝、钢收稿日期：2013-07-08；修改稿收到日期：2013-07-24基金项目：国家电网公司科研项目(GC71-12-013)联系人：夏开全(1969-)，男，四川，中国电力科学研究院，高级工程师，博士，及镀锌钢等组成材料的腐蚀行为。张建堃2-3分析了盐雾水溶液中ACSR导线腐蚀产物的相组成、腐蚀层结构及腐蚀机理。宗庆彬4通过试验发现钢芯铝绞线的铝线随着NaCl溶液浓度的升高，腐蚀速率增大。刘秀玉5对钢芯铝绞线中不同金属的电偶腐蚀进行了研究，指出Mg可以减轻热镀Zn层与Al的电偶腐蚀程度。以上研究均是关于ACSR导线在实验室条件腐蚀影响因素的分析，另外，文献6-8对ACSR导线断股破坏的原因进行了分析判断。目前对于服役状态下ACSR导线腐蚀状态的调查分析还鲜有提及，而研究在役输电线路的腐蚀状态，结合相关参数及标准对其进行分析评价，能够为输电线路的腐蚀防护、及时维修和更换提供一定的理论依据，从而可以避免线路因腐蚀发生突然破坏对电力系统造成损失，这有一定的现实意义。因此，本文以四川乐山地区为例，对典型气候下在役ACSR导线各组成部分的腐蚀状况进行了研究，并就其服役环境分析了其腐蚀原因。1 ACSR导线的服役环境分析钢芯铝绞线材质为金属，服役过程中会与大气中的水分、化学气体和腐蚀性介质（包括雨水中杂质、烟尘、表面沉积物等）直接接触，这些物质的联合作用会使钢芯铝绞线发生一系列的大气腐蚀，一般情况下是电解液薄膜下的电化学腐蚀，其中化学气体和腐蚀性介质溶于水形成电解液，空气中的氧是电化学腐蚀阴极的去极化剂。在影响输电线路大气腐蚀的众多因素中，大气的相对湿度与腐蚀物质含量是比较关键的两个因素，一般情况下，它们的值越高，腐蚀就越严重。韩德盛97的研究表明当大气相对湿度大于70%时，金属在大气中的腐蚀速度迅速增加，会发生明显点蚀；而SO2被公认为大气中最重要的腐蚀性气体108-119，能加速多数金属的腐蚀过程，Vernon1210也对此做了证明，GB 3095-1996中规定SO2质量浓度年平均值的一级标准为0.02 mg/m3。如四川乐山地区的气候指标见表1所示，发现乐山地区的年平均相对湿度和SO2含量均较高，因此，推断钢芯铝绞线在此环境中可能已经发生了一定程度的大气腐蚀。其他气候因素，如日照、温度、风速、降雨、降尘等均会对输电线路的腐蚀造成影响。表1 四川乐山地区的气候境指标Table 1 Climate index of in Leshan City of Sichuan Province城 市平均温度/ 平均相对湿度/ %平均降水/ mmSO2含量/ (mgm-3)乐山市17.580115.060.026另外，钢芯铝绞线的自身绞制结构和复合结构特性使其大气腐蚀不同于一般金属材料：内层铝绞线受到外层铝绞线的遮挡，雨水对其材料表面的冲刷得以减轻，腐蚀产物不断沉积，液膜存在时间延长，从而增加了电化学腐蚀时间；导线的铝股与铝股接触形成缝隙，会造成缝隙腐蚀；而铝股与钢芯接触时，由于电位不同，会形成异种金属间电偶腐蚀。以上特性均会加重钢芯铝绞线的大气腐蚀。通过上述分析，有必要对在役钢芯铝绞线的腐蚀状态进行评估研究，如发现有腐蚀严重情况，应提前采取有效措施，避免腐蚀继续加重，造成不必要的损失。2 在役ACSR导线腐蚀状况分析对四川乐山地区的在役ACSR导线进行了全面调研，获得了大量的现场图片，对其进行整理，本文选取了有代表性的图片和试验数据，说明典型气候下在役ACSR导线的腐蚀状况。2.1 ACSR导线腐蚀状况的宏观分析通过目测和放大镜观测ACSR导线各结构表面的腐蚀情况，图1为其特征图像，发现：外层铝绞线的外表面有灰黑色的腐蚀产物，腐蚀产物与基体结合力不大，局部已有脱离，腐蚀程度比较均匀。