1.本發(fā)明屬于鋁合金腐蝕研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋁合金導體材料腐蝕特征識別與服役性能試驗及評價方法。

背景技術(shù)：

2.鋁及鋁合金由于質(zhì)量輕、比強度高、導電導熱性好、易于加工等優(yōu)點在電網(wǎng)導體構(gòu)件獲得廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于斷路器、電抗器、隔離刀閘、電力金具、架空導線、管母線及gis等輸變電設(shè)備上，電網(wǎng)系統(tǒng)中鋁年用量可達200萬噸以上。導體構(gòu)件是直接承擔電力輸送的關(guān)鍵構(gòu)件，服役性能對輸變電設(shè)備乃至整個電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運行具有至關(guān)重要的作用。

3.大多數(shù)鋁及鋁合金導體通常在裸露狀態(tài)使用，這是因其表面能形成致密氧化膜而具有良好的耐大氣腐蝕性，因而鋁合金導體材料的大氣腐蝕常遭到忽略。然而氧化鋁膜在氯離子和酸性條件下容易發(fā)生溶解，從而引起鋁的快速腐蝕。在沿海環(huán)境、工業(yè)污染環(huán)境下，鋁合金的腐蝕現(xiàn)象較為明顯。電力工程分布跨度大、地域廣，暴露于惡劣大氣環(huán)境的鋁合金導體部件占比高，長期遭受大氣環(huán)境腐蝕，腐蝕部位的隱蔽性及腐蝕程度的累加引起損傷失效給設(shè)備帶來極大安全隱患。例如，鋁合金觸頭、接續(xù)金具等構(gòu)件由于腐蝕現(xiàn)象引起接觸電阻增大，繼而引發(fā)腐蝕失效導致鋁絞線斷股、線夾接頭異常溫升等故障，使得服役壽命遠低于設(shè)計使用壽命。

4.目前鋁合金大氣腐蝕研究多集中于2系、7系等高強鋁合金，由于其具有較高的強度，一般作為結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用于航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域；電網(wǎng)金屬材料腐蝕研究多集中于碳鋼、鍍鋅鋼、銅等材料，因此，針對電網(wǎng)用鋁導體材料典型大氣環(huán)境下腐蝕規(guī)律及行為研究較少。作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵載流構(gòu)件，鋁材要同時具有優(yōu)良的導電特性，較好的力學性能和耐腐蝕性能。由于當前鋁導體材料腐蝕數(shù)據(jù)量小，未能掌握鋁導體材料典型大氣環(huán)境下腐蝕發(fā)展特性；鋁合金導體材料服役關(guān)鍵性能如導電性能、力學性能隨腐蝕進程變化規(guī)律不明確，存在無法根據(jù)服役性能變化進行針對性腐蝕措施選擇、運行維護策略制定等難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種鋁合金導體材料腐蝕特征識別與服役性能試驗及評價方法，可用于鋁導體材料典型大氣環(huán)境下腐蝕行為及服役性能變化規(guī)律的研究，提取鋁合金導體材料的腐蝕特征，對鋁合金導體材料與部件的腐蝕實現(xiàn)定性及定量判別；掌握鋁合金導體材料服役關(guān)鍵性能隨腐蝕進程的變化規(guī)律，實現(xiàn)對鋁合金導體部件的服役水平準確評價。

6.為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種鋁合金導體材料腐蝕特征識別與服役性能試驗及評價方法，包括以下步驟：（1）鋁導體材料腐蝕試驗試樣的選型。包括牌號與試樣類型的選型。

7.選擇合適牌號及形狀的腐蝕試樣構(gòu)件，是實現(xiàn)準確預(yù)判鋁合金導體腐蝕狀態(tài)與發(fā)展規(guī)律的前提。通過腐蝕特征識別試驗，可快速獲得典型大氣腐蝕環(huán)境中鋁合金導體材料的腐蝕特征參數(shù)，為設(shè)備部件服役性能的退化及腐蝕壽命的預(yù)判提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

