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Corrosion resistance and application of ACSR with inhomogeneous dark coating <<電線電纜 >>2004年02期
于萍 , 魏云鶴 , 冷霞 , 主沉浮 , 張長橋
于 萍 魏云鶴 冷 霞 主沉浮 張長橋
山東大學化學與化工學院 濟南 250061
[摘 要] 通過模擬三類典型大氣環(huán)境加速腐蝕試驗以及微觀形貌對比分析，在北方城 市工業(yè)集中廠區(qū)的雨季，即在工業(yè)氣氛和弱高溫高濕雙重作用下，所生產(chǎn)的表面帶有不均勻性黑膜的鋼芯鋁絞線與正常條件下生產(chǎn)的鋼芯鋁絞線，在腐 蝕行為、腐蝕速率、氧化膜微觀形貌以及電阻率等方面基本一致。因此，在 產(chǎn)品庫存與實際架線使用時間間隔較短的條件下，與我國南方高溫雨季生產(chǎn)的"表面不均勻性黑膜鋼芯鋁絞線"一樣，均為"不影響使用性能，僅影響 商業(yè)外觀"的產(chǎn)品。
[關(guān)鍵詞] 鋼芯鋁絞線 腐蝕速率 微觀形貌
在南方雨季高溫高濕環(huán)境條件下生產(chǎn)的鋼芯鋁絞線經(jīng)庫存一段時間后，現(xiàn)場施工使用時曾多次出現(xiàn)鋼芯鋁絞線表面帶有不均勻性黑膜現(xiàn)象，由于生產(chǎn)與施工之間時間間隔較短，行業(yè)腐蝕學界對此有"不影響使用性能，僅影響商業(yè)外觀"的認同。但是近年來對一些高溫高濕現(xiàn)象不十分明顯的北方地區(qū)，特別是處于工業(yè)集中區(qū)的生產(chǎn)企業(yè)，由于工業(yè)大氣環(huán)境和弱高溫高濕雙重作用，每年七－九月份的雨季所生產(chǎn)的鋼芯鋁絞線也出現(xiàn)類似情況。因此，對其腐蝕行為以及微觀形貌等性質(zhì)進行對比試驗，以便為可否繼續(xù)使用提供科學依據(jù)，具有一定的實際意義。
1 試樣選擇及研究方法實驗研究中所采用的鋼芯鋁絞線試樣分別采自我國北方地區(qū)三個典型的鋼芯鋁絞線生產(chǎn)廠家，其中試樣A為表面帶有不均勻性黑膜的鋼芯鋁絞線的外層鋁線，試樣B為表面帶有不均勻性黑膜的鋼芯鋁絞線的內(nèi)層（無黑膜），試樣C和D分別為另外兩個廠家生產(chǎn)的表面正常的鋼芯鋁絞線。根據(jù)鋼芯鋁絞線的使用范圍和特點，腐蝕性能對比分別采用模擬海洋氣氛的全浸加速腐蝕試驗，模擬一般農(nóng)村大氣環(huán)境的鹽水噴霧加速腐蝕實驗和模擬工業(yè)環(huán)境氣氛的二氧化硫加速腐蝕實驗[1]；對試樣A和C的外層鋁線進行了掃描電鏡微觀形貌分析對比，對試樣A和D的鋼線進行了抗拉強度試驗以及電化學腐蝕行為測試。
2 不均勻性黑膜鋁單線與正常鋁單線腐蝕性能對比
2.1 5％鹽水全浸腐蝕試驗試驗條件：5％ NaCl溶液，溫度35±0.5℃，pH=6.8±0.5，全浸不攪拌，連續(xù)196h。此腐蝕試驗可視為無氧條件的結(jié)果。類比于海洋環(huán)境的腐蝕行為[2]，實驗結(jié)果如表1所示： 表1 5％鹽水全浸腐蝕試驗結(jié)果樣品 增重 （g/m2·h） 平均增重 （g/m2·h）試樣A 0.0068 0.0074 0.0076 0.0079 試樣B 0.0074 0.0071 0.0069 0.0070 試樣C 0.0074 0.0070 0.0070 0.0066 試樣D 0.0078 0.0076 0.0076 0.0074 從表1數(shù)據(jù)看，表面不均勻性黑膜鋁單線與其它正常鋁單線相比，5％鹽水全浸腐蝕試驗腐蝕速率無明顯差別。