钢芯铝绞线论文（通用4篇）
钢芯铝绞线论文 篇1
1 钢芯铝绞线常见问题
1.1 导线表面油污
在钢芯铝绞线的日常使用中经常会遇到导线表面布满油污的现象, 给用户带来了很大麻烦, 影响了使用效果。产生油污的主要原因是导线表面的润滑油脂温度偏低, 再加上其自身黏度较大, 在常温下不易挥发, 所以就残留在导线表面;同时, 在施工前去除导线表面油污工作不到位也导致了油脂的残留。除了这2方面的影响比较大之外, 在成品模出口处擦线毛毯过脏、绞线制备过程中绞体本身存在油脂残留等也是导致此种现象的重要原因。因此, 在钢芯铝绞线生产过程中就应对表面油污加以控制, 拉丝时要将油脂去除干净, 并调节好润滑油的温度, 使其在生产过程中能够及时挥发;同时, 还要保证成品模出口处擦线毛毯的清洁, 确保生产绞线的绞体干净无污, 以进一步减少钢芯铝绞线表面油污现象的发生。
1.2 导线表面划痕或划伤
钢芯铝绞线在使用过程中发生电晕现象的最主要原因之一便是导线表面有划痕, 而电晕是造成电力损耗的最大原因之一, 因此有效控制导线表面划痕可以减少能源耗损。
造成导线表面划痕的原因很多, 包括铝杆受潮导致拉丝模变形, 拉丝过程中润滑油不能够完全进入工作区域, 导致工作区域滞留的铝屑造成导线表面出现划痕。另一个比较重要的原因是拉丝油质量不达标。由润滑区进入工作区的拉丝油由于长时间处于高温状态, 如果其质量达不到标准要求, 水分过多, 就会严重影响润滑效果, 在拉丝过程中导致导线表面划痕及断头等现象。因此, 为了能够进一步提升导线质量, 减少导线表面划痕, 进一步节省能源, 就应该严格控制导线生产过程, 从根本上杜绝表面划痕的出现。首先应将铝杆放置于干燥处, 从而有效解决拉丝模孔工作区铝屑滞留问题;确保润滑油顺利进入工作区, 以保证导线的圆整性和光滑性。同时, 应严格控制拉丝油质量达标, 以保证导线拉丝工作顺利进行, 从而提高导线的生产质量。
导线表面若在拉丝过程中受到尖锐金属物划伤, 就会导致其不圆整、不光滑, 这是造成导线质量偏低的主要原因, 也是除表面划痕外导致电晕现象的重要原因之一。导线表面划伤比存在划痕影响更加严重, 因此, 在生产过程中需通过勤保养、勤维修来严格控制生产设备性能指标, 并不断完善生产工序, 以从根本上达到控制、确保导线质量的目的。
1.3 导线松散
导线松散是比较常见的导线质量事故, 在日常工作中我们通常将其称为“灯笼花”。灯笼花的产生除了设备及放线技术的原因外, 最主要就是由于导线的绞合松散。这种现象严重时甚至会导致整条导线报废, 造成严重损失。因此, 在日常工作中我们应该尽可能避免灯笼花的产生。
有效避免灯笼花的产生不仅需要平时积累工作经验, 同时还需要良好的设备作为辅助。在生产过程中, 导线的张力应控制适宜, 不要过小也不应过大。在压模时, 应严格控制孔径大小, 一般情况下应比绞线外径小0.3～0.5 mm。压模过大或过小都将严重影响导线的质量, 造成灯笼花的出现。在绞合过程中, 应合理控制停车次数, 车速不均匀的停车将会导致导线绞合节距不同, 进而使导线松散。合理调整退扭装置以消除导线在加工过程中产生的内应力, 严格控制钢芯质量都是防止导线松散的主要方法, 因此要对其给予足够的重视。在日常生产生活中, 我们应从多方面、多角度科学、合理地控制导线松散现象, 以确保导线能正常使用。
1.4 发黑现象
在高温、潮湿的环境中, 钢芯铝绞线常常会出现发黑的现象, 这是由于构成钢芯铝绞线的主要化学元素———铝在外界环境影响下表面易氧化, 生成致密氧化物, 而这些铝的化合物物理特性呈黑色。因此, 我们看到的导线表面发黑在很大程度上是由铝氧化引起的, 下面我们就来详细分析这一化学方应的诱发因素。
(1) 大气环境。
空气中含有丰富的氧元素、少量的硫元素。铝是一种非常活跃的金属, 纯质的铝在空气中暴露时间过长表面就会氧化, 我们通常将之称为“钝化膜”, 从某种程度上说, 钝化膜对内部铝起到了保护作用, 防止了铝进一步腐蚀和氧化。由于我国工业的发展, 大气污染越发严重, 工业废气中硫化物、氮化物、碳化物等具有严重腐蚀性的气体也越来越多, 气体的严重腐蚀性再加上铝元素的活跃性, 便导致了导线表面铝成分发生化学反应, 进而引起了导线表面变黑。
(2) 空气中水分。