8.腐蝕試驗所用鋁合金牌號的選擇以電網(wǎng)常用鋁及鋁合金牌號為依據(jù)，目標明確、針對性強。其中，1系純鋁由于具有較好的導電性，被廣泛應(yīng)用為導流部件，6系鋁合金常用在對力學性能和導電性能有兼顧需求的場合，其他電工鋁合金導體如高強度耐熱鋁合金、鋁鎂合金在不斷地開發(fā)和應(yīng)用中。因此，本發(fā)明中腐蝕試驗選用1系、5系、6系鋁合金，具體分別為1050、5a01、6063。

9.鋁合金導體試樣形式有平板試樣、拉伸試樣、導線壓接試樣。平板試樣尺寸約為50mm

×

50mm

×

（5~6）mm，可用于揭示鋁及鋁合金材料本身的腐蝕行為；拉伸試樣依據(jù)gb/t 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》制定，可用于研究鋁合金力學性能隨腐蝕缺陷、腐蝕進程的退化規(guī)律。鋁及鋁合金在電力行業(yè)用量較大的是架空線路鋁絞線、接線板及耐張線夾等結(jié)構(gòu)件，因而直接使用接線板、導線壓接試樣參與室內(nèi)腐蝕試驗，可掌握鋁合金導體構(gòu)件導電性能、力學性能等服役性能隨腐蝕發(fā)展的變化趨勢。

10.（2）鋁導體腐蝕試樣的預(yù)處理。

11.在腐蝕特征參數(shù)試驗進行之前，需對鋁導體試樣表面及變形、或受力狀態(tài)進行預(yù)處理。

12.鋁導體材料的平板試樣與結(jié)構(gòu)件的表面預(yù)處理過程均需經(jīng)過下列步驟：

①

標號；

②

清洗：用無水乙醇將試樣表面擦洗兩遍去掉油污，再用去離子水清洗，冷風吹干放置在干燥器中24h；

③

稱量：測量平板試樣原始重量：采用精度為0.1mg的天平稱取質(zhì)量；

④

干燥：腐蝕特征參數(shù)試驗前試樣應(yīng)放入干燥器中24小時以上。

13.為實現(xiàn)鋁合金導體部件腐蝕狀態(tài)的準確模擬，對加速試驗用結(jié)構(gòu)件施加變形或力矩。鋁合金接線板是兩片相同的鋁合金板相互錯開疊加，通過螺栓緊固，施加力矩45n

?

m-50n

?

m，以模擬鋁接線板實際受力狀態(tài)。

14.（3）腐蝕特征參數(shù)試驗。

15.鋁合金導體材料腐蝕特征參數(shù)試驗方法采用周期浸潤+交變濕熱循環(huán)程序。采用“周浸-交變濕熱”模式每10-12h進行交替循環(huán)。其中周浸按照“浸潤

→

潮濕

→

干燥”順序進行循環(huán)，浸泡溶液溫度為65℃~75℃，浸泡時間7~10min，干燥條件溫度為25℃~70℃，干燥時間50~53min。采用特定成分的浸泡溶液組成，用以代表幾種典型大氣腐蝕環(huán)境，利用蒸餾水為浸泡溶液用來模擬鄉(xiāng)村大氣腐蝕環(huán)境，3.5%nacl+0.05%na2so4浸泡溶液用來模擬海洋大氣環(huán)境；0.1%nacl+0.2%nahso3浸泡溶液用來模擬城市大氣環(huán)境；高含量亞硫酸氫根離子的0.1%nacl+1%nahso3浸泡溶液用以模擬工業(yè)大氣環(huán)境。腐蝕溶液溫度以典型大氣環(huán)境中的年平均溫度和運行溫升為依據(jù)，由于電網(wǎng)系統(tǒng)中鋁導體類材料的焦耳熱效應(yīng)，依據(jù)鋁導體材料載流量計算方法，通常溫升不超過70℃，浸泡溫度的選擇可全面模擬導線的運行發(fā)熱狀態(tài)。干燥溫度結(jié)合年平均溫度和構(gòu)件實際運行溫度綜合考慮。浸泡時間與干燥時間通過典型大氣環(huán)境譜中霧、露年平均作用時間與時間總量的比值進行確定。加速腐蝕溶液的成分與濃度是以大氣環(huán)境數(shù)據(jù)中腐蝕介質(zhì)成分和濃度為依據(jù)。交變濕熱按照“溫度25℃、濕度97%，30min

