架空輸電導線的腐蝕分析與防護（電力）
架空輸電導線的腐蝕分析與防護（電力）
祝志祥1，2陳保1，2，張強1，2，韓鈺1，2，楊長龍3，王紅梅4，張玉燕5
（1．先進輸電技術國家重點實驗室，北京 102211；2．全球能源互聯網研究院電工新材料研究所，北京 102211;3．國網遼寧省電力有限公司，遼寧沈陽 110004;4．維世佳沈陽電纜有限公司，遼寧沈陽 110142;5．沈陽天擁電控設備制造有限公司，遼寧沈陽 110026）
摘要：為研究架空輸電導線的腐蝕行為及防護技術，介紹了架空導線的腐蝕原理、形成原因及腐蝕形式，概述了國內外架空導線主要防腐技術手段及其性能特點、防腐材料開發(fā)應用及標準化建設發(fā)展現狀。結合中國的電網發(fā)展與建設要求，指出了架空導線防腐技術的主要發(fā)展方向，并且對新型高性能防腐油脂材料及產品的制備工藝和應用發(fā)展趨勢進行了展望。
關鍵詞：架空導線；大氣腐蝕；防護；應用
中圖分類號：TM244.2 DOI: 10.11930/j.issn．1004-9649.2016.05.008.06
0引言
目前國內外架空導線仍以鋼芯鋁絞線(aluminum conductor steel reinforc:ed, ACSR)為主。
在高濕、酸雨等重腐蝕環(huán)境地區(qū)，大氣環(huán)境腐蝕是造成架空導線早期失效的主要形式之一�？諝庵写嬖诘母邼舛塞}分、酸性氣體、粉塵等對鋁線和鋼芯線易造成侵蝕，降低導線的整體抗拉力，同時造成導線有效輸電截面一定程度的降低，嚴重時甚至出現鋁線、鋼芯的斷股、斷線現象而被迫停電檢修更換。據電力運行部門資料統(tǒng)計，長期運行在重腐蝕環(huán)境下的導線實際使用壽命會降低到10年甚至5年以下，對輸電線路的安全運行提出了嚴重挑戰(zhàn)。
架空導線的環(huán)境腐蝕行為和防護技術既是當前架空輸電技術的研究熱點，也是亟須解決的關鍵技術問題之一。鋼芯線作為導線的主要承重部分．其腐蝕是鋼芯鋁絞線失效的重要原因。對于我國沿海、酸雨區(qū)、重污染工業(yè)區(qū)等重腐蝕環(huán)境地區(qū)．采用熱浸鍍鋅層鋼芯線的傳統(tǒng)防腐手段已越來越無法滿足架空導線腐蝕防護的要求。為了提高現役架空導線的耐蝕性、延長導線產品的服役壽命，迫切需要對現用防腐技術進行升級和優(yōu)化．研發(fā)出新型耐蝕防護材料及導線產品，降低輸電線路的腐蝕防護運維成本，保障電網的安全可靠運行。
1 架空導線的腐蝕形式及原因分析
架空導線在服役過程中，會發(fā)生不同程度的腐蝕。產生的原因主要有化學腐蝕、電化學腐蝕和間隙腐蝕3種。
1.1 化學腐蝕
化學腐蝕是指導線金屬與大氣中的氧等氣體直接反應作用發(fā)生的腐蝕。對于鋼芯鋁絞線，作為導體部分的鋁絞線與氧反應后表面生成一層連續(xù)、致密的氧化膜，該膜不溶于水，除強酸、強堿外，在pH為4~9的水溶液中一般都可穩(wěn)定存在．對鋁線表面的腐蝕可起到一定的鈍化保護作用。作為承重部分的鍍鋅鋼芯線，其與氧反應后生成的鋅、鐵的氧化物結構較疏松，易脫落，并繼續(xù)不斷地向內部滲入、擴散，使材料破壞失效。大氣中的其他有害氣體或離子，如C1-、CO32-、游離的堿或硫酸等，容易與金屬或其他氧化物發(fā)生化學反應，使金屬加速腐蝕。例如，大氣腐蝕介質中的Cl-易吸附在鋁股線氧化膜的表面，并與氧化膜發(fā)生反應導致其局部變薄直至被穿透，進而對鋁線造成腐蝕。
1.2電化學腐蝕
