銅包鋼絞線及銅包鋼護線條腐蝕失效分析

張海波

(中國鐵道科學研究院， 北京 100015 )

銅包鋼絞線及銅包鋼護線條腐蝕失效分析

張海波

(中國鐵道科學研究院， 北京 100015 )

銅包鋼護線條在接觸網中主要起到保護零部件及線索的作用，銅包鋼絞線是鐵路站場軟橫跨中的主要承力部件，二者在電氣化鐵路接觸網中均發揮著重要作用。文章介紹了電氣化鐵路用銅包鋼護線條及銅包鋼絞線的分類、生產工藝及應用等概況，對典型失效的銅包鋼護線條及銅包鋼絞線的宏觀外貌及微觀狀態進行了觀察及分析，使用能譜法分析了樣品表面腐蝕產物的主要元素，利用掃描電鏡觀測樣品腐蝕區及內部基體的微觀金相組織，并結合樣品的服役工況，分析了樣品的腐蝕原因，得出了銅包鋼護線條及銅包鋼絞線的失效結論，為銅包鋼護線條及銅包鋼絞線的防腐提供了理論支持。

電氣化鐵路； 銅包鋼； 護線條； 絞線； 腐蝕； 金相組織

帶覆層或鍍層的鋼絞線中，尤其是鋁包鋼或銅包鋼類鋼絞線在架空線路中有著廣泛的應用[1-2]，而鋁包鋼芯鋁絞線及鍍鋅鋼絞線在電氣化鐵路接觸網中也有著較為普遍的應用。隨著電氣化鐵路在我國的快速發展以及高速鐵路對電氣化鐵路接觸網的要求，新型的帶覆層絞線如銅包鋼絞線、護線條及鍍鋅銅絞線等新產品相繼研發成功并有部分鐵路應用。而各種帶覆層或鍍層絞線的各種失效問題也日益突出，本文就在高速電氣化鐵路接觸網中使用的帶銅覆層承力索用銅包鋼護線條及銅包鋼絞線的失效展開研究工作。

1 電氣化鐵路接觸網用絞線概述

電氣化鐵路接觸網用絞線按材料分類主要分為銅及銅合金絞線及鋼鋁類絞線；按照功能主要分為承力索及附加導線，其中承力索分為銅及銅合金承力索、鋼承力索以及鋁包鋼承力索，附加導線分為供電線、保護線(PW線)、正饋線(AF線)、架空地線、捷接線、并連線、加強線及回流線等[3]；在軟橫跨中大量使用了鍍鋅鋼絞線；在接觸網零部件中還應用了銅合金吊弦線及電連接線。另外在電力系統中已經普遍應用的護線條及接續條等近幾年在電氣化鐵路中也等到了部分應用。

帶覆層或鍍層鋼絞線都是在鋼絞線的單線上覆蓋一層鋁、銅、鋅、錫等其他金屬材料，目的是保護鋼單線，防止鋼基體的腐蝕。主要有熱鍍法、電鍍法、包覆法、浸涂法及水平連鑄法等[4-5]。必要時再將覆層或鍍層單線經過拉拔，目的是控制和調節覆層或鍍層的厚度及均勻性，保證其均勻、光滑，然后再將單線絞合成成品。銅包鋼絞線或銅包鋼護線條就是屬于帶覆層的雙金屬復合線材，它利用兩種金屬各自的優點，通過特殊的生產工藝制成[6]。

