福建某海岛架空输电钢芯铝绞线的失效分析

陈云翔，林德源，洪毅成，江祖瑄，杨九霄，邵艳群

(1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建福州 350007;2.福州大学材料学院，福建福州 350108)

钢芯铝绞线具有结构简单、架设与维护方便、线路造价低、传输容量大等特点，在各种电压等级的架空输配电线路中得到广泛应用。钢芯铝绞线一方面在风、冰冻以及其他恶劣环境因素影响下会摆晃，产生微动磨损和微动疲劳［1－3］;另一方面在大气中受水分、化学气体、尘埃和盐类物质等侵蚀性介质的作用发生腐蚀，导致导线明显变脆，抗拉强度大幅降低［4］。腐蚀疲劳断口记录了裂尖局部材料微观损伤和断裂的基本特征，这些特征能反映材料本身和外加应力、腐蚀介质等因素相互作用的本质，是研究腐蚀疲劳断裂机理最直接的依据［5］。通过分析断裂过程遗留下来的断裂形貌，将有助于研究具体体系的断裂机理。本文借助X射线衍射仪、扫描电镜以及能谱分析技术分析内层铝绞线的断口形貌，探讨铝股线失效原因。

1 试验材料及方法

某海岛35 kV线路81-82#塔间导线由26股直径为2.4 mm的铝股线和中心7股直径为2 mm的镀锌钢线绞制而成;铝线分2层缠绕，外层16股、内层10股，图1为钢芯铝绞线的结构示意图、失效样的形貌和表面取样点。每一层间都有很多灰白粉末。内层钢芯锈迹斑斑，表面残留灰白粉末。内层铝绞线的腐蚀比外层的严重。对内层铝绞线的表面和失效断口进行酒精清洗后，采用X射线衍射仪(Rigaku，UltimateⅢ，Japan)检测表面的相组成;采用德国ZEISS SUPRA 55进行表面形貌(SEM)分析;采用英国牛津OXFOOD X-MAX(50)进行能谱测试(EDS);利用ESCALAB 250型X射线光电子能谱仪确定样品表面的元素组成和含量。

图1 (a)钢芯铝绞线的示意图、断股导线的形貌;(b)表面取样点Fig.1 (a)Sketch map of aluminum cable steel reinforced(ACSR)，morphology of conductor strand broken;(b)sampling position on surface

2 试验结果

2.1 钢芯铝绞线的使用环境［6］

福建省某海岛上35 kV线路钢芯铝绞线的使用环境为亚热带海洋性气候，全年最高气温35℃，最低气温2℃，年平均气温19.2℃，全年无霜，风能资源丰富，空气中富含各种负离子，海水理化因子稳定，周围无工业污染。全年4级风以上时间达300天以上。南日岛每年还会受到8个以上台风的影响。81-82#塔间钢芯铝绞线2009年10月投入使用，到2013年底断股，仅运行了不到5年的时间，远低于钢芯铝绞线一般设计寿命30年。可见，钢芯铝绞线经受了海洋大气环境的干湿交替和风动的影响，使寿命大为降低。内层铝股线分别与外层铝股线、心部的钢芯接触，腐蚀疲劳更为严重。

2.2 内层铝股线表面的显微观察

图2为体式显微镜下观察的表面和断口的腐蚀形貌。从图中可看出，表面有大量腐蚀产物，锈蚀非常严重，断口处直径明显减小，有明显的腐蚀坑和裂纹，也存在白色的腐蚀产物。

图2 体式显微镜下观察的显微形貌(a)surface;(b)fractureFig.2 Microtopography observed by stereo microscope

2.3 内层铝股线断口的XRD分析

图3为内层铝股线的XRD图谱，可以看出主要由 Al、Al(OH)3和 Al5(CO3)3(OH)13·xH2O 组成。而Al(OH)3是在温度和水蒸汽的影响下形成的［7］。Al5(CO3)3(OH)13·xH2O可能是Al(OH)3和CO2的共同作用的结果。

