随着我国的经济飞速发展,电力的需求与日俱增,更大输电容量和更长输电距离的需求不断增加。目前220 kV及以上交直流输电线长度已超过30万公里,35 kV及以上输电线长度达200万公里。安全可靠的电力供应关系到国计民生的各个方面,电力输送网络承担着全国电力传输的任务,其中输电导线的安全可靠运行对于保障电力可靠输送至关重要。
铜作为金属导体因其优越的导电性能和机械特性一直以来运用广泛。但是在全球铜资源缺乏的背景下,铝合金导体技术作为在输变电系统实施国家大力推动的“以铝代铜”建设资源节约型社会的实践中发挥着越来越重要的作用[1]。目前,输电线路向高电压、大容量、多回路和紧凑型发展,塔架所承受的荷载也不断增加,并且由于输电线路覆盖环境复杂多变,对输电导体提出了更高的要求。铝合金材料轻质、成本低而且耐腐蚀性好,被大量运用于变电站[2],并成为输变电导体材料的最佳选择,而且使用铝合金还可以降低运输成本和组装费用[3]。中国是铝资源的大国,广泛地使用以铝合金为导体,适应我国国情,顺应国家关于绿色环保、节能减排的倡导。随着安全可靠的铝合金导体在国内输变电系统的推广应用,铝合金导体必将在电气工程中得到越来越广泛的应用[4]。
铝合金在干燥的大气环境中,表面的氧化膜是稳定的,其耐蚀性较好。但在潮湿的气氛下其耐蚀性明显下降,特别是在有Cl-存在的情况下铝合金的腐蚀会大大加速。在沿海大气环境中,因相对湿度较高且富含Cl-,因而电网中铝合金导体部件在这类地区服役的腐蚀敏感性大大增加,从而影响相关地区电网的正常运行,进而对当地居民的正常生活用电与地方企业的工业生产都将造成巨大影响[5]。而且特高压输电导线服役于严酷的湿热海洋和工业污染的大气环境中,平时难以检测检修,一旦因腐蚀发生穿孔、断裂断股等安全事故,不仅会给电力企业造成巨大的经济损失,而且会带来重大的社会影响[6]。因此,研究通电工况下铝及其合金的大气腐蚀具有重要意义。
目前国内外已经有很多关于铝及其铝合金在各种环境下的腐蚀行为的研究。刘艳洁等[7]研究了2024-T3铝合金在模拟海洋大气环境中的腐蚀行为,认为腐蚀过程中产生的锈层的保护性呈现随腐蚀时间的延长先增强后减弱然后再略增强的变化过程；李玲等[8]研究了0359铝合金海洋性大气腐蚀行为,得出腐蚀失重与时间的关系呈幂函数规律；王振尧等[9]研究了LC4铝合金在格尔木盐湖大气环境中的腐蚀行为,认为LC4铝合金的腐蚀以点蚀为主要特征,腐蚀产物层中含有大量的O和Al,较多的Cl和S,含Cl和S的盐参与铝合金的大气腐蚀过程,并起到促进腐蚀的作用。Zhang等[10]研究了7B04铝合金在酸浸和盐雾环境下的初始腐蚀行为及机理,表明7B04铝合金表面上的不同第二相颗粒之间的电势差导致在腐蚀的初始阶段形成点蚀且盐雾环境中腐蚀产物层的形成速率大于浸没环境中腐蚀产物层的形成速率；杨浪等[11]研究了6061铝合金在模拟工业–海洋大气环境下的腐蚀,表明模拟海洋大气环境中的硫化物不仅对试样表面的点蚀产生很大影响,而且硫酸根离子会随着腐蚀介质深入晶界,加速沿晶腐蚀；赵菲等[12]研究了2A12铝合金在热带海洋环境中的大气腐蚀特征,表明Na2S2O8具有显著的去极化作用,使阴极电流密度升高,腐蚀产物中的Al(OH)3减少,AlCl3及硫酸盐等结构疏松的产物增加,造成腐蚀后期的减缓趋势不明显。Natesan等[13]研究了印度10个暴露站Al的大气腐蚀动力学,表明每个站点的Al的腐蚀速率都不相同,但是总体趋势是呈上升趋势。文献[14-16]也进行了户外暴露试验,对Al及铝合金在海洋大气、工业大气、城市大气以及乡村大气中的腐蚀行为进行了研究。上述都只是单一模拟了大气环境下的腐蚀,对通电工况下的铝合金的大气腐蚀报道较少,本文采用失重试验、电化学测试结合扫描电镜 (SEM)、X射线衍射 (XRD) 等方法,研究了模拟通电工况下海洋大气环境中1050铝合金的腐蚀行为特征,为其腐蚀的预测和防护提供理论和方法支持。
1 实验方法