在國內電氣化鐵路使用的承力索用銅包鋼護線條屬于新型的預絞式接觸網金具，用于架空線路(接觸絞線、附加導線)用預絞式懸垂線夾、預絞式耐張線夾、預絞式接續條及預絞式保護金具等。主要分為以下4類：支持、懸垂金具(附加導線用預絞式懸垂線夾)；耐張金具(附加導線用預絞式耐張線夾、變電所終端錨固用雙預絞式耐張線夾、預絞式拉線耐張線夾、承力索用預絞式耐張線夾)；接續金具(附加導線用預絞式跳線接續條、附加導線用全張力預絞式接續條、預絞式T型接續條、承力索用預絞式接續條)；保護性金具(附加導線用預絞式護線條、承力索用預絞式護線條、承力索支撐點預絞式防疲勞型護線條、預絞式綁線、預絞式等距線夾、預絞式防振鞭、預絞式防舞動鞭)。預絞式接觸網金具目前并無明確的鐵路行業標準，其標準的起草工作正在進行中，所使用的預絞式接觸網金具主要參照國家標準GB/T2314-2008《電力金具通用技術條件》及電力行業標準DL/T 763-2013《架空線路用預絞式金具技術條件》執行。銅包鋼絞線在部分電氣化鐵路軟橫跨中有所應用，在電氣化鐵路行業內也尚無明確的標準。所使用的鍍層鋼絞線產品一般選用國家標準GB/T 20492-2006《鋅-5%鋁-混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》或冶金行業標準YB/T 5004-2012《鍍鋅鋼絞線》兩個標準下的產品。

在京滬鐵路電氣化改造工程中部分站場軟橫跨中使用了標稱截面積為80 mm2的銅包鋼絞線，在涉及到北京鐵路局、上海鐵路局以及廣州鐵路(集團)公司等多個路局的六大干線電氣化鐵路改造過程中也部分使用了銅包鋼絞線。近幾年，在承力索座等接觸網零部件中用來替代銅襯墊的銅包鋼護線條或保護條在各線路中也得到了較為廣泛的應用。

2 測試

2.1 樣品宏觀外貌檢查

本文研究的對象為銅包鋼絞線(TGJ80-1×19/2.32)及銅包鋼承力索護線條(HL95-1000型預絞式承力索護線條)，以下分別簡稱銅包鋼絞線及護線條。

銅包鋼絞線，應用于電氣化鐵路站場軟橫跨結構中，現場使用約為10年，絞線的宏觀形貌如圖1所示。絞線表面多處發生腐蝕，通體呈黃黑色，腐蝕嚴重處沿單絲軸向形成較深的長腐蝕凹坑，局部鋼芯幾乎被完全腐蝕，包覆的銅層殘留于側表面，腐蝕坑內覆蓋較厚的腐蝕產物，如圖2所示。

圖1 銅包鋼絞線整體形貌

圖2 銅包鋼絞線腐蝕形貌

另一樣品為護線條及其包覆的承力索，外層的護線條主要用來保護內層銅鎂合金承力索。護線條螺旋纏繞于承力索表面，內層的銅鎂合金承力索已使用約6～7年，護線條使用不足2年即發生斷裂，護線條及銅鎂合金承力索的表層都呈現黑褐色，其中外層護線條表面腐蝕較為嚴重，局部已由線棒狀腐蝕減薄至平板狀，樣品的宏觀形貌如圖3、圖4所示。同時可觀察到護線條中部分銅包鋼單線表面局部腐蝕凹坑很深，剩余的承載面積很小。

圖3 護線條及其包覆的承力索整體形貌

圖4 護線條及其包覆的承力索斷口整體形貌

2.2 銅包鋼絞線微觀形貌及腐蝕產物分析

從銅包鋼絞線的腐蝕凹坑區截取典型的單線試樣，在掃描電鏡下觀察到單線腐蝕區及平滑區的表面形態分別如圖5、圖6所示。經對多個單線試樣表面腐蝕產物的分析，其結果較為一致，其形態多呈顆粒狀和塊狀。用EDX半定量分析方法分析，結果表明腐蝕產物成分中除了含有C、O、Mg、Al、Si、K、Ca等元素，還分析出較高的S和少量的Cl腐蝕性介質元素。在腐蝕坑以外的腐蝕表面也檢測出類似的成分，這表明腐蝕性元素來自于服役環境。

圖5 腐蝕區形貌及能譜分析結果

圖6 平滑區能譜分析結果

2.3 護線條微觀形貌及腐蝕產物分析

2.3.1 單線斷口微觀形貌及腐蝕產物分析

從護線條的腐蝕凹坑區截取4根典型的單線試樣，在掃面電鏡下觀察單線斷口形貌，結果如圖7和圖8所示。圖7中的低倍斷口形貌中可見4個護線條單線斷口已失去圓形特征，呈現出不規則的扁平形態。

