国网安徽省电力公司 陈国宏 季坤 严波 王若民 张涛

　　合肥工业大学 詹马骥 杜晓东

　　1 引言

　　耐张线夹是在高压输电线路中将导线或避雷线固定在非直线杆塔的耐张绝缘子串上，起锚固作用，或用来固定拉线杆塔拉线的架空电力线路金具[1]。耐张线夹通常由电工级铝合金制成，在服役过程中铝合金容易腐蚀，导致导线与线夹压接管内壁接触电阻增大，从而出现温度升高，甚至线夹烧毁的现象，严重影响电力输电效率和输电安全。耐张线夹的腐蚀过程与其运行环境密切相关，不同环境下的腐蚀速率各不相同，使用寿命也长短不一。因此，耐张线夹的腐蚀速率及影响因素进行研究就显得尤为重要。

　　国内外对铝及铝合金的腐蚀行为进行了大量的研究[2-7]，这些材料的腐蚀与其服役环境紧密相关。宗庆彬等对钢芯铝绞线在不同浓度NaCl溶液中进行了腐蚀试验，从电化学以及动力学方面分析了NaCl溶液浓度对腐蚀速率的影响[8]；郑锦荣等分析了输电导线的腐蚀因素，发现CI-是导致铝线加速腐蚀的主要因素，其腐蚀产物主要由AI（OH），AIOC1及含C-O-C键油脂组成[9]。由于长期服役后的耐张线夹与导线连接处的接触电阻较大，且可能存在的压接断股、压接不紧密等缺陷导致腐蚀介质更易进入线夹结构内部，因此较运行时间短的耐张线夹更易发生腐蚀失效。基于此，本文采用加速腐蚀方法以及电化学试验方法研究了耐张线夹在NaCl溶液中的腐蚀速率及腐蚀影响因素，以评估耐张线夹运行状态，预测其剩余寿命。

　　2 试样制备与试验方法

　　试验材料为JY-120/20型压接管和LGJ-120/20型钢芯铝绞线（ACRS），主要参数分别见表1和表2；压接管与铝绞线中导线材料均为铝合金，其化学成分（质量分数/%）为99.70Al，0.10Si，0.20Fe，0.01Cu，0.02Mg，0.03Zn，0.03Ga。铝绞线中铝导线由26根 Φ2.38mm铝合金线组成，钢芯由7根 Φ1.85mm钢线组成，总的截面积为134.49mm²。

　　截取两根长度为70cm的钢芯铝绞线，用无水乙醇、丙酮脱脂，蒸馏水冲洗，晾干。按照SDJ226-1987，用DBD750型超高压电动压力泵将晾干后的铝绞线与压接管压接成耐张线夹试样，压力为35MPa，压接管内部两导线间距10cm，如图1所示。

　　根据GB/T19746-2005，采用干湿交替周浸法进行加速腐蚀试验，腐蚀溶液为5%（质量分数，下同）NaCl溶液，pH分别为6.0，6.5，7.0，温度分别为（25±2）℃，（35±2）℃，（45±2）℃。将试样在腐蚀溶液中浸泡24h，再在空气中静置24h晾干，以此为一个干湿交替腐蚀周期，腐蚀时间只计浸泡时间。在耐张线夹试样上截取尺寸为10mm×10mm×3mm的试样进行电化学试验，电极工作面为10mm×10mm平面，将该面依次用600#，800#，1000#水磨砂纸打磨，清洗后将其他各面用环氧树脂封装。采用CHI660D型电化学工作站测其Tafel曲线以及交流阻抗（EIS）谱，参比电极为甘汞电极，辅助电极为铂电极，腐蚀介质为5%NaCl溶液，pH 分别为6.0，6.5，7.0，试验温度分别为25，35，45℃，由HH-2型电热数显恒温水浴锅控制。由电阻计算公式可知，导体的电阻与其长度成正比，与其有效接触面积成反比。线夹的腐蚀程度越大，则因腐蚀产物的堆积导致的有效接触面积越小，电阻越大。作者采用电阻增长率来表征耐张线夹的腐蚀程度，计算公式如式（1）所示。