電化學腐蝕是指金屬材料在電解質中通過表面產生的原電池作用而發(fā)生的腐蝕。由2種不同電極電位的金屬和電解質組成原電池后，電極電位負值越大的金屬越易受到腐蝕。2種金屬的電極電位差越大．電化學的腐蝕就越強烈，且溫度越高，濕度越大，金屬的腐蝕一般也越嚴重。在沿�；蚝u地區(qū)服役的鋼芯銷絞線，南于含有鹽分的濕空氣或水珠會在線股間存留成為電解液薄膜，且鹽水中金屬的自然電極電位按Zri、Al、Fe次序排列，首先發(fā)生鋅和內層鋁間的電化學腐蝕．待腐蝕電偶巾充當陽極的鋅層腐蝕露出鋼線時．鋁和鋼問進一步形成微電池而腐蝕鋁導線。即在鋼芯鋁絞線服役初期，鍍鋅層作為陽極對鋼芯及鋁導線提供保護．而在鍍鋅層破壞后鋁導線成為陽極，使銷導線腐蝕加速。實際上，鍍鋅層在干燥空氣中具有良好的保護作用，但在沿海等潮濕的海洋大氣環(huán)境巾，其腐蝕防護作用降低明顯。
此外．架空線路附近的化工企業(yè)的污染排放也可能加速鋼芯銷絞線的腐蝕。工業(yè)區(qū)排放的煤粉、灰塵、金屬粉末等易在導線表面附著，同時因吸附了空氣中的酸性氣體和水分而形成電解質溶液，形成局部微電池或濃差電池導致外層導線的針孔狀腐蝕。
1.3間隙腐蝕
間隙腐蝕是指大氣中存在的腐蝕性氣氛和雨水等的電介質通過導線單線間的縫隙進入導線內部引起的腐蝕，它本質上仍屬于化學腐蝕、電化學腐蝕的范疇。
對于常用的鋼芯鋁絞線，其自身絞制復合結構特征使其大氣腐蝕不同于一般金屬材料。內層鋁絞線受到外層鋁絞線的遮擋，雨水對其材料表面的沖刷得以減輕，腐蝕產物不斷沉積，液膜存在時間延長從而增加了電化學腐蝕時間：導線的鋁股與銷股接觸形成縫隙，會造成間隙腐蝕：而鋁股與鋼芯接觸時，由于電位不同會形成異種金屬間的電偶腐蝕。一般而言，鋼芯鋁絞線的腐蝕行為主要是氧化膜的局部孔蝕和線股間的電化學腐蝕等共同作用的結果。在腐蝕初期，內外層鋁股線及鋼芯線表面鍍鋅層首先形成局部點蝕，然后腐蝕向四周和深度方向擴展形成連續(xù)的腐蝕層。鋼芯鋁絞線的腐蝕產物組成復雜多樣，主要包括Zn及Al的氫氧化物、硫酸鹽以及氯化物的復式鹽等。通過實地調研發(fā)現，在湖南、四川等潮濕、酸雨多發(fā)地區(qū)，均出現過庫存的鋼芯鋁絞線被嚴重腐蝕的情況，鍋股線中出現大量的白色結晶體腐蝕產物，內層鋼芯線的鍍鋅層也出現了一定程度的腐蝕破壞（見圖1）。圖2給出了白色結晶體的EDS能譜分析結果，可以看出晶體組成元素為Al、O、Cl和少量的Zn元素。相應的X
射線熒光光譜分析結果顯示，白色晶體主要組成元素（質量分數__T同）為o(52.368 9%)、Al( 23.9697%)、Cl( 22.4574%)，同時含有少量的Zn (1.0830%)、Si (0.054 0%)、Fe (0.0531%)、Br( 0.0079%)、Ca( 0.0060%)等其他元素。
架空導線周圍的腐蝕氣氛、濕度、溫度、風速等服役環(huán)境均會影響導線的腐蝕程度和壽命，、在眾多環(huán)境因素中，濕度與大氣成分是2個比較關鍵的因素。表面含1 mg/LCl-的LY12鋁合金，在相對濕度<70%的大氣環(huán)境巾幾乎不發(fā)生腐蝕，相對濕度>70%時發(fā)生明顯點蝕。大氣腐蝕環(huán)境中，SO，被普遍認為是較嚴重的腐蝕性氣體之一，能加劇多數金屬的腐蝕行