圖8為1號單線斷口形貌觀察及能譜分析，可見斷口表面被腐蝕產物所覆蓋，腐蝕產物以鐵的氧化物為主，同時存在含S、Cl的腐蝕性介質成分。2號、3號、4號的斷口腐蝕形態及腐蝕產物成分與1號相似，同時在2號單線斷口觀測到局部存在腐蝕孔洞。

2.3.2 單線斷口附近微觀形貌及腐蝕產物分析

對護線條單線斷口附近的側表面形貌進行觀察，結果如圖9和圖10所示。圖9中的低倍側表面形貌中可見4個護線條側表面都凹凸不平，存在明顯腐蝕或者剝落痕跡。

圖7 護線條單線斷口低倍SEM照片

圖10為1號護線條單線斷口附近的表面腐蝕形態及能譜成分分析結果，2號護線條表面還可觀察到類似穿孔的腐蝕特征，3號護線條局部存在尺寸約為50 μm的腐蝕坑。可見各線條的表面腐蝕形態相似，腐蝕產物呈蓬松的顆粒狀、網孔狀、粗針狀等。腐蝕產物成分基本相同，以鐵、銅的氧化物為主，同時含有S、Cl等腐蝕性元素。

2.4 剖面金相分析

2.4.1 銅包鋼絞線剖面金相分析

分別制備銅包鋼絞線單線的縱截面和橫截面金相試樣，測量銅覆層厚度及觀測組織形態。可見試樣表面銅覆層比較均勻和致密， 且銅覆層與鋼基體結合較好，經多點測量，試樣銅覆層厚度約為0.09～0.10 mm，試樣的鋼基體組織為珠光體+少量鐵素體，組織形態較為均勻。

圖8 護線條1號單線斷口形貌及能譜分析結果

對銅包鋼絞線單線的橫截面金相試樣上腐蝕坑壁附著的腐蝕層進行能譜成分分析，可見腐蝕產物以鐵的氧化物為主，并分析出Mg、Al、Si、S、K、Ca等元素，如圖11所示。

2.4.2 護線條單線剖面金相分析

對護線條單線斷口附近的橫截面進行金相組織觀察。1號單線橫截面金相組織為索氏體+珠光體+鐵素體，邊部與心部組織基本相同。邊部發生嚴重的腐蝕減薄，橫截面外形已經不是規則的圓形，這與前述的掃描電鏡觀察結果一致，即銅包鋼護線條單線在含S、Cl的腐蝕性介質作用下發生了局部腐蝕，最嚴重的腐蝕區深度達到mm量級。腐蝕輕微區的邊部可見白色斷續分布的防腐銅層，較完整處的厚度約10 μm，銅層在腐蝕性介質的作用下也發生凹坑狀腐蝕，但腐蝕深度較淺， 約 2～10 μm， 腐蝕量遠小于鋼質線條基體。

圖9 護線條單線斷口側面低倍SEM照片

2號、3號、4號單線的腐蝕形態也基本相似。

3 結論及建議

3.1 分析及結論

在外觀形貌上，銅包鋼絞線上的各表面腐蝕坑均分布于同一側面的軸向方向上，其他位置沒有發生明顯點腐蝕且銅鍍層基本保留完好，顯然腐蝕坑的規律性分布與銅覆層的局部機械損傷有關。而使用護線條的目的是為了保護其內部的銅合金承力索，因此其處于存在摩擦、磨損等機械損傷的工作環境中。

在化學元素中，與元素鐵相比，銅是不活潑金屬，其電位高于鐵。如果在服役環境中，銅覆層發生局部破損，裸露出的鐵基體與附近的未破損銅層和氧化層存在較大的電位差，在含有S、Cl等腐蝕性介質的作用下，形成電化學腐蝕，鐵作為小面積的陽極，會以較快的速度被溶解腐蝕。這也是銅包鋼絞線或護線條在較短的時間內發生嚴重局部腐蝕減薄的原因。

