沿海地区架空钢芯铝绞线的腐蚀

岳增武，李辛庚，闫风洁，郭 凯

(国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南250002)

0 引言

沿海盐雾区的钢芯铝绞线腐蚀速率较高，导线断股和断线的情况时有发生，使输电线路的安全运行受到严重威胁，有些地区钢芯铝绞线的运行寿命不足6年［1-3］。为研究海洋大气环境下钢芯铝绞线的腐蚀机理，文献［3-5］使用NaCl水溶液或盐雾气氛研究钢芯铝绞线的腐蚀行为，结果表明外层铝线腐蚀速率最大，钢芯镀锌层对铝导线具有保护作用，但这些实验结果与失效钢芯铝绞线内层铝线腐蚀更严重的事实不符。文献［6］对失效的钢芯铝绞线也进行了分析，认为铝导线和钢芯之间构成腐蚀电池，使内层铝导线腐蚀严重。这些研究与分析结果与钢芯铝绞线服役过程中的一定阶段相符，未能反映其服役全过程的腐蚀规律。

山东沿海某条220 kV回路的部分线路与海岸线平行架设，已投入运行24年。塔基与海岸线的最短距离约10 m，附近有小型化工厂多家。该回路采用了型号为LGJQF2－400/50的钢芯铝绞线，为轻型中防腐型钢芯铝绞线。与普通钢芯铝绞线相比，钢芯采用浸涂油脂处理，增强了钢芯的防腐性能。图1是这种钢芯铝绞线的截面示意图。最外层的铝导线呈灰黑色，导线存在鼓胀现象。经解剖分析发现:其实最外层铝导线的腐蚀最轻微;第二层和最内层腐蚀严重，均有断股现象且导线变脆，轻轻一掰即断裂;导线之间有大量白色或灰白色的颗粒状腐蚀产物，造成鼓胀，见图2。钢芯表面呈黑色并附着灰白色的腐蚀产物。

本文采用宏观、微观分析及电化学分析方法，探讨了钢芯铝绞线的腐蚀机理及腐蚀失效发生过程，从而有针对性地给出建议措施。

图1 钢芯铝绞线横截面示意图

图2 发生腐蚀的钢芯铝绞线

1 实验方法

对铝导线和钢芯分别割取试样并镶嵌，用SiC砂纸逐级打磨，最终用1μm金刚石抛光膏拋光，进行截面形貌观察和能谱分析(使用Amray 1830扫描电子显微镜和Noran system 7能谱仪)。对内层导线与钢芯之间的白色腐蚀物颗粒研磨成粉末后进行X射线衍射分析(使用Panalytical X’Pert Pro型X射线衍射仪，Cu靶);将钢芯表面附着的腐蚀物轻轻刮下，也进行了X射线衍射分析。对该回路的旧钢芯、同型号的未投入使用的钢芯和铝导线在3.5%NaCl溶液中进行了开路电位的测试，以饱和甘汞电极为参比电极，研究电极(钢芯或铝导线)用环氧树脂封装，暴露面积为1 cm2，测试仪器为PARSTAT2273电化学工作站。

2 结果与分析

2.1 截面形貌及能谱分析

图3a为钢芯横截面的形貌，图中1和3所指的部位为腐蚀层，2所指部位为Zn-Fe合金层，4所指部位为基体。只有部分表面尚残存Zn-Fe合金层，大部分表面已经裸露出钢基体，腐蚀物中可检测到Cl、S腐蚀性元素。