空气中的水成分是常见的电解介质, 因此其电解作用同样是导致导线表面变黑的主要原因。暴露在空气中的铝制导线以空气中的水分为电解介质, 发生电解反应, 产生游离态的铝离子, 再与空气中的气体元素相结合, 发生氧化还原反应, 产生铝的化合物, 导致了导线表面变黑。
(3) 生产过程。
在铝杆拉丝过程中会与模具之间形成一定的摩擦, 由于摩擦而产生的铝粉一部分留在了润滑油中, 一部分漂浮空气里。大部分留在润滑油中的铝粉经过过滤和沉淀后被排除, 但是仍有少量的残留。由于拉丝时模具工作区域温度非常高, 残留铝粉不可能马上被氧化, 但在日后的使用过程中, 导线与空气长期接触, 就会与空气中的腐蚀气体及水分共同作用, 进而发生氧化, 导致了导线表面变黑。所以, 导线表面残留的油污同样会引起导线表面变黑。
(4) 微生物。
长期暴露在空气中的导线除因受大气环境及自身制作工艺影响会发生表面变黑现象外, 还会因受到环境中的微生物影响而变黑。除了具有氧化性的物质能够引起化学反应导致导线表面铝元素氧化变黑外, 微生物也能够引起铝元素的生物化学反应, 导致导线表面的铝被氧化, 进而变黑。
2 钢芯铝绞线质量控制
以上我们论述了钢芯铝绞线在生产使用过程中常常遇到的问题, 并分析了产生这些问题的部分原因, 下面我们将以此为基础提出几点合理控制钢芯铝绞线质量的建议。
2.1 化学成分控制
导线表面变黑与其蕴含大量的铝元素是分不开的, 并且导线还长期暴露在空气中, 极易发生化学及生物化学反应。因此, 在导线选材的过程中必须严格把关, 控制其各种化学成分的含量, 在保证导线生产工艺质量的基础上, 合理配置其化学成分, 这可以在一定程度上提高导线质量。
2.2 炉温控制
铝元素是非常活跃的金属元素, 很容易与空气中的氧元素发生化学反应。如果保温炉内的温度过高, 将会加快铝与氧的反应, 进而生成铝的氧化物, 对导线的质量产生严重影响。保温炉内的温度过高还会导致炉内水分被分解为氢和氧, 其中的氧被吸附, 在高温催化下与铝发生化学反应, 生成氧化铝, 这就严重降低了导线的张力, 影响到导线的正常使用。
2.3 生产工艺控制
为及时排除铝屑, 保证润滑油在拉丝过程中能完全进入工作区域, 以确保导线表面的圆整度和光滑性, 避免划痕、划伤等的产生, 在生产过程中, 应严格优化导线生产工艺, 确保导线质量。
2.4 使用环境控制
铝元素的活跃性使其很容易受到外界大气因素或微生物等的影响氧化, 从而导致导线表面变黑, 在很大程度上影响了导线的使用效果及性能。因此, 控制导线使用环境就显得尤为重要, 这是确保导线使用寿命及使用功能的有力保障。
3 结语
随着生产工艺及选材的优化, 钢芯铝绞线克服了很多其自身缺点, 因此在实际应用中越来越受欢迎。未来我们应对日常使用中所遇到的种种问题进行总结, 并以此为基础更加深入地研究如何生产和应用好钢芯铝绞线, 从而进一步提高其性能, 扩大其使用范围。
摘要：随着电缆制造工艺的不断发展, 钢芯铝绞线技术不断成熟。钢芯铝绞线强度高、导电性能好, 现阶段在我国被广泛应用, 得到业界的普遍好评。钢芯铝绞线在使用过程中常出现表面油污、划痕或划伤、松散及发黑等现象, 现就此进行了分析, 并进一步探讨了如何控制钢芯铝绞线的质量。
关键词：钢芯铝绞线,表面油污,发黑,质量控制
参考文献
[1]尹燕, 朱本友, 张宗军.钢芯铝绞线常见质量问题及原因分析[J].电线电缆, 2005 (3) :47～48
[2]於国良.钢芯铝绞线表面发黑的产生因素及对策[J].电线电缆, 2007 (6) :22～24
[3]赵新泽, 劳海军, 高伟.钢芯铝绞线绞线间接触与磨损分析[J].润滑与密封, 2009, 34 (11) :48～52
[4]王晓红, 赵建华.钢芯铝绞线的发展与应用[J].电气化铁道, 2001 (4) :39～40
[5]於国良.大截面钢芯铝绞线制造和使用过程的质量控制[J].电线电缆, 2002 (5) :17～21
钢芯铝绞线论文 篇2
架空导线长期处于户外露天环境下, 在不同的温度下机械性能会发生变化。此外, 线路在运行中还存在微风振动、线路舞动及覆冰等复杂的工况[2,3,4]。而且导线舞动及线路断线、倒塔、串倒等事故都与导线的机械性能密切相关[5]。在东北和西北等地区, 四季温差较大, 导线的工作环境尤为恶劣。为保障输电线路的安全可靠运行, 开展低温条件下导的机械性能研究非常必要。基于此, 本文采用对单钢线进行拉断力试验、对单铝线进行扭转卷绕试验的方法, 对架空线路的钢芯铝绞线低温机械特性进行了研究。
