福建某海島架空輸電鋼芯鋁絞線的失效分析

陳云翔，林德源，洪毅成，江祖瑄，楊九霄，邵艷群

(1.國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福建福州 350007;2.福州大學材料學院，福建福州 350108)

鋼芯鋁絞線具有結構簡單、架設與維護方便、線路造價低、傳輸容量大等特點，在各種電壓等級的架空輸配電線路中得到廣泛應用。鋼芯鋁絞線一方面在風、冰凍以及其他惡劣環境因素影響下會擺晃，產生微動磨損和微動疲勞［1－3］;另一方面在大氣中受水分、化學氣體、塵埃和鹽類物質等侵蝕性介質的作用發生腐蝕，導致導線明顯變脆，抗拉強度大幅降低［4］。腐蝕疲勞斷口記錄了裂尖局部材料微觀損傷和斷裂的基本特征，這些特征能反映材料本身和外加應力、腐蝕介質等因素相互作用的本質，是研究腐蝕疲勞斷裂機理最直接的依據［5］。通過分析斷裂過程遺留下來的斷裂形貌，將有助于研究具體體系的斷裂機理。本文借助X射線衍射儀、掃描電鏡以及能譜分析技術分析內層鋁絞線的斷口形貌，探討鋁股線失效原因。

1 試驗材料及方法

某海島35 kV線路81-82#塔間導線由26股直徑為2.4 mm的鋁股線和中心7股直徑為2 mm的鍍鋅鋼線絞制而成;鋁線分2層纏繞，外層16股、內層10股，圖1為鋼芯鋁絞線的結構示意圖、失效樣的形貌和表面取樣點。每一層間都有很多灰白粉末。內層鋼芯銹跡斑斑，表面殘留灰白粉末。內層鋁絞線的腐蝕比外層的嚴重。對內層鋁絞線的表面和失效斷口進行酒精清洗后，采用X射線衍射儀(Rigaku，UltimateⅢ，Japan)檢測表面的相組成;采用德國ZEISS SUPRA 55進行表面形貌(SEM)分析;采用英國牛津OXFOOD X-MAX(50)進行能譜測試(EDS);利用ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀確定樣品表面的元素組成和含量。

圖1 (a)鋼芯鋁絞線的示意圖、斷股導線的形貌;(b)表面取樣點Fig.1 (a)Sketch map of aluminum cable steel reinforced(ACSR)，morphology of conductor strand broken;(b)sampling position on surface

2 試驗結果

2.1 鋼芯鋁絞線的使用環境［6］

福建省某海島上35 kV線路鋼芯鋁絞線的使用環境為亞熱帶海洋性氣候，全年最高氣溫35℃，最低氣溫2℃，年平均氣溫19.2℃，全年無霜，風能資源豐富，空氣中富含各種負離子，海水理化因子穩定，周圍無工業污染。全年4級風以上時間達300天以上。南日島每年還會受到8個以上臺風的影響。81-82#塔間鋼芯鋁絞線2009年10月投入使用，到2013年底斷股，僅運行了不到5年的時間，遠低于鋼芯鋁絞線一般設計壽命30年。可見，鋼芯鋁絞線經受了海洋大氣環境的干濕交替和風動的影響，使壽命大為降低。內層鋁股線分別與外層鋁股線、心部的鋼芯接觸，腐蝕疲勞更為嚴重。

2.2 內層鋁股線表面的顯微觀察

圖2為體式顯微鏡下觀察的表面和斷口的腐蝕形貌。從圖中可看出，表面有大量腐蝕產物，銹蝕非常嚴重，斷口處直徑明顯減小，有明顯的腐蝕坑和裂紋，也存在白色的腐蝕產物。

圖2 體式顯微鏡下觀察的顯微形貌(a)surface;(b)fractureFig.2 Microtopography observed by stereo microscope

2.3 內層鋁股線斷口的XRD分析

圖3為內層鋁股線的XRD圖譜，可以看出主要由 Al、Al(OH)3和 Al5(CO3)3(OH)13·xH2O 組成。而Al(OH)3是在溫度和水蒸汽的影響下形成的［7］。Al5(CO3)3(OH)13·xH2O可能是Al(OH)3和CO2的共同作用的結果。