為。架空導線的腐蝕除與環(huán)境特征有關外，還與導線的服役狀態(tài)特性密切相關，如導線運行溫度、張力、線間微動磨損、強電磁場等。架空導線在服役狀態(tài)下處于拉應力狀態(tài)，同時受到舞動和風振的影響應力會發(fā)生變化。導線所受應力與大氣腐蝕、運行溫度等發(fā)生協(xié)同作用會加速導線的腐蝕損傷．且應力作用下導線的腐蝕斷裂可能是瞬間發(fā)生的．隱蔽性很強．加大了巡檢工作的難度。與此同時，導線運行過程中風致舞動、振動導致導線內部鋁股線間產生微幅滑移和交變應力，由此產生的微動磨損、疲勞與大氣腐蝕的疊加效應（微動腐蝕）將進一步加劇導線的損傷。微動腐蝕鋁股線的斷裂起始于磨損斑下的疲勞裂紋．磨損面下的裂紋借助于電化學反應促進了鋁股線的微動腐蝕，形成的腐蝕坑、孔洞及其擴展成為鋼芯鋁絞線在大氣腐蝕條件下微動損傷及失效的主要原因。此外，在強電場、雷擊等電磁場環(huán)境下，架空地線（導線）外層容易受到雷擊強電流作用產生燒蝕，影響其耐蝕性能，但其機理尚待進一步研究。
鋼芯鋁絞線大多仍采用熱浸鍍純鋅層進行腐蝕防護，在沿海、重工業(yè)污染等強腐蝕環(huán)境地區(qū)，一般4~8年后發(fā)生明顯銹蝕，使用壽命不足10年．遠不能滿足輸電線路的安全服役壽命要求。
2架空導線防腐技術發(fā)展及應用
延緩鋼芯鋁絞線腐蝕的思路主要從選用耐蝕性能更好的鋼芯防腐鍍層、消除或減緩異種金屬間的電偶腐蝕以及阻止腐蝕介質的滲入等角度考慮。具體包括采用新型合金鍍層、采用鋁包鋼芯線、涂覆防腐油脂等防腐技術方法。
2.1 新型合金鍍層防腐技術
鋼芯表面鍍鋅層的腐蝕程度是判斷整個鋼芯鋁絞線腐蝕狀況及壽命的重要依據，當鍍鋅層因腐蝕失去對鋼芯的保護作用時，鋁導線的腐蝕將加速。為了延長鋼芯鋁絞線的使用壽命，近30年來國內外開展了大量鋼芯用新型耐蝕合金鍍層的研究，現已投入商用的主要有Galfan(2n-5%AIRE)和Galvalmume（Zn -550/0 Al-1.6Si）熱浸鍍鋅鋁合金鍍層。Galfan合金鍍層在工業(yè)污染和海洋環(huán)境中耐蝕性為純鋅鍍層的2～3倍。Galvalmume合金鍍層的附著性較好，腐蝕產物多為非晶型，在品間填滿非晶鋁合金化合物和非晶態(tài)合金混合物．耐蝕性能明顯提高。Galfan合金鍍層鋼絲在日本現已基本成為鍍鋅鋼絲的升級換代產品，歐美等發(fā)達國家也已大量生產應用。Zn-10%Al-RE合金鍍層是南日本開發(fā)的新一代高耐蝕鍍層材料，其耐蝕性為純鋅鍍層的5～10倍，在國內售價約為普通鍍鋅鋼絲的2倍。Zn-10%Al-RE合金鍍層制備工藝復雜，設備要求高，國內目前僅有少數企業(yè)具備生產能力。隨著國家近年來關于大氣環(huán)境保護及節(jié)能減排要求的愈發(fā)嚴格，鋅及鋅合金熱浸鍍層的生產和使用將受到越來越嚴格的控制，其規(guī)�；瘧帽貙⑹艿綐O大的限制和影響。
2.2鋁包鋼防腐技術
鋁包鋼芯是一種高效的復合材料，即在高溫高壓條件下將電工鋁連續(xù)擠壓包覆在高強度鋼絲上，使鋁鋼間形成約8
m厚的鋁鋼結合滲透層，包覆鋁層后的鋼絲再經雙金屬同步變形機的多次拉拔使鋼鋁間形成良好的冶金結合。
按照導電率劃分，鋁包鋼芯線型號主要有LB14、LB20、LB23、LB27、LB30、LB35幣口LB40等級，對應的導電率分別為14%、20.3%、23%、27%、30%、35%和40%IACS（IACS為國際退火銅標準）。常規(guī)鍍鋅鋼線的導電率僅約9%IACS，因此鋁包鋼芯鋁絞線比鋼芯鋁絞線導電率提高了5%~8%．電力損耗降低4%～60%。對于鋁包鋼芯鋁絞線，由于鋁包鋼芯線中鋁鋼問存在著良好的冶金結合，絞線中各單絲間均為鋁接觸，不存在原電池效應，可有效減緩導線的腐蝕速度。日立公司在日本海岸為期5年的對比實驗表明：鋁包鋼芯比鍍鋅鋼芯、稀土鋅鋁合金鍍層鋼芯的耐腐蝕能力分別提高11倍和5.5倍。在沿海地區(qū)，受海洋性氣氛腐蝕較大，傳統(tǒng)鍍鋅鋼芯鋁絞線的安全服役壽命一般不會超過15年，而鋁包鋼芯鋁（鋁合金）絞線的使用壽命一般可達30年。