1 研究方法
钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线等导线在正常运行中主要由钢芯承担纵向拉力, 导线的应力-应变曲线如图1所示, 其中, o、c、e为钢芯的应力-应变曲线, o、b、d为铝线的应力-应变曲线[3]。
从图1可以看出, 在纵向拉力的作用下, 若发生断线, 铝线先于钢线断裂, 因此, 钢芯低温下纵向拉力的研究对低温下断线、倒塔和串倒等[3,4,5]问题的分析具有参考意义;铝线低温下切向机械性能的研究对低温下导线微风振动断股 (小荷载) 和覆冰断股 (大荷载) 的分析具有参考意义。
不同规格的钢芯绞线由根数的不同铝线 (铝合金导线) 和钢线分层绞合而成, 同种线径的单铝线和单钢线由于根数的不同可以组成不同型号的导线, 例如直径同为2.72 mm的单铝线和单钢线, 6铝/1钢组成标称截面为35/6 mm2的导线, 12铝/7钢组成标称截面为70/40 mm2的导线;直径分别为3.22 mm和2.50 mm的铝单线和钢单线, 26铝/7钢组成标称截面为210/35 mm2的导线, 48铝/7钢组成标称截面为400/35 mm2的导线[6,7,8,9,10]。依此类推, 较少种类的单铝线和单钢线可以按根数的不同组合, 绞制成多种型号的钢芯绞线。
由以上分析可知, 可以通过分别研究单钢线和单铝线低温下的机械性能变化, 来分析低温环境下导线机械性能变化对断线、断股等的影响。
2 试验及结果分析
选用黑龙江省内常用的几种导线型号为研究对象, 如表1所示。试验用单钢线及单铝线尺寸与上述导线相对应。分别在-10~-40℃, 每隔10℃测量一组数据。
2.1 单钢线低温下拉断试验
试验用单钢线线径尺寸分别为2.22、2.32、2.50、2.66、2.80 mm。
在外观检查合格的每种单钢线样品的一端截取12根试样, 每3根分为一组, 将单钢线试样两头用夹具固定牢固后, 保证试验原始标距为250 mm。
分别取每种试样在-10、-20、-30、-40℃下的试验平均值。5种单钢线低温下拉断力变化曲线如图2所示。从图2中可以看出, 随着温度的降低, 单钢线的拉断力有所增加, 5种试样的变化趋势总体相同, 符合金属随着温度降低材料变脆的现象。为了进一步分析钢丝拉断力在不同温度下的差异情况, 需求取各种试样4种温度下的平均拉断力, 然后再计算不同温度下拉断力与平均拉断力的不一致系数 (不一致系数= (Ft-F珚N) /F珚N×100%) 。5种试样差异曲线如图3所示。
2.2 绞制前单铝线低温下扭转试验
试验用绞制前的单铝线共有4种尺寸, 分别为2.98、3.22、3.60、3.99 mm。
分别将每种试样在-10、-20、-30、-40℃下进行扭转试验, 扭转速度保持为60 r/min, 导线扭断情况如图4所示。
4种单铝线丝在低温情况下的扭转特性变化曲线如图5所示。从图5可以看出, 单铝线的扭转特性随着温度的降低而降低, 温度从-10℃降低到-40℃时, 直径为4.00 mm的导线扭转特性降低11.1%, 直径为3.60 mm的导线降低2.4%, 直径为3.24 mm的导线降低4.3%, 直径为2.98 mm的导线降低8.0%。
2.3 绞制前单铝线低温下卷绕试验
卷绕试验用单铝线与扭转试验用的相同, 试验要求为:在试样的自由端施加不超过额定拉断力5%的拉力, 卡具头侧以不超过10 r/min的转速转动, 紧密卷绕8圈, 退绕6圈后, 再重新紧密卷绕。在上述过程中, 导线没发生断裂, 视为合格, 卷绕后的试样如图6所示。
3 结论
1) 单钢线的拉断力随着温度的降低有所增加;铝线的扭转性能随着温度的下降而降低;它们的卷绕特性符合标准要求。
2) 由于铝线扭转特性随着温度的降低而下降, 在低温气候下, 对大跨越线路及海拔较高的山上架设的线路, 宜加强线路的巡视工作和采取相应措施, 防止导线断股, 必要时增加导线温度及微风振动等在线监测装置。