圖3 內層鋁絞線的XRD圖譜Fig.3 XRD pattern of inner layer in aluminum stranded wire

2.4 內層鋁絞線表面的SEM和EDS分析

圖4為內層鋁絞線不同部位的SEM圖。圖4(a)為內層無接觸區鋁絞線的SEM圖，腐蝕產物致密，裂紋也很細密，大裂紋較少，存在大塊剝落。這可能與鋁絞線與鋼芯之間的空隙有關，有利于鹽在此區域聚積。與鋼芯線接觸的內層鋁股線之間的接觸損傷主要以粘著磨損為主。Al基體表面形成與軸向成一定方向的深犁溝以及表面疲勞裂紋和韌窩，說明鋁絞線表面發生了塑性變形，這是鋼芯與鋁絞線之間的相互摩擦所致［8］。同層鋁股線的絞合力作用以及風力導致的復雜受力方式，孔洞更大，裂紋較寬且深。

2.5 內層鋁絞線失效斷口的EDS分析

根據國標GB 1179—83，鋁股線中含硅不大于0.13%、鐵不大于0.16%、硅加鐵不大于0.26%、鈦釩錳鉻之和不大于0.01%。圖5為失效斷口成分線掃描結果，可見，Al和O是主要元素。O是因為Al容易被氧化以及表面的腐蝕產物造成的。Na、S、Ca、Cl的量都比較少，在整個面上分布比較均勻，來自于潮濕的海洋大氣和空氣。Ca在斷口邊緣稍多。值得一提的是C，C應該來自于空氣中的CO2，主要分布在表面～200 μm內，還有一部分集中在鋁絞線心部，這與C的來源以及C的擴散有關。

圖4 內層鋁絞不同部位的SEM圖(a)no direct contact areas between inner Al layers;(b)contact areas between inner Al layer and steels;(c)contact areas at inner Al layerFig.4 SEM of different parts in inner layer of aluminum stranded wire

3 討論

3.1 潮的大氣腐蝕的影響

在高濕和風動影響下，海洋大氣中的 NaCl、MgCl2、CaCl2、硫化物等鹽類溶解于水膜中，形成電解液薄層，通過外層鋁股線的縫隙進入內層鋁絞線的表面，內部可能一直處于潮的大氣腐蝕中，內層鋁股線的腐蝕比外層嚴重。

3.2 應力腐蝕的影響

反應生成的腐蝕產物大部分無法通過縫隙排出去而沉積下來。隨著時間的延長，表面生成的腐蝕產物膜增厚，當腐蝕產物膜形成到一定厚度后，水膜不斷形成與蒸發導致膜層中應力的產生;同時膜層和基體相比將產生體積變化也會在膜層與基體的界面產生應力，最終使膜層發生開裂，出現了龜裂狀的腐蝕表面，如圖4。鋁股線表面腐蝕產物的裂紋極大地影響其在潮濕大氣中的耐蝕性，為O向金屬表面的擴散提供了通道，使腐蝕介質很容易沿著裂縫滲入到基體并與基體發生反應。在裂紋處水蒸氣凝聚，同時大氣中腐蝕性氣體以及其它鹽粒也容易在此處吸附溶解，腐蝕不斷向基體內部深入，使得鋁股線表面局部腐蝕嚴重［9－10］。

3.3 小孔腐蝕的影響

Al表面有一層致密的鈍化膜，對Al基體起保護作用。在風動和線張力等應力影響下，可能某局部區域鈍化膜破壞，在Cl－和pH值增大的腐蝕介質中，Al基體為陽極，腐蝕產物為陰極，構成小孔腐蝕。在鋁線表面就會形成大陰極小陽極的“活化-鈍化”原電池，在微小陽極區域產生較大的腐蝕電流，加速鋁線腐蝕，造成鋁線表面出現麻點。蝕坑周圍因腐蝕電流而得到陰極保護，阻抑了蝕坑周圍金屬的腐蝕，使腐蝕向縱深方向發展。

由于潮的大氣腐蝕、表面應力腐蝕和小孔腐蝕，導致福建某海島上的鋼芯鋁絞線遭受更嚴重腐蝕。腐蝕產物隨著微動粘連、碾碎、剝落，產生應力集中，裂紋向徑向擴展。龜裂的腐蝕產物增加了材料的脆性。

4 結論

1)Al、Al(OH)3和 Al5(CO3)3(OH)13·xH2O 等物相是斷口表面的主要成份，除了Al、O外，還有C、S、Cl、Na、Mg、Ca 等元素，來自于海洋大氣、空氣和塵埃。

2)C集中在表面～200 μm處。潮的大氣腐蝕、應力腐蝕、小孔腐蝕導致內層鋁股線腐蝕更為嚴重。

3)在風動和腐蝕產物的共同作用下，龜裂的腐蝕產物隨著振動粘連、碾碎、剝落，產生應力集中，導致鋁股線失效。

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