图3b为最内层铝导线的横截面图像，图中1、2所指为腐蚀物，3为基体。能谱检测腐蚀产物中存在Cl、S元素。腐蚀产物侵入导线基体，为非均匀腐蚀。

图3 钢芯和铝导线的外表面附近的截面形貌

2.2 腐蚀产物的物相分析

图4 为钢芯和铝导线表面腐蚀物的X射线衍射(XRD)图谱。铝导线的腐蚀产物中主要物相为Al(OH)3、Al2O3·3H2O、NaAlCO3(OH)2和Al2O3·H2O等;钢芯腐蚀物中含有Zn(OH)2、ZnO、FeOOH和Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O。钢芯表面腐蚀物中存在少量Fe的腐蚀物。对比铝导线和钢芯的腐蚀产物的XRD图谱，铝导线的腐蚀产物中应含有较大比例的非晶产物。由于含量少，XRD方法未能检测出含S、Cl的腐蚀产物。

图4 钢芯及铝导线表面腐蚀物的X射线衍射图谱

2.3 电化学测试

开路电位的测试结果见图5。铝导线、旧钢芯、新钢芯的腐蚀电位分别是－0.774V、－0.657V和－1.05V，旧钢芯的腐蚀电位高于铝导线。

图5 钢芯和铝导线在3.5%NaCl溶液中的开路电位

3 讨论

3.1 钢芯铝绞线的腐蚀原因分析

达到稳定状态时的开路电位可认为是材料的自腐蚀电位。图5测试结果表明:在3.5%NaCl溶液中新钢芯的腐蚀电位低于铝导线，在铝导线与钢芯形成的腐蚀电偶中充当阳极;而旧钢芯的腐蚀电位高于铝导线，在形成的腐蚀电偶中铝导线则成为阳极。钢芯铝绞线处于海岸线附近潮湿海洋大气环境中，金属表面实际形成的电解液虽然与实验所用的3.5%NaCl不同，但钢芯的腐蚀电位应具有相似的变化趋势，即产生电位正移，电位正移可能与镀锌层腐蚀及表面附着的腐蚀产物有关。当铝导线在腐蚀电偶中充当阳极时，则与钢芯接触的内层铝导线比最外层腐蚀更严重。

普通钢芯铝绞线的钢芯采用中高碳钢并进行热镀锌防护，是因为锌在大气中的腐蚀速度比钢低得多，并能对钢基体提供阴极保护。当腐蚀介质渗入铝导线和钢芯之间时，由于铝导线和镀锌层异种金属接触，形成腐蚀电偶。在钢芯铝绞线服役的初期，镀锌层作为阳极，对钢芯及铝导线提供保护，而在镀锌层破坏后，铝导线成为阳极对钢芯提供保护，从而使铝导线的腐蚀加速。文献［3-8］的研究结果分别与其不同服役阶段的腐蚀机理相一致。

在干燥空气中，锌镀层具有良好的保护作用，但在沿海等潮湿环境中，形成的腐蚀产物疏松，防护作用显著降低，防护寿命缩短。除了潮湿的海洋大气环境外，附近的小型化工企业的排放也可能加速了对钢芯铝绞线的腐蚀。

因此，钢芯表面镀锌层的腐蚀程度是判断整个钢芯铝绞线腐蚀状况及寿命的重要依据:当镀锌层因腐蚀失去对钢芯的保护作用时，铝导线的腐蚀将加速。国外已有对钢芯铝绞线的镀锌层进行在线检测的设备［9，10］，国内也在进行这方面的研究，以加强对输电线路的监督。

3.2 延缓钢芯铝绞线腐蚀的措施

根据对沿海地区钢芯铝绞线腐蚀原因的分析，对延缓其腐蚀，可从三方面着手:(1)防止或延缓腐蚀介质的渗入;(2)防止或减缓异种金属接触产生的电偶腐蚀;(3)选用耐蚀性更好的钢芯防腐蚀镀层。

涂抹防腐油脂可有效地阻止腐蚀介质渗入到铝导线与钢芯之间。本次分析的沿海地区的钢芯铝绞线已经运行了24年。为轻防腐型钢芯铝绞线，即在钢芯表面涂了防腐油脂，不可否认，防腐油脂对于延长绞线的寿命起到了重要作用。正是认识到防腐油脂的作用，国际上从上世纪60年代起，防腐油脂的使用量大大增加，可使钢芯铝绞线的寿命延长约10年［6］。国内某线路采用了S、Z型导线，代替圆形导线进行同心绞，结合涂抹防腐油脂，能有效延缓腐蚀性介质的渗入，起到了较好的防腐蚀效果［1］。