3) 导线在低温下抗拉性能有所增加, 温度的降低会引起导线纵向尺寸减小, 导致导线纵向张力增大。但两者综合作用对导线抗拉强度的影响, 还有待进一步论证。
参考文献
[1]黄新波, 孙钦东.输电线路导线及金具温度在线监测系统[J].电气应用, 2008, 27 (16) :64 67.HUANG Xinbo, SUN Qindong.Online temperature monitoring system of transmission line conductor and fitting[J].Electrotechnical Application, 2008, 27 (16) :64 67.
[2]刘洋, 张浩.220 k V鹤木线松花江大跨越微风振动的在线监测分析[J].黑龙江电力, 2011, 33 (2) :121 124.LIU Yang, ZHANG Hao.Online monitoring analysis of Aeolian vibration of Songhua River long-span of Hegang-Mulan 220k V transmission line[J].Heilongjiang Electric Power, 2011, 33 (2) :121124
[3]文聪.输电线路导线覆冰断股分析[J].云南电力技术, 2009, 37 (5) :24 25.WEN Cong.Analysis of transmission line conductor breaking caused by icing[J].Yunnan Electric Power, 2009, 37 (5) :24 25.
[4]李新民, 朱宽军.输电线路舞动分析及防治方法研究进展[J].高电压技术, 2011, 37 (2) :484 490.LI Xinmin, ZHU Kuanjun.Review on analysis prevention measures of galloping for transmission line[J].High Voltage Engineering, 2011, 37 (2) :484 490.
[5]何炜斌, 郝艳捧.用于重冰区架空输电线路的钢芯铝合金绞线机械特性分析[J].高电压技术, 2012, 38 (5) :1253 1259.HE Weibin, HAO Yanpeng.Mechanical characteristic analysis of ACSR applying in transmission line in heavy icing area[J].High Voltage Engineering, 2012, 38 (5) :1253 1259.
[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 11792008圆线同心绞架空线[S].北京:中国标准出版社, 2008.AQSIQ.GB/T 1179 2008 Round wire concentric lay overhead electrical stranded conductors[S].Beijing:China Standards Press, 2008.
[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 4909.32009裸电线试验方法第3部分:拉力试验[S].北京:中国标准出版社, 2009.AQSIQ.GB/T 4909.3 2009 Test methods for bare wires—Part 3:Tensile Test[S].Beijing:China Standards Press, 2009.
[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 4909.42009裸电线试验方法第4部分:扭转试验[S].北京:中国标准出版社, 2009.AQSIQ.GB/T 4909.4 2009 Test methods for bare wires—Part 4:Torsion Test[S].Beijing:China Standards Press, 2009.