内表面腐蚀程度比外表面明显减轻，无灰黑色腐蚀产物；内层铝绞线的腐蚀产物明显少于外层铝绞线，由于外层铝绞线的保护，与外层铝绞线接触处腐蚀轻，呈现灰白色，在与外层铝绞线存在间隙的部位，内层铝绞线腐蚀相对比较严重，呈现灰黑色；而钢芯的表面呈现灰白色，由于双层铝铝绞线与镀锌层的保护作用，腐蚀产物较少。宏观观察显示，与大气直接接触的外层铝绞线，以及发生缝隙腐蚀的部分内层铝绞线出现了较为明显的腐蚀情况，黑色的腐蚀产物清晰可见，而钢芯腐蚀程度较轻。外层铝绞线内层铝绞线钢芯 (a) 横断面(b) 剥离外层铝绞线(c) 内层铝绞线表面 (d) 剥离内层铝绞线(e) 外层铝绞线外表面(f) 外层铝绞线内表面 (g) 内层铝绞线表面(h) 钢芯表面图1 ACSR导线特征图像Fig. 1 Feature image of ACSR2.2 ACSR导线腐蚀状况的微观分析为更科学地呈现钢芯铝绞线各部分的腐蚀状况，本文对现场采集的ASCR导线样本做了以下处理，首先在ASCR导线上取样，沿轴向(纵剖面)或径向（横截面）用环氧树脂镶嵌，然后进行研磨、抛光，最后在镶嵌试样表面进行喷金处理，借助扫描电镜观察腐蚀后单根铝绞线及镀锌钢芯的截面形貌，得到的ASCR导线样本各组成部分横截面和纵剖面的SEM特征图像如图2至图4所示：外层铝绞线表层腐蚀产物层厚度已达20mm以上，局部厚度已超过50mm，更为严重的是其表面出现了向内部发展的腐蚀产物，即局部腐蚀坑，如图2(a)所示，这种腐蚀坑会降低铝绞线的截面积，从而导致此部位易于产生应力集中，对铝绞线极为不利；由图3(a)发现内层铝绞线腐蚀产物的厚度比较均匀，约为20mm；钢芯的纵向剖面图显示其镀锌层厚度不均匀，在50mm100mm之间，如图4(b)。结合下文腐蚀产物的分析，镀锌层完整覆盖钢芯基体的表面，钢芯基体完好，腐蚀层是锌的大气腐蚀产物。外层铝绞线环氧树脂腐蚀层外层铝绞线环氧树脂腐蚀层外层铝绞线环氧树脂 (a) 横截面高倍图像(b) 纵剖面高倍图像(c) 横截面低倍图像图2 ACSR外层铝绞线SEM图像Fig. 2 SEM images of outer aluminum stranded wires 内层铝绞线环氧树脂内层铝绞线腐蚀层环氧树脂内层铝绞线腐蚀层环氧树脂 (a) 横截面高倍图像(b) 纵剖面高倍图像(c) 横截面低倍图像图3 ACSR内层铝绞线SEM图像Fig. 3 SEM images of inner aluminum stranded wires钢芯环氧树脂镀锌层钢芯环氧树脂腐蚀层钢芯镀锌层环氧树脂 (a) 横截面高倍图像(b) 纵剖面高倍图像(c) 横截面低倍图像图4 ACSR钢芯SEM图像Fig. 4 SEM images of steel coreSEM图像的分析表明：外层铝绞线的腐蚀程度较大，局部的腐蚀坑必须引起重视，内层铝绞线的腐蚀相对较轻，腐蚀程度较为均匀，由于镀锌层和铝绞线的保护作用，钢芯基体未见明显腐蚀。2.3 ACSR导线腐蚀产物分析根据腐蚀产物的化学成分，结合ACSR导线的服役环境，可以分析其腐蚀原因，进而为腐蚀防护提供依据。因此，本文采用X射线衍射法(XRD)对ACSR导线的腐蚀产物进行了研究分析，得到了其腐蚀产物的种类。ACSR导线腐蚀产物的X射线衍射图谱如图5所示，发现：外层铝绞线的腐蚀产物主要为Al2O3和AlOOH，根据其运行环境可以推断Al2O3是铝在潮湿的大气中发生腐蚀的产物，AlOOH是Al2O3.nH2O脱水形成的；由于受到外层铝绞线的保护，内层铝绞线的腐蚀产物量很少，基本上是基体铝，仅有少量与外层铝绞线相同的腐蚀产物；钢芯表面的腐蚀产物为仅为ZnO和Zn(OH)2，表明所分析的部位镀锌层未破损，钢基体未发生腐蚀，ZnO是镀锌层大气腐蚀的产物。