→

溫度60℃、濕度97%，30min

→

溫度60℃、濕度50%，30min”程序循環(huán)。采用周浸與交變濕熱循環(huán)模式，能夠模擬實際運行環(huán)境的日夜行為模式交替現(xiàn)象，充分考慮了日間與

夜間污染物排放量差異的影響。而交變濕熱程序選擇了“高溫高濕、高溫低濕、低溫高濕”的溫濕度循環(huán)，可以保證腐蝕試樣表面液膜的保持，從而加強腐蝕加速效應(yīng)。實驗室加速腐蝕試驗參數(shù)的合理制定，可使加速腐蝕試驗中構(gòu)件與實際服役環(huán)境接近，采取與實際大氣環(huán)境相同的腐蝕損傷模式，本發(fā)明腐蝕特征參數(shù)試驗方法具有較好的模擬性。

16.（4）試驗取樣和性能評價。

17.由于鋁及鋁合金具有較好的耐蝕性，腐蝕初期通常呈現(xiàn)點蝕發(fā)展，進程緩慢。鋁合金腐蝕特征參數(shù)試驗周期設(shè)為0~3000h，腐蝕時間的設(shè)定可以看出鋁合金導體材料的點蝕萌生、發(fā)展規(guī)律。

18.根據(jù)鋁合金導體材料的腐蝕發(fā)展進程，制定合適的取樣周期。鋁合金腐蝕試驗至240h、480h、960h、1440h、1920h、2400h、2880h時取樣。在腐蝕初期，取樣時間呈成倍增長，后期取樣時間間隔相同。取樣周期的合理制定，可以優(yōu)化投放試驗的試樣數(shù)量，減少不必要的試驗量，也可順利捕捉鋁合金導體腐蝕特征參量發(fā)生變化的典型時刻。

19.每個取樣時刻，將腐蝕試樣從試驗裝置中取出，盡可能徹底清洗試樣以避免試樣繼續(xù)受到腐蝕。對取出試樣的腐蝕參數(shù)及性能進行評價。腐蝕產(chǎn)物清除之前，平板試樣與設(shè)備構(gòu)件需分析宏觀形貌、重量變化、厚度、腐蝕產(chǎn)物、電化學分析，設(shè)備構(gòu)件如鋁接線板測量其導通電阻、電導率等性能參數(shù)。按照標準清洗腐蝕產(chǎn)物，將腐蝕后的鋁試樣置于80℃下的50 ml h3po4+20g cro3+1 l h2o 除銹液中5-10min，從除銹液中取出試樣，立即用清水沖洗并用酒精擦拭后吹干，稱量(精確至0.1 mg)。重復上述過程，直至試樣的質(zhì)量變化小于1 mg。腐蝕產(chǎn)物清除后分析試樣的宏觀形貌、重量、厚度等參數(shù)。拉伸試樣用于抗拉強度、斷后伸長率檢測。通過除銹前參數(shù)的檢測，可以得出除銹前腐蝕參數(shù)的發(fā)展規(guī)律，與除銹后腐蝕參數(shù)規(guī)律進行比對。通過設(shè)備部件與材料腐蝕規(guī)律的關(guān)聯(lián)性，可實現(xiàn)設(shè)備關(guān)鍵部件腐蝕狀態(tài)與腐蝕進程的準確判斷，為設(shè)備腐蝕剩余壽命預(yù)測提供數(shù)據(jù)支撐。

20.其中鋁合金主要腐蝕特征識別方法如下：（1）導通電阻測試接線板導通電阻采用德國美翠mi3252（100a）型便攜式低電阻歐姆表進行測試，儀器量程：100nω~20ω，測試電流100ma-100a，使用四線開爾文測量法，消除測量導線電阻。