钢芯铝绞线论文 篇3
随着国家电网“西电东送、南北互供、全国联网”战略的实施,送电线路向大电流、超高压方向发展,对导线提出了更高的电气、机械性能要求,这使得已经运行了几十年的老旧线路迫切需要改造。应电力设计院要求,本次500kV电力线路增容改造工程原输送容量为2×1 100 MW,改造后扩大1.5倍容量(节省方式),电网最大负荷利用时间按5 000h,环境温度取值25 ℃,按华中地区常用气象条件设计。随着城市中心的扩大、居民区的大型化和工厂扩建等,市郊线路走廊日趋紧张,本次线路增容改造工程依设计院要求仍利用原线路路由和杆塔,因此本次改造工程在满足增容要求的同时,还必须满足原线路路由和杆塔的机械性能要求。
2 导线结构设计和选型
2.1 预应力钢芯软铝绞线的结构设计
相对于传统输电线路使用的钢芯铝绞线(Aluminum Conductor Steel Reinforced,ACSR)导线,增容导线应具有载流量高、线路损耗小、成本低等优点,且在增容的同时无需改变输电线路路由以及增强或改造杆塔。随着金属材料技术、导线制造技术、设备控制技术的发展,本公司对增容导线的研究已取得了长足的进步。为了能够同时满足增容、安装弧垂特性好、运行安全性好、可利用原有杆塔等要求,本公司开发了一种新型增容导线———预应力钢芯软铝绞线。
该预应力钢芯软铝绞线由预应力圆形超高强度镀锌钢绞线(G4A)加强芯+梯形全退火软铝绞线组成,如图1所示。这种特殊的结构设计使预应力钢芯软铝绞线具有以下特点:a.相比常用的耐热铝合金导线52.5%IACS的导电率和硬铝导线61%IACS的导电率,软铝线的导电率分别提高了约20%和3.3%。b.采用软铝型线绞合,单线填充系数高,与相同外径的钢芯铝绞线相比,有效载流截面积增加了25%左右,可明显减少线路损耗。c.预应力钢绞线加强芯(钢芯)采用含高索氏体组织盘条冷拔钢丝(牌号82B,加微量元素Cr、V合金元素),并在350~400℃高温下,在张力为40%~50%钢绞线破断力时,对其进行稳定化处理(预应力处理)。通过大张力高温回火绞合过程可以消除钢绞线的绞合残余应力和钢丝的残余应力,增强钢绞线的抗蠕变能力,达到降低钢绞线松弛值,获得良好综合力学性能(在符合GB/T 3428—2012标准中的4级强度的同时,具有良好韧性、耐疲劳、低松弛特性)的低松弛钢绞线。d.由于软铝线不是耐热材料,在工作温度(或更高温度)下当导线受到张力作用后,在最大拉断力以内,软铝线处于永久伸长状态,基本不受力,机械载荷可视为全部由预应力钢芯承担,因此预应力钢芯的低松弛特性使预应力钢芯软铝绞线具有低弧垂特性。e.原则上预应力钢芯的耐温等级即为预应力钢芯软铝绞线的耐温等级,因而参照耐热导线的规定,将预应力钢芯软铝绞线的使用温度设定为150℃,短时最高运行温度设定为不得超过250℃,使其成为实际意义上的耐热导线,获得增容效果。
2.2 预应力钢芯软铝绞线的选型
本次500kV电力线路增容改造工程的原导线采用四分裂、二回路JL/G1A-400/35钢芯铝绞线,在最高允许运行温度70℃时线路输电容量为5 696MW;一根地线采用OPGW,另一根地线采用JLB40-150和GJ-100 导线。在更换预应力钢芯软铝绞线时,本公司参照JL/G1A-400/35钢芯铝绞线的相关技术参数(如表1所示),并结合增容、安装弧垂特性好、运行安全性好、可利用原有杆塔等改造要求,经过多次核算,最终选用了JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线。JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线的相关技术参数如表1所示。
2.3 性能校验
为了确保增容改造后500kV电力线路能够满足增容、安装弧垂特性好、运行安全性好、可利用原有杆塔等要求,本公司进行了JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线的电气性能(载流量)和机械性能(弧垂特性)的校验。
2.3.1 电气性能(载流量)
在电气性能(载流量)校验时,相关参数按设计要求取值,即环境温度Ta=25℃,温升 ΔT=25℃,辐射系数E1=0.9,风速v=0.5m/s,吸热系数αS=0.9,日照强度JS=1 000 W/m2,频率f=50Hz,斯特凡—包尔茨曼常数S1=5.67×10-8W/m2。
直流状态工作温度下的载流量IDC的计算公式为:
式中:RDC为直流电阻,WR为辐射散热功率,WF为对流散热功率,WS为日照吸热功率,αT为电阻温度变化系数,T为运行温度,λf为空气传热系数,Re为雷诺数,μ为运动黏度。
按JCS 0375标准,交流状态工作温度下的载流量IAC的计算公式为:
式中RAC为交流电阻;kf为交直流电阻比;k1,k2为计算系数;I′为假定电流,可按直流取值。
采用上述公式分别对JL/G1A-400/35 钢芯铝绞线和JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线在不同导线运行温度时的载流量及其它相关参数进行了计算,计算结果如表2、表3 和图2 所示。可见,JL/G1A-400/35钢芯铝绞线的允许运行温度为70 ℃,而JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线具有耐热性,其允许运行温度可高达150℃;虽然在相同运行温度(低于70 ℃)时JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线的载流量略比JL/G1A-400/35钢芯铝绞线的高,但JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线在运行温度为130℃时和150℃时输电容量分别是JL/G1A-400/35 钢芯铝绞线在允许运行温度70 ℃时输电容量的1.4倍和1.6倍。
2.3.2 机械性能(弧垂特性)
在机械性能(弧垂特性)校验时,相关参数按设计要求取值,即环境温度Ta=25 ℃,温升 ΔT=25℃,风速v=0.5 m/s,档距l=300 m。 我们采用架空导线线路设计有关软件分别对JL/G1A-400/35钢芯铝绞线和JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线在不同运行温度时最大弧垂Hmax进行了计算,计算结果如图3 所示。可见,JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线在运行温度为110 ℃时的最大弧垂与JL/G1A-400/35钢芯铝绞线在允许运行温度70℃时的最大弧垂相当;即使在最高运行温度150 ℃时,其弧垂也只相当于JL/G1A-400/35钢芯铝绞线在运行温度为90℃时的最大弧垂;在运行设计要求的常态输电容量2×1 100MW时,导线运行温度约为45 ℃,此时JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线的最大弧垂比JL/G1A-400/35 钢芯铝绞线的最大弧垂小。
2.4 导线经济性
分别对JL/G1A-400/35钢芯铝绞线和JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线的导线成本进行了计算,计算结果如表4 所示。可见,JLRX/G4A-330/55预应力钢芯软铝绞线成本比JL/G1A-400/35钢芯铝绞线成本上升约5.7%,其主要原因是预应力钢绞线价格较贵和软铝绞线软化处理所增加的费用。
3 结束语
钢芯铝绞线论文 篇4
在南方湿热地区、特别是梅雨季节生产的钢芯铝绞线,经库存一段时间后现场施工使用时曾多次出现不均匀性黑斑现象,由于生产与施工时间间隔较短,行业腐蚀学界曾对此进行研究并得出“一般不影响使用”[1]的公认。但是近年来对一些高温高湿现象不十分明显的北方地区,特别是处于工业集中区的生产企业,由于工业大气环境和弱高温高湿双重作用,每年七月份至九月份的雨季所生产的钢芯铝绞线也出现类似情况,使该问题成为整个行业的突出难题。
本课题组前期曾对该问题进行了实验室加速腐蚀试验的相关研究,研究认为:铝的抗大气腐蚀耐蚀机理为,铝表面在大气环境中形成致密氧化膜,能相对有效的防止腐蚀介质的继续侵入,腐蚀由纯铝表面的直接氧化阶段进入“膜保护”的缓慢氧化阶段。在高温高湿条件下,由于客观原因使铝杆在拉制铝丝过程中存留的油脂和水分以及内部湿热气体等在存放过程中不能有效排出而聚集,造成提前氧化,由于侵入区域或聚集区域的不均匀性,造成表面不均匀性黑斑现象,但在大气环境条件下架线通电一段时间后,最后结果为表面外观一致[2]。即“不影响使用,仅影响商业外观”的结论。
