输变电用导线的腐蚀机理

张 旭,赵景峰,李轶文,李军博,王径迤,刘恩静

(国网冀北电力有限公司 物资分公司，北京 100075)

失效分析

输变电用导线的腐蚀机理

张 旭,赵景峰,李轶文,李军博,王径迤,刘恩静

(国网冀北电力有限公司 物资分公司，北京 100075)

在某输电线路工程现场用导线发生大面积腐蚀，腐蚀产物为白色胶状细颗粒。采用理化分析、试验模拟等方法对腐蚀产物及导线接触物进行分析，并探究腐蚀机理。结果表明：Cl是导致导线腐蚀的主要元素，导线中弥散分布的第二相粒子加速了腐蚀进程。据此，提出了导线在加工制造、运输存贮及使用过程中避免腐蚀的方法。

导线；腐蚀；能谱分析；第二相粒子

在电厂及电网输变电工程施工中，导线用量巨大，是最重要的物资。目前，国内外输变电工程施工所用导线主要为钢芯铝绞线。钢芯铝绞线是由单层或多层铝单丝线绞合在镀锌钢芯线外的加强型导线。钢芯主要起增加强度的作用，铝线主要起传送电能的作用。

2016年7月，在河北某输电重点工程施工现场，工作人员发现导线出现大面积腐蚀现象，腐蚀产物为白色细颗粒胶状水合物，如图1和图2。导线腐蚀最严重的部位发生在与线轴木板的贴合处,见图3和图4。导线腐蚀会降低其电导率及抗拉强度，危害极大。为此，笔者进行了大量的基础数据采集及分析，以理化检验和试验模拟等手段，探明了导线腐蚀原因，并提出了解决方法。

图1 盘在线轴上的导线Fig. 1 Wires on thread spool

图2 图1局部放大图Fig. 2 Enlarged view of Fig. 1

图3 腐蚀最严重的导线Fig. 3 The most serious corrosion of the wire

图4 图3局部放大图Fig. 4 Enlarged view of Fig. 3

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

宏观观察发现，导线腐蚀呈点状或片状分布，尤以靠近线轴边缘处腐蚀最为严重，腐蚀处的绞线颜色呈白色。腐蚀产物为白色颗粒胶状水合物，风干后为白色颗粒或粉末。将铝单丝上的腐蚀产物去除后可发现明显的腐蚀坑，见图5，显著区别于其他未发生腐蚀的银白色铝线。

图5 发生腐蚀的铝单丝Fig. 5 Corrosion of aluminum monofilament

1.2 化学成分

将未发生腐蚀的完好铝单丝制成试样，采用滴定法测试其中杂质元素的含量，Al元素含量是通过减去杂质元素含量计算得出的。以判断杂质元素含量是否满足标准要求，排除成分设计(材质)问题,各元素含量见表1。

参照GB/T 3190-2008《变形铝合金及铝合金化学成分》标准，铝单丝中的杂质含量并未超标，化学成分合格[1]。

1.3 微观形貌

表1 铝单丝中各化学元素含量及标准

在图5所示试样上截取一段腐蚀较为明显的铝单丝，沿横向及纵向分别截开后抛光，制成试样[2]，采用金相显微镜观察试样，见图6。再将抛光后的试样用金相侵蚀剂腐蚀，观察其微观形貌，见图7。由图6可见，导线从边缘处开始腐蚀，逐渐深入基体。腐蚀产物聚集在基体的边缘，连成一片导致基体的脱落，形成腐蚀坑。由图7可见,基体内有大量的第二相粒子(已被金相侵蚀剂腐蚀)，排列方向与试样的轧制方向一致。金相侵蚀分布路径与导线腐蚀路径基本吻合。

1.4 能谱

为确定腐蚀元素，截取一段腐蚀较为明显的铝单丝，进行挥发处理后，置于高倍扫描电镜下进行能谱分析(SEM型号：JEOL，JSM-6510)，结果见图8。由图8可见，腐蚀产物中含有大量的Cl及Al元素，一定量的C元素及O元素，微量的Ca及Si元素。

1.5 腐蚀源排查

通过对腐蚀产物的分析，确定Cl元素是导致导线腐蚀的直接原因。为了查找腐蚀元素来源，笔者对导线施工工地、导线包装物及生产现场进行了逐一排查，以明引入确腐蚀源的环节。

1.5.1 施工工地排查

2016年7月，笔者赴施工工地，采集了与导线接触的土壤及地表残留的雨水，分别对其进行了能谱分析和化学成分分析,结果见图9和表2。由图9和表2可见,土壤中并无Cl元素，但是有沉积的Al元素；雨水中只含有微量Cl元素。另外，对包装用的隔层牛皮纸、防雨布、线轴木板等一切与导线接触的物品进行取样检测,发现只有C、O等常规元素，未发现Cl元素。

(a) 横向截面组织

(b) 纵向截面组织图6 试样的抛光态形貌Fig. 6 Polished state morphology of the sample: (a) cross section; (b) longitudinal section

(a) 横向截面组织

(b) 纵向截面组织图7 腐蚀侵蚀后的形貌Fig. 7 Morphology of sample after erosion: (a) cross section; (b) longitudinal section