实验材料为1050铝合金 (质量分数,%) 为：Si 0.25,Fe 0.40,Cu 0.05,Mn 0.05,Mg 0.05,Zn 0.07,Ti 0.05,余量为Al)、。各样品加工成直径为3 mm、长度为10 cm的棒状,分别用400目的SiC砂纸打磨电极表面至光滑,然后放入酒精中进行超声清洗,最后放入烘箱中干燥6 h,取出称重 (精确到0.01 mg),试验时在两端的螺丝加装铜螺母,并在铜螺母上焊接导线,用树脂封装螺母和导线端。
盐雾腐蚀实验按照盐雾试验标准 (GB10125-2012) 进行,采用Q-FOG/SSP600盐雾试验箱,实验温度为35 ℃,腐蚀介质为3.5% (质量分数) NaCl,进行连续循环喷雾试验。对1050铝合金在通电情况下的早期腐蚀行为进行研究,试样腐蚀周期设定为61 d (1464 h),通过1050铝合金样品的电流分别设定为0、10、20、30、40 A。
试验61 d (1464 h) 后,刷去表面盐颗粒和表层腐蚀产物,按照GB/T16545-2015腐蚀产物清洗标准分别配置酸洗液 (500 mL硝酸+500 mL去离子水) 清洗基体表面的腐蚀产物,使用去离子水和酒精超声清洗烘干24 h后,称重计算获得试样腐蚀速率,计算公式为：
式中,vcorr为腐蚀速率；m0和m1为腐蚀实验前后试样的质量；s为试样腐蚀区域的面积；t为腐蚀实验时间。
采用SEM (JSM-7800F) 观察盐雾试验后样品表面腐蚀产物的形貌；采用XRD (D8-ADVANCE) 分析试样表面腐蚀产物的成分。
将1050铝合金切割成为长10 cm、直径为3 mm的试样,试样两端通过铜螺母与导电连接,并用树脂封装螺母和导线等非暴露面。分别用400目的SiC砂纸打磨电极表面,然后放入酒精中进行超声清洗,最后用吹风机吹干备用。试样浸入海洋大气模拟液 (3.5%NaCl溶液) 中进行电化学测量,通过调节外加电源电压使得在试样两端分别通过0、10、20、30、40A的电流。
使用DH7006电化学工作站进行电化学测试,以1050铝合金作为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极,铂电极为对电极。待开路电位稳定后进行动电位极化曲线的测试,铝合金电极动电位极化曲线扫描范围为-0.1~0.1 V (相对于开路电位),扫描速率均为0.1667 mV/s。测试环境温度为25 ℃。平行测试至少3次以减小误差。
2 结果与讨论
2.1 盐雾试验分析
2.1.1 不同通电条件下铝合金的腐蚀速率
图1
图1
1050铝合金腐蚀速率随电流变化趋势图
Fig.1
Trend graph of 1050 Al-alloy corrosion rate with current variation
2.1.2 腐蚀产物分析
图2为1050铝合金通过不同电流腐蚀产物的XRD结果,由XRD分析结果可知,1050铝合金大气腐蚀的主要产物由Al2O3、AlO(OH) 等组成。可以得出,随着通入电流的逐渐增加,羟基氧化铝的峰总体比例是逐渐降低,而氧化铝的比例是逐渐增大。Mukhamed'yarova等[19]研究表明,当Al2O3转化为AlO(OH) 时,其比表面积、孔密度均降低。羟基氧化铝是胶状产物,腐蚀产物膜中羟基氧化铝比例较高时膜层致密度较高,其对基体进一步发生腐蚀的抑制作用较强。所以随着电流的增大,样品表面腐蚀产物中羟基氧化铝的比例逐渐减小,腐蚀产物膜的致密性降低,导致腐蚀逐渐加剧。图3为1050铝合金通过不同电流后的表面形貌图,通电电流为零时的表面形成致密的细小的腐蚀产物,可以对腐蚀起到抑制作用；随着通电电流的逐渐增大,腐蚀产物形态逐渐变得疏松多孔,逐渐从致密的腐蚀产物演变成有间隙的腐蚀产物。这种微观结构的变化更加有利于去极化剂溶解氧和侵蚀性离子向基体的传输,促进了铝合金的腐蚀,从而使腐蚀速率逐渐增大[20]。这与上一节的失重实验数据相吻合。