21.（2）電導率測試接線板電導率采用sigmascope smp10手持式電導率測試儀進行，測量開始前，將試樣與設(shè)備放置于同一室內(nèi)環(huán)境中，并使用測量探頭自帶的es40內(nèi)置的溫度傳感器進行測溫，相應(yīng)結(jié)果輸入進儀器中，完成溫度自動補償。

22.（3）表面形貌采用布魯克光學輪廓儀對不同腐蝕時間的試樣進行測量，獲得試樣表面微觀形貌。

23.（4）電化學測試電化學實驗采取標準三電極系統(tǒng)，其中輔助電極選用石墨電極、參比電極為飽和甘汞電極（sce）和工作電極。采用普林斯頓par2273型電化學工作站進行電化學測試。

24.腐蝕試樣的狀態(tài)評價順序及內(nèi)容如表1所示。明確鋁合金導體材料的腐蝕狀態(tài)評價內(nèi)容及順序，規(guī)范了鋁合金腐蝕特征參數(shù)檢測及評價流程。平板試樣性能的評價，可以反應(yīng)鋁合金材料本身的腐蝕行為；接線板、拉伸試樣、長導線的性能評價反應(yīng)了鋁合金導體材

料服役性能隨腐蝕進程的發(fā)展變化規(guī)律。此外，同時檢測了平板與接線板試樣的重量、腐蝕坑深的變化，可實現(xiàn)設(shè)備部件與材料腐蝕規(guī)律的相關(guān)性的建立?？紤]到現(xiàn)場輸變電設(shè)備構(gòu)件帶銹運行的實際工作狀態(tài)，本發(fā)明提到的評價方法側(cè)重于腐蝕產(chǎn)物清除前試樣的性能變化，弱化除銹后試樣的性能檢測，一方面可以實現(xiàn)現(xiàn)場輸變電設(shè)備部件的準確模擬，另一方面減少了繁瑣復雜的除銹工藝過程。

25.一種鋁合金導體材料腐蝕特征與腐蝕發(fā)展的試驗及評價方法，通過模擬鋁合金導體材料及構(gòu)件的腐蝕發(fā)展，發(fā)現(xiàn)腐蝕初期鋁合金呈現(xiàn)的腐蝕失重較小，然而也能看出鋁合金接線板的腐蝕失重的發(fā)展規(guī)律與平板試樣基本相同。鋁合金導體材料與構(gòu)件的點蝕坑深逐漸增大，鋁接線板的導通電阻隨著腐蝕時間的延長，也呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。因而用點蝕坑深作為腐蝕特征參數(shù)，用導通電阻作為鋁合金導體構(gòu)件的服役性能，可準確表征鋁合金的腐蝕發(fā)展過程，點蝕坑深與鋁合金的服役性能之間具有一定的相關(guān)性。

26.其中鋁合金接線板與平板試樣腐蝕失重之間的相關(guān)關(guān)系式為：m=47.004m+0.0308, r2=0.9703 [1]；式[1]中m為接線板腐蝕失重，m為平板試樣腐蝕失重，單位為mg/cm2。

[0027]

鋁合金接線板導通電阻與點蝕坑深之間的相關(guān)關(guān)系式為：r=0.1175d+0.4923, r2=0.8776 [2]；式[2]中r為接線板導通電阻，單位為μω，d是腐蝕坑深度，單位是μm。

[0028]