　　采用QJ36A型智能直流电阻测试仪测试样腐蚀前及不同时间腐蚀后的电阻，测试温度为20℃，并通过Matlab对线夹电阻增长率与腐蚀时间进行拟合。用DK7720型线切割机对腐蚀后的试样进行解剖，采用JSM-6490LV型扫描电子显微镜（SEM）观察线夹压接管内表面的腐蚀形貌，并用INCA能谱仪（EDS）分析其化学成分。

　　3 试验结果与讨论

　　3.1 电阻增长率

　　3.1.1 腐蚀液pH对电阻增长率的影响

　　pH为6.5的腐蚀条件与耐张线夹的服役环境接近。由图2可以看出，随着腐蚀时间的延长，线夹电阻总体呈现上升趋势。在0d～20d，线夹电阻增长率的增大速率较快，即腐蚀速率较快；当腐蚀时间超过20d后，电阻增长率的增大速率略有降低，即腐蚀速率有所减缓。这是因为在腐蚀初期，线夹表面腐蚀产物较少，腐蚀液能很好地与线夹基体相接触。

　　随着腐蚀时间的延长，腐蚀产物越来越多，堆积越来越密集，腐蚀液变得越来越难与线夹基体接触，因此线夹电阻增长速率减缓，腐蚀速率降低。在电阻增长率-腐蚀时间曲线的局部区域出现了电阻增长率变化的次级趋势，在20d～25d时线夹的电阻增长率明显小于25d～30d时的。这可能是由于线夹的腐蚀产物并非一次性生成，而是呈层片状生长。在空气中静置晾干时线夹表面的局部腐蚀产物可能因干燥脱水而脱落，当再次浸入腐蚀液时，脱落后的表面重新接触到腐蚀溶液，电阻增长率又会有所提升，从而出现了这种次级波动。在pH为6.5的腐蚀溶液中腐蚀40d后线夹的电阻增长率（腐蚀程度）约为pH为7.0溶液中的1.5倍，pH为6.0溶液中的则约为pH为7.0溶液中的两倍，表明H+含量在一定程度上加速了线夹腐蚀。

　　根据图2，线夹电阻增长率与腐蚀时间基本符合幂函数关系。

　　表3为图2各曲线的相应拟合系数及方差系数。可知，随着pH的增大， 、 值均减小，说明线夹的腐蚀程度降低，腐蚀减缓趋势增大。

　　3.1.2 温度对电阻增长率的影响

　　由图3和表4可以看出，随着温度升高，电阻增长率增大， a和 b均增大，表明腐蚀程度加深，腐蚀减缓趋势降低。

　　3.2 腐蚀速率

　　3.2.1 pH对线夹腐蚀速率的影响

　　由图4（a）可以看出，随着腐蚀溶液pH的降低，线夹的自腐蚀电位负向移动，说明线夹的腐蚀倾向变大，同等条件下的腐蚀速率变大。H+主要从两个方面影响线夹的腐蚀速

　　率[11]，一方面H+和电极表面的氧进行吸附竞争，取代吸附氧使得钝化膜钝态被破坏，促进铝基体溶解，从而加快电极反应的进行；另一方面，H+含量的增加会造成线夹表面氧化物的溶解，使其表面不能形成有效的保护膜，从而加快铝基体的腐蚀速率。由图4（b）可知，耐张线夹在不同pH的腐蚀溶液中都存在一个容抗弧，随着pH的降低，其容抗弧半径减小。EIS谱中的容抗弧反映的是电极表面氧化膜阻碍反应进行的能力，容抗弧半径越大，说明氧化膜越完整，对腐蚀反应的阻碍越大[12]。随着溶液中H+含量的增加，线夹基体表面氧化膜遭到的破坏程度增强，氧化膜对反应的阻碍作用减弱，最终导致线夹腐蚀速率提高，在其EIS谱中即表现为容抗弧半径减小。这些分析结果与Tafel曲线以及3.1.1节分析结果一致。

　　中H+含量的增加，线夹基体表面氧化膜遭到的破坏程度增强，氧化膜对反应的阻碍作用减弱，最终导致线夹腐蚀速率提高，在其EIS谱中即表现为容抗弧半径减小。这些分析结果与TaFel曲线以及2.1.1节分析结果一致。