图2
图2
1050铝合金通过不同电流腐蚀产物的XRD结果
Fig.2
XRD pattern of the corrosion products of 1050 Al-alloy passes different currents
图3
图3
1050铝合金通不同电流后的表面SEM形貌
Fig.3
SEM morphologies of 1050 Al- alloy with 0 A (a); 10 A (b); 20 A (c); 30 A (d); 40 A (e) currents
2.2 电化学测量分析
图4
图4
1050铝合金在不同电流下的动电位极化曲线及腐蚀电流密度随电流变化均值图
Fig.4
Potential polarization curves (a) and mean value diagram of corrosion current density (b) of 1050 Al-alloy under different currents
表1为铝合金在模拟溶液中动电位极化曲线动力学参数拟合结果。可以看出,1050铝合金在未通电的模拟液中的腐蚀电位为-765.76 mV,这与Alwahib等[21]和Shadravan等[22]对1050铝合金在3.5% NaCl中的研究相近。随着通电电流的增加,电极的腐蚀电位略有负移。阳极Tafel斜率随通电电流增加逐渐增大,表明随着通电电流增大,电极的阳极过程极化加强；对应地,随着通电电流增加,阴极Tafel斜率增幅更大,表明整个电极过程受阴极扩散过程控制。结合腐蚀电流密度的变化来看,1050铝合金在未通电的模拟液中的腐蚀电流密度为7.234×10-6 A/cm²,与Sabet等[23]报道的同样条件下1050铝合金的Icorr结果相近。但随着通电电流的增大,1050铝合金的腐蚀电流密度逐渐增大。结合电极表面腐蚀产物观察,随通电电流增加,电极表面腐蚀产物增加,对基体的阳极溶解过程有一定的抑制作用；而从阴极Tafel斜率的变化来看,随通电电流增加,阴极过程由电荷转移过程转化为扩散控制过程,表明基体的腐蚀速度整体还是随着通电电流的增加而增大。结合盐雾实验环境下的腐蚀形貌,可以看出AlO(OH) 对基体有很好的保护作用[24],而随着通电电流的增大,胶凝质的羟基氧化物比例逐渐减少,腐蚀产物层变得疏松多孔,对基体腐蚀过程的抑制作用逐渐减弱。
表1 不同电流下1050铝合金极化曲线动力学参数拟合
Table 1
| i / A | Ecorr / mV | Icorr / A·cm-2 | Βa / mV | -Βc / mV |
|---|---|---|---|---|
| 0 | -765.76 | 7.234×10-6 | 13.16 | 140.88 |
| 10 | -757.61 | 8.409×10-6 | 14.05 | 117.36 |
| 20 | -762.11 | 1.008×10-5 | 22.71 | 133.85 |
| 30 | -778.42 | 1.074×10-5 | 29.91 | 253.89 |
| 40 | -777.37 | 2.023×10-5 | 30.36 | 639.98 |
3 结论
(1) 在模拟海洋大气环境腐蚀实验61 d (1464 h) 中,在通电工况下1050铝合金的腐蚀速率均大于未通电情况下的腐蚀速率,且随着电流的逐渐增大,腐蚀速率不断增大。电化学结果表明,随着电流的增大,腐蚀电流密度是逐渐增大的,也说明电流的引入促进了1050铝合金的腐蚀。
(2) 1050铝合金表面腐蚀产物的微观形貌表明,随着电流的不断增大,腐蚀的不断进行,表面腐蚀产物从致密的产物层逐渐变成疏松甚至裂开,其腐蚀产物主要有Al2O3和AlOOH等。
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