架空输电用电工铝线腐蚀行为与机制研究

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我国沿海地区经济快速发展,对电力需求与日俱增。然而,我国东部地区电力资源相对匮乏,西部地区电力资源比较丰富。因此,需要大规模建设长距离架空输电线路解决电力生产和消费空间分布不均衡的问题。架空导线是长距离架空输电的主要载体,工业纯铝线和Al-Mg-Si合金线被广泛用于制备架空导线。在我国东部沿海地区,由于长期在高湿、高盐环境中服役,架空导线非常容易发生腐蚀失效,例如钢芯铝绞线和铝合金绞线经常因点蚀和载荷复合作用引起断股,进而影响电力传输甚至导致电力传输中断。因此,架空导线用工业纯铝线和Al-Mg-Si合金线的腐蚀是一个影响其服役安全可靠性的重要科学问题。本论文以架空输电常用的工业纯铝线和Al-Mg-Si合金线为研究对象,采用浸泡腐蚀实验和电化学实验相结合的方法研究不同拉拔变形量工业纯铝线和AlMg-Si合金线的腐蚀行为。基于对工业纯铝线和Al-Mg-Si合金线的微观组织结构以及腐蚀形貌进行表征,分析工业纯铝线和铝合金线的腐蚀行为与微观组织结构之间的关系,揭示工业纯铝线和Al-Mg-Si合金线的腐蚀机理。在工业上,主要采用冷拉拔工艺制备工业纯铝线。微观组织结构表征结果表明:随着拉拔变形量的增加,径向晶粒尺寸减小,轴向晶粒尺寸增加,杂质元素主要偏聚在晶界处。腐蚀速率测试结果表明:随着拉拔变形量的增加,工业纯铝线腐蚀速率增加。因此,本论文提出了晶粒内部-晶界微电偶腐蚀模型(I-B模型)。在腐蚀介质中,工业纯铝线的晶界区为阴极,晶粒内部区为阳极,二者形成腐蚀微电偶,由于晶界区作为阴极被保护,进而加速了晶粒内部的腐蚀。所以,点蚀主要在工业纯铝线表面晶粒的中心萌生,由于微电偶作用,晶界区腐蚀速率慢,因而点蚀坑更倾向于沿轴向晶粒长度方向长大。变形量是影响工业纯铝线腐蚀行为的重要因素之一,随着拉拔变形量增加,晶粒尺寸的改变导致晶粒内部和晶界之间的电荷转移距离减小,进一步加剧点蚀的萌生和长大。因此,晶界在工业纯铝线的腐蚀过程中起着双重作用,借助微电偶作用促进点蚀萌生,当点蚀坑的前沿长大到晶界附近时,它作为微电偶的阴极阻碍点蚀的长大。因为铝合金线含有较多的合金元素,所以它的微观组织与工业纯铝线有显著差异。本论文对不同变形量的Al-Mg-Si合金线进行浸泡腐蚀和电化学测试分析。结果表明:较大的块状析出相是影响Al-Mg-Si合金线腐蚀行为的重要因素,Al-Mg-Si合金线主要发生点蚀,点蚀倾向于在粗大块状相处萌生。随着Al-MgSi合金线拉拔变形量的增加,腐蚀速率先增加后减小。在变形前期,位错密度随变形量增加而增加,从而提高了Al-Mg-Si合金线的活化能,加速了Al-Mg-Si合金线的腐蚀;在变形后期,较大的块状析出相发生机械破碎,形成尺寸较小的块状析出相,腐蚀速率下降。在腐蚀过程中,Al-Mg-Si合金线中的Al-Fe-Si相和富Si相通常作为阴极,基体α相作为阳极,形成腐蚀微电偶。首先,腐蚀在AlFe-Si相和富Si相与基体α相界面开始萌生。随着腐蚀进一步发展,阴极相AlFe-Si相和富Si相逐渐脱落,形成点蚀坑。析出相脱落后,腐蚀进入小孔腐蚀发展阶段,蚀坑内的基体α相处于活性状态,借助于“闭塞腐蚀电池”的作用下促使点蚀坑中局部阳极溶解,点蚀坑逐渐长大。腐蚀失效是我国沿海地区架空输电导线的主要失效形式。本论文通过对架空导线用工业纯铝线和Al-Mg-Si合金线腐蚀行为研究,揭示了不同变形量工业纯铝线和Al-Mg-Si合金线的腐蚀机理,特别是建立了钢芯铝绞线用的工业纯铝线的I-B模型,这对于未来开展架空导线腐蚀防护研究具有重要的指导意义。
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