但是上述结果为实验室加速腐蚀研究结论,虽然能基本上说明腐蚀行为和可用性问题,而更可靠的研究方法应为长期模拟试验和实际暴晒性试验,给生产者与使用者以更有力的判据。为此本工作进行了条件更为苛刻的模拟海洋环境全浸试验的耐蚀行为对比和可用性研究,对其微观形貌、腐蚀行为和电化学性能与正常铝绞线进行了对比,以期得到有益的结果。
1 实验方法及内容
1.1 样品的制备
实验中采用的样品分别取自我国北方具有代表性的两家钢芯铝绞线厂家。其中样品A以随机取样方式,从某厂供给山东电网50万超高压(南线)工程第2批632t和另一厂家供给山西阳泉至江苏淮阴30万高压工程730t的出现表面不均匀性黑斑现象的产品中抽取。样品B以同样的随机取样方式抽取同期表面正常产品。样品C为两厂家目前生产的表面正常产品,用于作对比试验样品。
采用传统公认的模拟海洋腐蚀环境方式,模拟腐蚀试验装置为全浸腐蚀试验装置,模拟腐蚀条件为常温、pH 6.8±0.5,5%NaCl(质量分数,下同)溶液,试验周期为5年[3]。腐蚀样品A,B全浸在溶液中静置5年。
1.2 微观形貌和腐蚀产物分析
将样品用饱和醋酸铵溶液清洗表面腐蚀产物,后用去离子水反复清洗至洁净,并用乙醇擦拭自然晾干。为了分析样品A,B,C的微观结构差别,采用X射线扫描电镜(SEM)观察了样品的微观形貌。试验采用JCXA-733型扫描电子显微镜,加速电压为15kV,电流2×10-9A。利用X射线衍射仪分析样品在5%NaCl溶液中的腐蚀产物的成分和存在形态。将腐蚀产物过滤,用去离子水反复冲洗,烘干。采用D8 ADVANCE X射线粉末衍射仪,用硅粉(纯度>99.99%)作为内标来校正峰位。
1.3 表面元素的定性和定量分析
用ESCALAB 250型X射线光电子能谱仪,Al Kα放射源(光电子能量为1486.6eV)作激发源对样品进行XPS分析。确定样品表面的元素组成和含量。
1.4 电化学性能测试
采用CHI660型电化学工作站对样品的电化学性能进行测试。试验用5%NaCl溶液做电解液,采用三电极研究体系,铂金电极做辅助电极,饱和甘汞电极做参比电极,样品表面留出0.5cm×0.5cm作反应面积,其余部分用石蜡涂封,按要求做成研究电极。为了使样品测试结果具有可比性,首先测量样品的开路电位,分别测试样品的交流阻抗和极化曲线。
2 结果与讨论
2.1 样品的外观和微观形貌
图1给出了不均匀性黑斑铝绞线与同期表面正常铝绞线5年腐蚀样品外观形貌对比。从外观形貌上看,表面不均匀性黑斑的样品A表面附着少量的腐蚀产物较少,且腐蚀产物较致密,大部分腐蚀产物已经脱落,而同期表面正常产品样品B表面附着大量的絮状腐蚀产物。图2是不均匀性黑斑铝绞线与同期表面正常铝绞线5年腐蚀样品表面腐蚀产物清洗后外观形貌对比,从图2可看出,不均匀性黑斑铝绞线基本保持了原“抗腐蚀氧化膜”,而同期表面正常铝绞线则“抗腐蚀氧化膜”大片脱落。
(a)不均匀性黑斑铝绞线;(b)同期表面正常铝绞线(a)ACSR covered by inhomogeneous black coating;(b)the normal ACSR
(a)不均匀性黑斑铝绞线;(b)同期表面正常铝绞线(a)ACSR covered by inhomogeneous black coating;(b)the normal ACSR
图3给出了样品A,B,C的微观形貌对比。铝在大气环境中,由于氧和氧化剂的存在,易生成保护性良好的“抗蚀钝化膜”。从图3可看出,在模拟海水中氯离子存在条件下,样品A为典型的“孔蚀”腐蚀行为,而样品B则呈现明显的“晶间腐蚀”行为。这种腐蚀行为的差异有待今后工作中进一步深入研究。
(a)不均匀性黑斑铝绞线;(b)同期表面正常铝绞线;(c)未经腐蚀的铝绞线(a)ACSR covered by inhomogeneous black coating;(b)the normal ACSR; (c)ACSR without corrosion
2.2 样品的腐蚀产物
样品的衍射图见图4。由图4可知,不均匀性黑斑铝绞线和正常铝绞线在模拟海水腐蚀环境中的腐蚀产物衍射峰基本相同,腐蚀产物均为Al(OH)3,并无其他物质生成,说明不均匀性黑斑铝绞线和正常铝绞线腐蚀机理相同。
(a)不均匀性黑斑铝绞线;(b)同期表面正常铝绞线(a)ACSR covered by inhomogeneous black coating;(b)the normal ACSR
2.3 样品的XPS能谱
图5所示为不均匀性黑斑铝绞线和正常铝绞线在模拟海洋环境腐蚀表面XPS全扫描谱。图5中出现了较强的Al2p,O1s,C1s的特征峰,由于C1s主要来源于能谱仪真空室残余有机物的分解,所以样品表面应为铝的氧化物。