另外，在實驗過程中可見，60h后，表面不均勻性黑膜鋁單線與其它正常鋁絞線的表面顏色以及腐蝕產(chǎn)物的外觀形態(tài)趨于一致。為進一步說明問題，對試樣A和試樣B又進行了相同實驗條件的60小時腐蝕對比實驗，結(jié)果如表2所示。 表2 表面不均勻性黑膜鋼芯鋁絞線的內(nèi)外層鋁單線腐蝕對比樣 品 增重（g/m2·h） 平均增重 （g/m2·h）試樣A 0.0082 0.0083 0.0085 0.0079 試樣B 0.0096 0.0099 0.0102 0.0100 從表2數(shù)據(jù)可見，在腐蝕試驗的前階段，內(nèi)層正常鋁單線的腐蝕速率稍高于外層表面不均勻性黑膜鋁單線，說明表面不均勻性黑膜鋁單線已提前氧化，在腐蝕一開始就進入"膜保護"的緩慢氧化階段，而內(nèi)層正常鋁單線開始時是純鋁表面的直接氧化階段，所以其腐蝕速率要稍高于表面不均勻性黑膜鋁單線，約60h后，二者的表面顏色以及腐蝕產(chǎn)物的外觀形態(tài)逐漸趨于一致。
2.2 鹽水噴霧試驗試驗條件：NaCl溶液（濃度50±5g/L），溫度35±2℃，pH=3.1～3.3，采用間歇操作，間隔時間為8小時，試驗時間為96小時，試驗結(jié)果如表3所示。表3 鹽水噴霧實驗結(jié)果樣 品 失重 （g/m2·h） 平均失重（g/m2·h）試樣A 0.0136 0.0135 0.0137 0.0132 試樣B 0.0136 0.0137 0.0138 0.0137 試樣C 0.0142 0.0139 0.0137 0.0148 試樣D 0.0134 0.0136 0.0138 0.0136 由表3數(shù)據(jù)可見，在鹽水噴霧試驗條件下，表面不均勻性黑膜鋁單線的腐蝕速率與表面正常鋁絞線也基本相同。
2.3 二氧化硫氣體腐蝕實驗試驗條件：HF－45A化工氣體腐蝕實驗箱，二氧化硫濃度0.8％（體積百分比），溫度25±2℃，連續(xù)實驗240小時。表4 二氧化硫氣體腐蝕實驗結(jié)果樣 品 失重 （g/m2） 平均失重 （g/m2）試樣A 10.69 10.69 10.73 10.66 試樣C 10.41 10.42 10.37 10.47 試樣D 10.64 10.66 10.68 10.71 從表4結(jié)果可以看出，在二氧化硫氣體中腐蝕240小時，表面不均勻性黑膜鋁單線與表面正常鋁單線的腐蝕速率無明顯差別。另外，試驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，試驗進行72小時后，表面不均勻性黑膜鋁單線與其它正常鋁單線表面顏色，腐蝕產(chǎn)物外觀形態(tài)趨于一致。
3.微觀形貌對比及其他主要性能測試
3.1 微觀形貌對比為了分析表面不均勻性黑膜鋁單線與正常鋁單線的微觀形貌差別，采用掃描電鏡對式樣A、B兩種樣品表面的微觀形貌進行了觀察，觀察試樣的選取、準備及觀察條件與文獻[2]一致。微觀形貌對比如下：試樣A、B兩種樣品表面的微觀形貌試驗如圖1和圖2所示。 圖1 試樣A表面不均勻性黑膜區(qū)域掃描電鏡微觀形貌 圖2 試樣B正常表面掃描電鏡微觀形貌從微觀形貌上看，表面帶有不均勻性黑膜的試樣A有提前氧化的氧化膜存在，斑點較大；表面正常的試樣B也有提前氧化的氧化膜存在，但斑點較小，兩者在微觀形貌上略有差別但無本質(zhì)差別，所形成的氧化膜形貌及構(gòu)成也大體相當。