图3 内层铝绞线的XRD图谱Fig.3 XRD pattern of inner layer in aluminum stranded wire

2.4 内层铝绞线表面的SEM和EDS分析

图4为内层铝绞线不同部位的SEM图。图4(a)为内层无接触区铝绞线的SEM图，腐蚀产物致密，裂纹也很细密，大裂纹较少，存在大块剥落。这可能与铝绞线与钢芯之间的空隙有关，有利于盐在此区域聚积。与钢芯线接触的内层铝股线之间的接触损伤主要以粘着磨损为主。Al基体表面形成与轴向成一定方向的深犁沟以及表面疲劳裂纹和韧窝，说明铝绞线表面发生了塑性变形，这是钢芯与铝绞线之间的相互摩擦所致［8］。同层铝股线的绞合力作用以及风力导致的复杂受力方式，孔洞更大，裂纹较宽且深。

2.5 内层铝绞线失效断口的EDS分析

根据国标GB 1179—83，铝股线中含硅不大于0.13%、铁不大于0.16%、硅加铁不大于0.26%、钛钒锰铬之和不大于0.01%。图5为失效断口成分线扫描结果，可见，Al和O是主要元素。O是因为Al容易被氧化以及表面的腐蚀产物造成的。Na、S、Ca、Cl的量都比较少，在整个面上分布比较均匀，来自于潮湿的海洋大气和空气。Ca在断口边缘稍多。值得一提的是C，C应该来自于空气中的CO2，主要分布在表面～200 μm内，还有一部分集中在铝绞线心部，这与C的来源以及C的扩散有关。

图4 内层铝绞不同部位的SEM图(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 讨论

3.1 潮的大气腐蚀的影响

在高湿和风动影响下，海洋大气中的 NaCl、MgCl2、CaCl2、硫化物等盐类溶解于水膜中，形成电解液薄层，通过外层铝股线的缝隙进入内层铝绞线的表面，内部可能一直处于潮的大气腐蚀中，内层铝股线的腐蚀比外层严重。

3.2 应力腐蚀的影响

反应生成的腐蚀产物大部分无法通过缝隙排出去而沉积下来。随着时间的延长，表面生成的腐蚀产物膜增厚，当腐蚀产物膜形成到一定厚度后，水膜不断形成与蒸发导致膜层中应力的产生;同时膜层和基体相比将产生体积变化也会在膜层与基体的界面产生应力，最终使膜层发生开裂，出现了龟裂状的腐蚀表面，如图4。铝股线表面腐蚀产物的裂纹极大地影响其在潮湿大气中的耐蚀性，为O向金属表面的扩散提供了通道，使腐蚀介质很容易沿着裂缝渗入到基体并与基体发生反应。在裂纹处水蒸气凝聚，同时大气中腐蚀性气体以及其它盐粒也容易在此处吸附溶解，腐蚀不断向基体内部深入，使得铝股线表面局部腐蚀严重［9－10］。

3.3 小孔腐蚀的影响

Al表面有一层致密的钝化膜，对Al基体起保护作用。在风动和线张力等应力影响下，可能某局部区域钝化膜破坏，在Cl－和pH值增大的腐蚀介质中，Al基体为阳极，腐蚀产物为阴极，构成小孔腐蚀。在铝线表面就会形成大阴极小阳极的“活化-钝化”原电池，在微小阳极区域产生较大的腐蚀电流，加速铝线腐蚀，造成铝线表面出现麻点。蚀坑周围因腐蚀电流而得到阴极保护，阻抑了蚀坑周围金属的腐蚀，使腐蚀向纵深方向发展。

由于潮的大气腐蚀、表面应力腐蚀和小孔腐蚀，导致福建某海岛上的钢芯铝绞线遭受更严重腐蚀。腐蚀产物随着微动粘连、碾碎、剥落，产生应力集中，裂纹向径向扩展。龟裂的腐蚀产物增加了材料的脆性。

4 结论

1)Al、Al(OH)3和 Al5(CO3)3(OH)13·xH2O 等物相是断口表面的主要成份，除了Al、O外，还有C、S、Cl、Na、Mg、Ca 等元素，来自于海洋大气、空气和尘埃。

2)C集中在表面～200 μm处。潮的大气腐蚀、应力腐蚀、小孔腐蚀导致内层铝股线腐蚀更为严重。

3)在风动和腐蚀产物的共同作用下，龟裂的腐蚀产物随着振动粘连、碾碎、剥落，产生应力集中，导致铝股线失效。

［1］ 周少玲，胡晓黎，岳增武.220 kV钢芯铝绞线断股事故化学分析［J］.腐蚀与防护，2011，32(5):392 －394.

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