(a)ACSR covered by inhomogeneous black coating;(b)the normal ACSR
通过C1s结合能284.6eV对全谱进行荷电校正,然后对Al,O元素进行高分辨谱扫描,结果见图6。通过对O1s谱图的分峰拟合,我们发现其组成有两个峰,其中结合能为531.1eV的主峰对应的化合物为Al2O3,除此之外还有一个结合能为532.4eV的峰,这是由于吸附氧所产生的氧污染。对Al2p谱图进行分峰拟合发现,可将其分成两个峰,结合能分别为74.3eV和77.6eV,其中74.3eV的低能峰为Al2O3,而77.4eV的高能峰是Al在NaCl溶液中长时间浸泡而产生了氯化物。
(a),(c)不均匀性黑斑膜铝绞线;(b),(d)同期表面正常铝绞线(a),(c)ACSR covered by inhomogeneous black coating;(b)(d)the normal ACSR
另外还根据对谱峰的分析计算出了Al,O元素的相对含量,斑状污黑铝绞线和正常铝绞线表面氧化物中氧元素的相对含量分别为90.74%(原子分数,下同),89.88%;表面氧化物中铝元素的相对含量分别为62.54%,60.50%。由此可以看出,不均匀性黑斑铝绞线和正常铝绞线在经过五年模拟海洋环境腐蚀后表面元素组成和含量基本相同。
2.4 样品的电化学性能
图7为三种样品的交流阻抗图,这个高频率的电容曲线可认为是电荷转移阻力[5],电荷转移阻力越小,腐蚀率越大,耐蚀性越差。由图7可以看出,样品的交流阻抗谱的Nyquist电阻点呈半圆形,这表明腐蚀受电荷转移的控制。样品C的容抗弧远大于样品A,B,表明腐蚀过程中电荷传递电阻最大,样品的耐蚀性最好,这是由于Al的表面有一层未经破坏的氧化铝膜,对基体产生良好的保护;样品A,B保护性的氧化膜遭破坏,耐蚀性大大降低,因此容抗弧远小于样品C。但是样品A的容抗弧又稍大于样品B,这是由于在样品A表面附着有一层致密的腐蚀产物,起到了一定的缓蚀作用。
(a)不均匀性黑斑铝绞线(样品A),同期表面正常铝绞线(样品B); (b)未经腐蚀的正常铝绞线(样品C)(a)ACSR covered by inhomogeneous black coating(sample A) and the normal ACSR(sample B);(b)ACSR without corrosion(sample C)
样品的极化曲线图谱见图8。Tafel极化曲线外推法是测定腐蚀速率的电化学方法之一,Tafel极化曲线外推后可以得到自腐蚀电位、自腐蚀电流等电化学腐蚀参数,从而判定样品腐蚀速率的大小。通过对图7的分析,可以得出样品A,B的自腐蚀电位和自腐蚀电流,见表1。由表1数据可以看出,样品C的自腐蚀电位最高,自腐蚀电流最小,说明其耐蚀性能最好。样品A,B的自腐蚀电位和自腐蚀电流大小都极为接近,样品A的自腐蚀电位稍高、自腐蚀电流稍小,这也是由于样品表面的腐蚀产物对电荷转移产生了一定的阻力,起到了一定的保护作用。这与交流阻抗试验得到的结论一致。
3 结论
(1)在模拟海洋环境腐蚀5年后,不均匀性黑斑铝绞线为“孔蚀”腐蚀行为,而正常铝绞线则出现了“晶间腐蚀”腐蚀行为,腐蚀产物相同,均为Al(OH)3,同时两者表面元素组成和含量基本相同。
(2)不均匀性黑斑铝绞线和正常铝绞线在经过五年腐蚀试验后测试电化学性能基本一致,但不均匀性黑斑铝绞线表面致密的腐蚀产物起到了一定的缓蚀作用。
(3)经过5年的模拟海洋腐蚀试验进一步验证,表面不均匀性黑斑铝绞线,为“不影响使用、仅影响商业外观”的产品。实验研究结果可作为生产制造与使用部门进行判据的科学依据。
参考文献
[1]黄崇祺.电缆金属文集[M].上海电缆研究所,2001.131-140.
[2]于萍,魏云鹤,冷霞,等.表面不均匀性黑膜的钢芯铝绞线耐蚀性能对及可用性研究[J].电线电缆,2004,10(2):10-13.
[3]于萍.钢芯铝绞线表面斑状污黑现象分析[J].中国表面工程,2003,16(3):46-48.
[4]BECCARIA A M,CHIARUTTINI L.The inhibitive action ofmetacryloxypropylmethoxysilane(MAOS)on aluminium corrosionin NaCl solutions[J].Corrosion Science,1999,41(5):885-899.