表1鋁合金導體材料的腐蝕狀態(tài)評價順序與內(nèi)容本發(fā)明的有益效果如下：（1）本發(fā)明提供的一種鋁合金導體材料腐蝕特征識別與服役性能試驗及評價方法，通過“周浸-交變濕熱”模式實現(xiàn)“浸潤-潮濕-干燥”狀態(tài)循環(huán)，并通過控制濕度、溫度及相應(yīng)的持續(xù)時間和污染物種類和濃度，模擬了真實狀態(tài)下的鄉(xiāng)村、城市、工業(yè)、海洋四種典型大氣環(huán)境下，較好的重現(xiàn)了實際服役環(huán)境中鋁合金導體材料表面的干濕循環(huán)過程，可實現(xiàn)常見鋁合金導體材料及構(gòu)件在典型大氣環(huán)境中腐蝕狀態(tài)的模擬；（2）本發(fā)明提供的一種鋁合金導體材料腐蝕特征與服役性能試驗及評價方法，篩選了鋁合金導體材料的腐蝕特征，補充了輸變電設(shè)備鋁合金材料及構(gòu)件的腐蝕數(shù)據(jù)，可用于鋁導體材料典型大氣環(huán)境下腐蝕行為及規(guī)律的研究，實現(xiàn)了鋁合金導體材料與部件的腐蝕定性及定量判別；（3）本發(fā)明提供的一種鋁合金導體材料腐蝕特征與服役性能試驗及評價方法，揭示了鋁合金導體材料服役關(guān)鍵性能隨腐蝕進程的變化規(guī)律，實現(xiàn)鋁合金導體部件的服役評價；

（4）本發(fā)明提供的一種鋁合金導體材料腐蝕特征與服役性能試驗及評價方法，建立了材料腐蝕與鋁合金導體部件的關(guān)聯(lián)性，提高了依據(jù)實驗室腐蝕數(shù)據(jù)判斷設(shè)備構(gòu)件腐蝕規(guī)律的準確性。

[0029]

（5）本發(fā)明提供的一種鋁合金導體材料腐蝕特征與服役性能試驗及評價方法，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可用于鋁合金導體構(gòu)件的服役性能與腐蝕缺陷之間關(guān)系研究，為鋁合金部件腐蝕失效提供判據(jù)。

[0030]

（6）本發(fā)明提供的一種鋁合金導體材料腐蝕特征與腐蝕發(fā)展的試驗及評價方法，對設(shè)備材料的腐蝕性能實現(xiàn)有效評價，為鋁合金導體材料服役于輸變電設(shè)備的牌號選型、腐蝕維護方式與周期提供了環(huán)境腐蝕特征數(shù)據(jù)依據(jù)。

[0031]

附圖說明：圖1 鋁合金導體拉伸試樣示意圖；圖2 鋁合金接線板試樣示意圖；圖3 導線壓接試樣；圖4鋁合金接線板與平板試樣腐蝕失重的變化規(guī)律；圖5 鋁合金接線板導通電阻的變化與點蝕坑深的變化規(guī)律。

[0032]

具體實施方式：下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明。

[0033]

一種鋁合金導體材料腐蝕特征與腐蝕發(fā)展的試驗及評價方法，選1050鋁合金平板試樣及接線板為試驗對象。平板試樣尺寸約為50mm

×

50mm

×

（5.06~6.01）mm。核對編號、初始厚度、稱重；每種環(huán)境準備19個平板試樣、6個接線板。接線板需要拆下單獨稱重。需要測試試驗前接線板的導通電阻。

[0034]

周浸溶液組成為3.5%nacl+0.05%na2so4，以模擬海洋大氣腐蝕環(huán)境。浸泡溫度為室溫（70℃

±

2℃），能夠模擬導線的運行發(fā)熱狀態(tài)。干燥溫度為70℃

±

2℃，相對濕度為50%。周浸時間為每天8：00—下午6：00共10個小時，按照“浸泡10min~干燥50min”順序每1h循環(huán)一次。下午6：00—次日8：00，采用高低濕循環(huán)模式，按照“溫度25℃、濕度97%，30min

→

溫度60℃、濕度97%，30min

→

溫度60℃、濕度50%，30min”設(shè)定程序進行。

[0035]