使用铝包钢芯铝绞线是防止异种金属接触形成电偶腐蚀的有效措施［11，12］，但是制造成本较高。也可在钢芯外热浸镀锌基合金代替传统的热浸镀纯锌，提高耐蚀性并仍能提供阴极保护作用，目前较成熟的热浸镀Zn-5%Al-RE合金(Galfan合金)的耐蚀性是热浸镀纯锌的2～3倍，已用于钢芯的腐蚀防护，应进行推广应用并同时研究耐蚀性更好的锌基合金。目前Zn-Al-Mg-RE合金镀层是国内外新型热浸镀合金研究的重要方向，有实验表明，含Mg的热镀Zn层与Al形成的电偶比热镀纯Zn层与Al形成的电偶的腐蚀程度轻［13］，也可减轻由于异种金属接触产生的电偶腐蚀。

4 结论

(1)沿海地区的钢芯铝绞线在服役的后期，由于铝导线与钢芯形成电偶腐蚀，使内层铝导线腐蚀加速。

(2)延缓钢芯铝绞线腐蚀的思路是防止腐蚀介质渗入、消除或减弱异种金属之间的电偶腐蚀、使用耐蚀性更好的钢芯防护层。

［1］黄豪士，江建华，陆国钦，等.超耐腐蚀型导线及其在平潭岛输电线路上的应用［J］.电线电缆，2012(2):1-5.

［2］汪长春，郑文远.220 kV架空导线断股的案例分析［J］.电力安全技术，2005，7(10):25-27.

［3］张建堃，陈国宏，王家庆，等.钢芯铝绞线大气腐蚀产物层的结构及腐蚀机理［J］.中国有色金属学报，2011，21(2):411-417.

［4］陈云翔，林德源.钢芯稀土铝绞线腐蚀行为［J］.电力与电工，2013，33(2):31-35.

［5］宗庆彬，黎学明，杨 萍.钢芯铝绞线的铝线在NaCl溶液中的腐蚀行为［J］.材料保护，2012，45(3):33-36.

［6］Aggarwal R，Johns A，Jayasinghe J，et al.An overview of the condition monitoring of overhead lines［J］.Electric Power Systems Research，2000，53:15-22.

［7］Karabay S， nder FK.An approach for analysis in refurbishment of existing conventional HV–ACSR transmission lines with AAAC［J］.Electric Power Systems Research，2004，72:179-185.

［8］Florea GA，Gal S，Mateescu E，et al.Romanian approach of ACSR overhead line conductor end of life using live line tehniques to get samples for testing［C］//18th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution，CIRED，2005:1-5.

［9］Guntner O，Schmidt L，Varga L，et al.Corrosion detector for assessing the remaining life of old steel reinforced aluminium conductors［C］//International Conference on Electric Power Engineering，IEEE，PowerTech Budapest，1999:102.

［10］Havard D，Bissada M，Fajardo C，et al.Aged ACSR conductors.II.Prediction of remaining life［C］//Transmission and Distribution Conference，Proceedings of the 1991 IEEE Power Engineering Society，IEEE，1991:849-856.

［11］Isozaki M，Adachi K，Hita T，et al.Study of Corrosion Resistance Improvement by Metallic Coating for Overhead Transmission Line Conductor［J］.Electric Engineering in Japan，2008，163(1):41-47.

［12］王延辉，高 飞，宋宝韫，等.铝包钢线的性能特点及其应用分析［J］.电线电缆，2001(5):6-9.

［13］刘秀玉，苗 帅，詹成伟，等.钢芯铝绞线中的电偶腐蚀行为［J］.材料保护，2010，43(7):53-54.