　　3.2.2 温度对线夹腐蚀速率的影响

　　由图5可知，在pH为6.5的腐蚀溶液中，随着温度的升高，线夹的自腐蚀电位负向移动，其腐蚀趋势增大；容抗弧半径减小，腐蚀速率增大。通常温度的升高会加速反应过程，同时也会加快溶液的对流与扩散，降低电解液电阻，从而导致线夹腐蚀速率增大。此外，随着温度的升高，溶液的水解程度增大，H+含量增多，而氧分子的扩散速率增大，溶解度降低，导致线夹腐蚀速率增大。

　　3.3 腐蚀形貌

　　由图6可以看出，腐蚀5d的试样剖面整体较为光洁，内部导线光泽度较好；腐蚀10d的试样剖面粗糙度增大，内部导线端部呈灰色，但内部导线仍然较光洁；腐蚀20d的试样剖面粗糙度进一步增大，导线灰色区域扩大，内部钢芯表面出现少量褐色锈迹；腐蚀40d后线夹剖面已经暗淡无光，其内部导线完全被灰色氧化层覆盖，锈迹也明显增多。

　　由图7可以看出，腐蚀5d后，线夹压接管内表面可以看到零星的腐蚀产物，腐蚀产物呈团簇状分布，这是由于压接管内表面会存在一些凹坑、凸起或者杂质，这些位置处的表面能通常较高，腐蚀会优先在这些位置发生；腐蚀10d后，压接管内表面基本被腐蚀产物覆盖，但是腐蚀层较单薄；腐蚀20d后，压接管内表面仍然存在一层较为单薄的腐蚀层，但致密性能要大于腐蚀10d腐蚀层的，在这个腐蚀层上方还存在着一层较为厚实的腐蚀层，但出现了局部脱落现象；腐蚀40d后，压接管内表面已经完全被腐蚀产物覆盖，这些腐蚀产物并非一次形成，而是多次腐蚀后逐渐堆叠而成。由此可以推测，在腐蚀过程中，由于线夹压接管内表面存在腐蚀液，内表面完好区域与缺陷区域之间存在电位差，腐蚀产物优先在缺陷处生成，并逐渐向其它区域生长；当线夹在空气中晾干时，压接管内表面的腐蚀层因干燥脱水而产生微裂纹，当裂纹扩展到一定阶段后腐蚀层局部发生脱落，腐蚀产物脱落处在重新接触到腐蚀溶液后又会重复发生上述过程。而未脱落的腐蚀层覆盖区域因干燥脱水产生微裂纹，再次浸入腐蚀液中时，腐蚀液渗入腐蚀层与铝基体接触，导致腐蚀进一步发生；新腐蚀层的生长也会引起旧腐蚀层的局部脱落，最终在线夹压接管内表面形成层片状杂乱堆积的腐蚀形貌。

　　从图8可以清楚看出，线夹压接管内表面的腐蚀产物呈层状杂乱分布，腐蚀层内部存在微裂纹，且腐蚀层发生局部脱落；位置1处的腐蚀层主要有铝和氧元素，其原子比约为3:2，大于AI2O3的2:3，这是由于高能入射电子有一定穿透深度，穿过Al2O3层打到铝基体表面而造成的。由于能谱仪高能电子最大穿透深度约为500Nm，因此压接管内表面形成的腐蚀层厚度小于500Nm[13]。线扫描结果显示腐蚀产物脱落区的氧含量低于未脱落区的，说明在脱落区仍然有较薄的新生氧化层存在，在已脱落区域与未脱落区域的元素含量并不会发生阶梯型的突变，而是有一个渐变过程，表明在此处存在一个过渡区域。

　　4 结论

　　（1）在干湿交替腐蚀试验中，随着腐蚀时间的延长，耐张线夹的电阻总体呈增大趋势，但电阻增长率的增大速率随着时间的延长有所降低，其间由于腐蚀产物的形成与脱落，线夹电阻增长率在增大过程中出现次级波动形态。

　　（2）腐蚀优先发生在线夹压接管内表面缺陷处，逐渐向无缺陷区域发展，在线夹处于干燥阶段时，腐蚀产物会因为脱水产生微裂纹，微裂纹的扩展导致腐蚀产物脱落，腐蚀产物脱落的区域随后又会与腐蚀液接触而腐蚀，导致腐蚀产物向内部生长。

　　（3）耐张线夹的腐蚀速率随着腐蚀液pH的降低或温度升高而增大。

　　参考文献

　　[1] 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（s2）:11-14.

　　[2] 张建台达第三代无功补偿装置SVG的推广价值(图)"