鋁合金試驗至240h、480h、960h、1440h、1920h、2400h、2880h時取樣。每段時間結(jié)束，試樣從裝置中取出，盡可能徹底清洗試樣以避免試樣繼續(xù)受到腐蝕。每個試驗循環(huán)取出3個平板試樣，取1個進行腐蝕產(chǎn)物與微觀形貌分析。2個試樣按照標準清洗腐蝕產(chǎn)物，將腐蝕鋁試樣置于80℃下的50 ml h3po4+20g cro3+1 l h2o 除銹液中5-10min，從除銹液中取出試樣，立即用清水沖洗并用酒精擦拭后吹干，稱量(精確至0.1 mg)。重復上述過程，直至試樣的質(zhì)量變化小于1 mg。稱重，計算平均腐蝕速率。取出1個固定平板試樣進行宏觀拍照分析，取樣后繼續(xù)參與腐蝕循環(huán)試驗。每個循環(huán)取出1個接線板觀察腐蝕部位、拍照、清洗稱重，計算平均腐蝕速率，表面形貌觀察及點蝕坑數(shù)據(jù)的測量。

[0036]

根據(jù)鋁合金接線板與平板試樣腐蝕失重之間的相關(guān)關(guān)系式為：m=47.004m+0.0308, r2=0.9703 [1]；式[1]中m為接線板腐蝕失重，m為平板試樣腐蝕失重，單位為mg/cm2。其中960h平板式樣的腐蝕失重為0.4mg/cm2，計算得到的接線板腐蝕失重為2.5032mg/cm2，實際的接線板腐蝕失重為2.5mg/cm2。

[0037]

鋁合金接線板導通電阻增大值與點蝕坑深之間的相關(guān)關(guān)系式為：r=0.1175d+

0.4923, r2=0.8776 [2]；式[2]中r為接線板導通電阻，單位為μω，d是腐蝕坑深度，單位是μm。其中960h腐蝕坑深度為36μm，計算得到的接線板導通電阻增大值為4.7223μω，實際的接線板導通電阻增大值為5.316μω。

[0038]

模擬了鋁合金材料及接線板的腐蝕發(fā)展。通過輪廓儀微觀檢測鋁合金及部件腐蝕表面，發(fā)現(xiàn)點蝕是其腐蝕發(fā)展的主要特征，導致表面粗糙度增大。點蝕伴隨腐蝕的發(fā)展而逐漸發(fā)展，點蝕坑直徑、點蝕坑深度等都在增大。鋁接線板的導通電阻隨著腐蝕時間的延長，也呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。因而用點蝕坑深度作為腐蝕特征參數(shù)，可準確表征鋁合金的腐蝕發(fā)展過程，點蝕與鋁合金的服役性能之間具有一定的相關(guān)性。技術(shù)特征：

r2=0.8776；式中r為接線板導通電阻，單位為μω，d是腐蝕坑深度，單位是μm。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供了一種鋁合金導體材料腐蝕特征識別與服役性能試驗，包括以下步驟：鋁導體材料腐蝕試驗試樣的選型；鋁導體腐蝕試樣的預(yù)處理；腐蝕特征參數(shù)試驗。評價方法采用：制定合適的取樣周期；將腐蝕后的鋁試樣除銹；對式樣進行腐蝕特征識別：導通電阻測試、電導率測試、表面形貌、電化學測試。該方法用于鋁導體材料典型大氣環(huán)境下腐蝕行為及服役性能變化規(guī)律的研究，提取鋁合金導體材料的腐蝕特征，對鋁合金導體材料與部件的腐蝕實現(xiàn)定性及定量判別；掌握鋁合金導體材料服役關(guān)鍵性能隨腐蝕進程的變化規(guī)律，實現(xiàn)對鋁合金導體部件的服役水平準確評價。平準確評價。平準確評價。

技術(shù)研發(fā)人員：吳亞平 宗立君 杜寶帥 樊志彬 李辛庚 田輝 米春旭 王維娜 王倩 劉鑫 朱耿增 于豐杰 張李鵬 王曉明 李文靜 姚碩 張振岳 閆風潔 高智悅

受保護的技術(shù)使用者：國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院

技術(shù)研發(fā)日：2022.11.21

技術(shù)公布日：2023/1/5