鋁包鋼芯鋁絞線自身防腐性能好，使用壽命比鋼芯鋁絞線提高1倍左右，但生產工藝比較復雜．價格較常規(guī)鋼芯線增加約60%（常規(guī)鋼芯線大約6 000元／t．鋁包鋼芯線大約9 500元／t），一定程度上限制了鋁包鋼芯鋁絞線在架空輸電線路上的大規(guī)模應用，曰前主要應用于沿海、火山區(qū)、鹽霧氣氛區(qū)及含有SO2、CO2等工業(yè)大氣污染較嚴重地區(qū)的架空輸電線路。
2.3 油脂材料防腐技術
防腐油脂是在擁有普通潤滑油性質基礎上，通過使被涂覆基體材料與腐蝕介質隔離提高其防銹、耐腐蝕能力的一類油脂。按防腐油脂涂覆方式可分為輕防腐、中防腐和重防腐導線3種。輕防腐是指油脂涂于鋼芯與鋁層間，重點是保護鋼芯：中防腐是除導線最外層表面外，各層間均涂有防腐油脂；重防腐則是在導線各層包括最外層都涂覆油脂。圖3給出了涂有油脂的防腐型鋼芯鋁絞線的截面形貌。輕、中、重型防腐導線的防腐油脂均是在導線絞制時涂敷，主要是由于多層絞合的導線在施工現場不易將油脂涂進內層。
圖4給出了導線經氯化氫氣體暴露試驗后的表面和截面形貌，實驗條件為：pH值<0.1(6 mol/L)，150Cx6 h～40 0Cx6 h熱循環(huán)，試驗時間160天。由圖4可以看出，與普通鋼芯鋁絞線相比，涂有防腐油脂導線耐酸性氣體腐蝕能力顯著提升。
國際上從20世紀60年代起開始大量使用防腐油脂，可使普通鋼芯鋁絞線壽命延長約10年。日本開發(fā)的基礎油為液態(tài)聚合物、增稠劑為耐酸膠的復合樹脂填充型油脂具有優(yōu)良的耐蝕性能，較基礎油為礦物油、增稠劑為金屬皂的普通防腐油脂使用壽命提高近1倍。表1給出了實驗室對國外進口防腐油脂與國產防腐油脂性能的測試結果，可以看出．涂覆防腐油脂可以顯著提升鋼芯鋁絞線的耐蝕能力．且進口防腐油脂具有比國產防腐油脂更好的抗鹽霧、抗強酸性環(huán)境腐蝕的能力。
在中國沿海、海島等腐蝕嚴重的地區(qū)，基于防腐油脂的防腐型導線已有應用實例。但國內目前尚無專門的導線防腐油脂標準，主要采用封存油脂、鋼絲繩油脂等替代架空導線防腐油脂，產品常溫運行經日曬、雨淋后易出現滲出、結塊、滴漏現象。通過實驗室對國內多家廠商提供的防腐油脂進行檢測，試驗結果和廠家提供的標準性能參數相差較大，僅滴點一項檢驗結果合格率不足40%�，F有國產防腐油脂價格10～80元/kg不等，但其滴點、熱老化、吸水率、水溶物、耐鹽霧性能、粘性、耐寒性等關鍵性能指標與國外產品差距較大．綜合性能無法保證，導致高端防腐油脂產品主要依賴進口，價格昂貴（100～200元/kg）。針對復雜的服役工況和高防腐等級要求，亟須自主開發(fā)架空導線用高性能、低成本防腐油脂材料及產品，、實驗室根據分子結構和分子化學理論開展成分設計，利用復配技術制備多環(huán)分子鏈基礎油．通過控制合成時間、溫度及壓力，調整基礎油分子量及反應完全度等工藝參數優(yōu)化油脂的性能，目前相關研究工作正在開展中。