3.2 鋼芯單線腐蝕電化學性能測試鋼芯鋁絞線中的鋼線是產(chǎn)品使用時的承重載體，其抗拉強度直接決定了鋼芯鋁絞線總截面的抗拉強度，經(jīng)測試，表面帶有不均勻性黑膜的鋼芯鋁絞線的鋼線與正常鋼芯鋁絞線的鋼線在抗拉強度上無明顯差別。但是還應(yīng)考察其鋼線熱鍍鋅層是否有變化。我們就表面帶有不均勻性黑膜的鋼芯鋁絞線的鋼線與正常鋼芯鋁絞線的鋼線進行了腐蝕電化學測試，以觀察其腐蝕電化學極化曲線是否異常。實驗條件：鉑金電極為輔助電級，飽和甘汞電極為參比電極，熱鍍鋅鋼線按電化學測試要求封閉處理后為研究電極。在HDV－7晶體管恒電位儀上測定，用123－200函數(shù)記錄儀記錄數(shù)據(jù)，恒電流法測陰、陽極極化曲線。每相隔5s調(diào)節(jié)一次極化電流，分別為±1，±2，±3，±4，±6，±8，±10，±20，±30，±40，±60，±80（mA），記錄對應(yīng)電位值（mV）。極化曲線如圖3、圖4所示。 圖3 表面不均勻性黑膜鋼芯鋁絞線鋼線陰陽極極化曲線 B－陽極極化曲線 C－陰極極化曲線 圖4 正常鋼芯鋁絞線鋼線陰、陽極極化曲線 B－陽極極化曲線 C－陰極極化曲線從圖3、圖4中的腐蝕電化學極化曲線可以看出，表面帶有不均勻性黑膜的鋼芯鋁絞線的鋼線與正常的鋼芯鋁絞線的鋼線比較，其鋼線的陽極和陰極極化曲線基本一致，說明其腐蝕行為和腐蝕速度沒有差別。
3.3 電氣性能測試按照國家標準，對兩種樣品進行了相關(guān)電氣性能測試。20℃時，表面帶有不均勻性黑膜的鋼芯鋁絞線鋁線的電阻率為0.02795Ω·mm2/m，正常鋼芯鋁絞線鋁線的電阻率為0.02793Ω·mm2/m，均符合國家GB 1179-83標準所規(guī)定的電阻率≤0.028264Ω·mm2/m，標準。因而鋼芯鋁絞線表面不均勻性黑膜現(xiàn)象對電氣性能不產(chǎn)生影響。
4 結(jié)論
高溫高濕單一條件下生產(chǎn)的表面不均勻性黑膜鋼芯鋁絞線，只要庫存與施工使用時間間隔不長，則為"不影響使用，僅影響商業(yè)外觀"的產(chǎn)品。其主要依據(jù)為：鋁的抗大氣腐蝕是依靠其表面氧化膜，其腐蝕機理為腐蝕學界所稱的"膜保護"，即依靠在大氣環(huán)境中形成的致密氧化膜能相對有效的防止腐蝕介質(zhì)的繼續(xù)侵入，使腐蝕由純鋁表面的直接氧化階段進入"膜保護"的緩慢氧化階段。在高溫高濕條件下，鋼芯鋁絞線多數(shù)是由于包裝不嚴使雨水等介質(zhì)沿縫隙侵入，或包裝過嚴使鋁桿在拉制鋁絲過程中存留的油脂以及內(nèi)部濕熱氣體等在存放過程中不能有效排出而聚集，造成提前氧化，由于侵入?yún)^(qū)域或聚集區(qū)域的不均勻性，造成無規(guī)律表面不均勻性黑膜現(xiàn)象，但在大氣環(huán)境條件下架線通電一段時間后，最后結(jié)果為表面外觀一致。北方工業(yè)生產(chǎn)集中區(qū)內(nèi)弱高溫高濕的雨季所生產(chǎn)的表面不均勻性黑膜鋼芯鋁絞線是受弱高溫高濕和工業(yè)氣氛微腐蝕環(huán)境雙重作用的結(jié)果。從模擬三種大氣環(huán)境加速腐蝕實驗結(jié)果、微觀形貌觀察以及腐蝕電化學等性能測試結(jié)果對比可以看出，表面帶有不均勻性黑膜的鋼芯鋁絞線與正常的鋼芯鋁絞線其腐蝕行為、腐蝕速度和微觀形貌大體一致，均具有鋁的氧化過程特征。因此，北方工業(yè)生產(chǎn)集中區(qū)弱高溫高濕的雨季所生產(chǎn)的鋼芯鋁絞線，由于受到弱高溫高濕和工業(yè)大氣環(huán)境雙重作用，其外層表面與南方高溫高濕單一因素作用下的鋼芯鋁絞線具有相當?shù)母g類似性，在庫存與施工時間間隔相對較短的前提下，兩者均為"不影響使用，僅影響商業(yè)外觀"的產(chǎn)品。