腐蚀产物分析的结果与上述宏观与微观研究的结论存在一致性，均表明ACSR导线中腐蚀较为严重的是外层铝绞线。图5 ACSR导线各部分腐蚀产物的X射线衍射图谱Fig. 5 XRD patterns for the corrosion products of ACSR2.4 腐蚀产物对ACSR导线抗腐蚀能力的影响以上对在役ACSR导线腐蚀状况研究发现已有腐蚀产物附着于线路表面，这对线路抗腐蚀能力的影响如何？本文对此做了简单的探究，希望能够对线路的腐蚀评估有所帮助。根据金属腐蚀的电化学原理，可以通过电化学测试仪器测试研究对象的电极反应，确定瞬时腐蚀速度，并通过电位、阴极和阳极的电流密度比较，就可以判断材料本身的耐蚀性能。基于此，本文在30的温度下，以铝导线和钢芯为研究电极（在溶液内的暴露面为外表面，线的暴露长度取直径的6倍），以饱和甘汞电极为参比电极，以铂电极作为辅助电极，以0.5%NaCl为导电溶液，扫描速率为1mV/s，扫描的电位范围是-1.5 V至1.5 V，得到了有无腐蚀产物膜的ACSR导线各组成部分的电流密度与电极电势的关系曲线，即极化曲线，如图6所示，电化学曲线的拟合结果见表2所示。结合极化曲线与拟合结果发现：有腐蚀产物膜的铝绞线腐蚀电位比无腐蚀产物膜的铝绞线高，而其电流却低于无腐蚀产物附着的铝绞线，说明腐蚀产物的存在降低了铝绞线的腐蚀速率；有腐蚀产物的钢芯比无腐蚀产物钢芯腐蚀电位高，然而有腐蚀产物膜钢芯的腐蚀电流要明显高于无腐蚀产物膜钢芯，从而推断腐蚀产物可能会提高钢芯的腐蚀速率。 (a) 铝绞线(b) 钢芯图6 有无腐蚀产物膜的ACSR导线各组成部分的极化曲线Fig. 6 Polarization curves of ACSR with or without corrosion products表2 电化学曲线的拟合结果Table 2 Fitting results of electrochemical curve曲线腐蚀电位Ecorr(V)腐蚀电流icorr(A/cm2)铝绞线有腐蚀产物-0.67256.22910-8无腐蚀产物-0.82961.87610-7钢芯有腐蚀产物-1.00631.07310-5无腐蚀产物-1.12362.09110-63 结 论本文对典型气候下在役ACSR导线的大气腐蚀状态进行了研究，得到了以下结论：（1）外层铝绞线由于直接接触大气，表层腐蚀产物的局部厚度已超过50mm，外层铝绞线腐蚀情况较为严重，已有局部坑蚀的现象，这对于铝绞线极为不利；内层铝绞线腐蚀相对较轻，但是外层铝绞线缝隙处的内层铝绞线出现了较为明显的腐蚀；由于受到多重保护作用，钢芯基体基本未发生腐蚀。（2）腐蚀产物的形成会减小铝绞线的腐蚀速率，但对于钢芯却有相反的作用。（3）以往的研究对ACSR导线中用钢的耐久性问题比较关注，经过本文的分析，针对铝绞线的腐蚀监测工作也应该引起重视。参考文献1 Lyon S B, Thompson G E, Johnson J B, et al. Accelerated atmospheric corrosion testing using a cyclic wet/dry exposure test: aluminum, galvanized steel and steel J. Corrosion, 1987, 43(12):719-726.2 张建堃, 陈国宏, 王家庆等. 干/湿NaCl盐雾条件下钢芯铝绞(ACSR)导线腐蚀层结构及腐蚀机理J. 腐蚀与防护,2010,31(8):581-586,+599.3 张建堃, 陈国宏, 王家庆等. 钢芯铝绞导线大气腐蚀产物层的结构及腐蚀机理J. 中国有色金属学报,2011,21(2):411-417.4 宗庆彬, 黎学明, 杨萍等. 钢芯铝绞线的铝线在NaCl溶液中的腐蚀行为