除上述幾種措施外，全鋁合金絞線因不存在接觸腐蝕．同時可降低線路損耗，減少對鄰近通信線路的影響，可在污穢嚴重地區(qū)的架空輸電線路上設計選用。表2給出了幾種典型導線防腐技術的對比情況。一般而言，架空導線發(fā)生大氣腐蝕的程度按沿海工業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、沿海地區(qū)、一般地區(qū)（鄉(xiāng)村或大氣腐蝕輕微地區(qū)）逐步減輕。由表2可以看出．為了減輕或延緩導線腐蝕失效，應根據不同服役環(huán)境選用合適防腐技術。對于腐蝕特別嚴重的地區(qū)，可考慮采用多重防護手段，如在新型鋅鋁合金鍍層鋼芯鋁絞線或鋁包鋼芯鋁絞線上涂覆防腐油脂，并通過導線結構設計減小單線間的間隙．以綜合提升架空導線耐化學腐蝕、電化學腐蝕和間隙腐蝕的能力。
3架空導線防腐材料標準化
目前國內外關于防腐導線并沒有統(tǒng)一的對應標準，只是對具體的防腐材料及防護丁-藝進行了規(guī)定。對于防腐鍍層，傳統(tǒng)純鋅鍍層主要依據GB/T 3428-2012《架空絞線用鍍鋅鋼線》(等同IEC 60888：1987)對其單位面積純鋅鍍層的質量進行規(guī)定。新型鋅-5%鋁一稀土合金鍍層主要依據GB/T 20492-2006《鋅-5%鋁一混合稀土合金鍍層鋼絲、鋼絞線》（部分修改采用美國材料與試驗協(xié)會標準ASTM B 802M: 2002、ASTM B 803: 2002、ASTM A 855M:1998、As'rM A 925: 1998)Xt熱鍍：用合金錠化學成分、一步鍍法和兩步鍍法中合金鍍槽內熔體中的鋁含量以及最終合金鍍層中的鋁含量進行規(guī)定，同時對合金鍍層的重量、附著性和表面質量進行了規(guī)定。關于最新開發(fā)的鋅-10%鋁一稀土合金鍍層的國內外標準目前尚處于編制過程中。
鋁包鋼芯鋁絞線中耐蝕性能優(yōu)良的鋁包鋼線主要是參照GB/T 17937-2009《電工用鋁包鋼線》（等同IEC 61232：1993）對鋁包鋼芯線最小鋁層厚度、電阻率、力學性能（抗拉強度、伸長率、扭轉試驗、1%伸長時應力）等進行了規(guī)定。
架空導線用防腐油脂產品檢測評價的主要依據是IEC 61394、BS EN 50326，但標準中僅規(guī)定了防腐油脂相關性能的檢測項目和試驗方法；澳大利亞標準AS 3607中僅規(guī)定了油脂的滴點不高于120 0C,尚缺乏對防腐油脂具體性能指標的全面規(guī)定。國內目前尚無針對架空導線用防腐油脂材料及產品要求的技術標準，主要依據是常規(guī)鋼筋用防腐潤滑脂、鋼絲繩用油脂等建工、石化的行業(yè)標準，導致國內架空導線用防腐油脂的市場混亂，使用壽命和防腐效果無法保證。因此，亟待加強架空導線用防腐油脂產品性能檢測及考核指標的系統(tǒng)研究，編制架空導線用防腐油脂要求的國家標準，統(tǒng)一規(guī)范其生產和使用。
4結語
采取經濟有效的防腐技術是保證架空導線服役壽命的重要環(huán)節(jié)。當前，隨著國家對環(huán)保、節(jié)能減排要求的愈發(fā)嚴格，熱浸鍍純鋅、鋅合金鍍層的生產和使用將受到一定程度的影響，采用鋁包鋼芯線、涂覆環(huán)保防腐油脂等架空導線用防腐手段將逐漸受到重視。但如何降低鍋包鋼芯的生產使用成本以及自主開發(fā)出低成本、高性能的國產環(huán)保防腐油脂產品將是亟待解決的問題。為此，需要對架空導線用新型防腐材料及防護工藝技術開展深入的研究，促進高端防腐材料及產品的國產化研發(fā)與應用，并通過相關標準體系的建設和完善．規(guī)范產品的生產和質量，從而滿足架空導線在惡劣服役環(huán)境條件下安全可靠運行的要求。