圖10 護線條1號單線斷口側面形貌及能譜分析結果

圖11 橫截面腐蝕區組織及能譜分析結果

綜上，銅包鋼絞線或銅包鋼護線條的銅覆層發生損傷、破損或剝落后，使鋼質基體直接裸露在含S、Cl等腐蝕性介質的潮濕環境下，發生了嚴重的局部腐蝕，最終造成銅包鋼絞線或銅包鋼護線條發生腐蝕失效。

3.2 建議

銅、鋁材料的腐蝕一般分為：化學腐蝕、電化學腐蝕以及多種因素腐蝕[7]，在實際使用中銅的腐蝕多為同時存在化學腐蝕、電化學腐蝕等的多種因素腐蝕。Antonio R. Mendoza等人[8]研究了銅、鋁材料暴露在室內及戶外的農村地區、沿海地區、城市工業區等幾種工況下的腐蝕情況，研究情況表明在大部分情況下鋁的耐腐蝕性能是優于銅的。王國清[9]等人在試驗后觀察到鋁板腐蝕后的表面松散，手觸有砂粒感，擦拭后呈小顆粒或粉末狀脫落，銅管腐蝕后表面顏色泛綠，手感較粗糙。可見，雖然鋁的耐腐蝕性優于銅，但腐蝕后的產物附著性不如銅。基于銅、鋁的不同腐蝕特性，在使用中應結合具體情況，合理選擇覆層金屬，充分發揮銅、鋁的防腐蝕的優點來達到防腐目的。

此外銅包鋼絞線或護線條其覆層厚度薄，且銅本身材質較軟，因此在包裝儲運以及施工過程中應配備適當的安全防護措施，防止造成銅覆層的機械損傷。

銅包鋼絞線或護線條的腐蝕失效問題，已經引起了有關單位的重視，國內工廠也在研發新產品，其中銅合金絞線護線條或鋁覆銅護線條等新產品已經在部分鐵路工程中試用，具體效果還有待現場驗證。

[1] 韓立奎,韓曉冰,王海濤.架空地線用鋁包鋼絞線型號的識別與選用[J].電線電纜，2011，54(4):20-22. HAN Likui,HAN Xiaobing,WANG Haitao.Identification and Selection of Aluminum-clad Steel Wire Modelsin Overhead Ground Wire[J].Electric Wire&Cable，2011,54(4):20-22.

[2] 楊立.銅包鋼絞線在高壓輸電線路上的應用[J].貴州電力技術，2004，28(5):33-36. YANG Li. Application of Copper-Clad Steel stranded Wire in High Voltage Transmission Line[J].Guizhou Electric Power Technology，2004,28(5):33-36.

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Corrosion Failure Analysis for Copper-clad Steel Stranded Conductors and Copper-clad Steel Armor Rods

ZhANG Haibo

(China Academy of Railway Sciences,Beijing 100015,China)

Copper-clad steel armor rods mainly plays a role of protecting the fittings and clues in the catenary, copper-clad steel stranded conductors are the main load-bearing parts of headspan supporting in the railway station, both of which play the important roles in electric railway catenary. This paper describes the classification, production process and application of copper-clad steel armor rods and copper-clad steel stranded conductors , observes and analyzes macroscopic and microscopic appearance of the typical failure copper-clad steel armor rods and copper-clad steel stranded conductors, analyzes the main elements of the samples surface corrosion products by EDX, observes microstructure of the corrosive areas and interior metallographic structure by SEM, combined with the service conditions of the samples ,analyzes the causes of the corrosion of the samples, the conclusions of failure of copper-clad steel armor rods and copper-clad steel stranded conductors are obtained, which provides theoretical support of the anticorrosion for copper-clad steel armor rods and copper-clad steel stranded conductors.

electrified railway； copper-clad steel； armor rods； standard conductors； corrosion； microstructure

2016-05-09

張海波(1980-)，男，助理研究員。

1674—8247(2016)05—0060—06

U225

A