1.5.2 生产现场排查

2016年8月，笔者赴导线生产现场，实地排查可能引入Cl元素的生产环节。调查发现，绞制导线的铝单丝是通过较粗的铝杆逐级拉丝变细制作而成的。铝杆在拉丝过程中，温度很高，需要用到有机矿物油以起到降温及润滑的作用。通过对拉丝油进行能谱分析，发现其中含有一定量的Cl元素，见图9。

图8 腐蚀产物能谱分析结果Fig. 8 Analysis results of energy spectrum of the corrosive produt

图9 土壤能谱图Fig. 9 Energy spectrum of soil

表2 积水化学成分

图10 拉丝油能谱图Fig. 10 EDS pattern of drawing oil

为了确定拉丝油中Cl元素的存在形式，使用岛津GC-2010 Plus热裂解-气相色谱/质谱联用仪，模拟铝杆拉丝温度，在200 ℃和300 ℃温度条件下对拉丝油进行热裂解，发现油中有一定量含Cl有机物存在；使用纯水对拉丝油样品进行提取，提取液进行离子色谱分析，发现拉丝油中含有游离氯离子，含量约为99.98 mg/kg，pH为6.5，呈弱酸性。至此，Cl元素来源已经查明。

1.6 第二相粒子分析

在微观形貌观察时，发现样品中弥散分布着大量的第二相粒子，且分布范围与导线腐蚀路径基本吻合，说明二者存在必然关联。通过对第二相粒子的能谱分析，发现其为Al和Fe元素。经查文献得知，第二相粒子为FeAl3[3]。

2 分析及讨论

本例中，导线的防雨布为尼龙编织物，使用及储存时正值雨季。防雨布虽然能阻隔部分雨水，但当有雨水渗入线轴内部时，防雨布又阻止了水气的蒸发，使导线处于一种相对密闭的潮湿环境。尤其是在线轴边缘处，木板吸水性好，水气更不易蒸发。在导线上附着的拉丝油含Cl-，遇水形成了盐酸。

铝是一种两性金属，当纯铝放置在自然环境中时，表面会形成氧化膜(γ-Al2O3)[4]，能起到防止基体腐蚀的作用。但γ-Al2O3是一种非晶态、非均匀且不连续的氧化膜，易破损，若有水存在，最初形成的γ-Al2O3外层会转变为一薄层γ-A100H。然后，在γ-A100H上又会覆盖上一层Al(OH)3。当遇到酸溶液时极易发生溶解从而导致表面腐蚀。

查阅文献可知[2-5]，FeAl3的电极电位为-0.39～-0.58 V(SHE)，而Al的电极电位为-0.80 V(SHE)，两者的电极电位差为0.4 V。当二者共同处在一定浓度的电解质溶液中时，即形成了原电池。基体Al由于具有较低的电极电位，极易失去电子，当与第二相粒子FeAl3接触时，常作为阳极发生电偶腐蚀。

化学腐蚀过程方程式见式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

3 结论及建议

通过分析及讨论可知，本例中导线的初期表层腐蚀为化学腐蚀，中后期腐蚀为化学腐蚀及电化学腐蚀。

综上所述，提出以下建议，以期避免导线的腐蚀，减少经济损失，节约施工时间成本:(1) 拉丝所用铝杆在轧制时，应尽量降低其中杂质元素的含量，尤其是铁元素的含量，提高自身的耐蚀性；(2) 在铝杆拉丝时，避免使用含Cl有机物的拉丝油；(3) 导线在运输及存储时，应避免淋雨或受潮，一旦发现此类情况，应及时晾晒通风；(4) 对于在潮湿及海盐环境中使用的导线，可适当涂抹防腐蚀材料，提高导线表面耐蚀性。

[1] GB/T 3190-2008 变形铝合金及铝合金化学成分[S].

[2] 郑艺,郭伟,丁洪生,等. 不同状态AZ80镁合金的金相试样制备方法[J]. 理化检验-物理分册,2015,51(7):477-479.

[3] 李劲风. 第二相在铝合金局部腐蚀中的作用机制腐蚀[J]. 材料导报，2005，19(2)：81-83.

[4] 马 腾，王振尧，韩薇. 铝和铝合金的大气腐蚀[J]. 腐蚀科学与防护技术，2004，16(3)：156-161.

[5] 安百刚，张学元，韩恩厚，等. 铝和铝合金的大气腐蚀研究现状[J]. 中国有色金属学报，2001，11(2)：11-15.

Corrosion Mechanism of Wires Used for Transmission and Transformation Project

ZHANG Xu, ZHAO Jingfeng, LI Yiwen, LI Junbo, WANG Jingyi, LIU Enjing

(State Grid Jibei Electric Power Limited Company Material Branch, Beijing 100075, China)

Serious corrosion of wires used in a transmission project appeared. The corrosion product was white colloidal fine particles. The composition of corrosion products and mechanism of corrosion were explored by means of physical and chemical analysis and simulation test. The results show that Cl was the main element leading to the corrosion of the wire, and the second phase particles dispersed in the wire accelerated the corrosion process. Accordingly, some suggestions for avoiding the wire corrosion in the process of manufacture, transport and use were proposed.

wire； corrosion； EDS analysis； second phase particle

10.11973/fsyfh-201705019

2017-03-16

张 旭(1985-)，工程师，硕士，从事电网物资的质量管控的相关工作,010-87631465，jancy001@126.com

TG115.2

B

1005-748X(2017)05-0403-04