基于高頻交變導(dǎo)納信號的鋼絞線腐蝕檢測方法研究

基于高頻交變導(dǎo)納信號的鋼絞線腐蝕檢測方法研究

0腐蝕檢測方法由于高壓線路的觸發(fā)誤差很大，線路的風(fēng)險監(jiān)控和報警非常重要。因此，線路風(fēng)險監(jiān)控和報警非常重要。與線路相比，自動修復(fù)或更換風(fēng)險源比擾動后被動修復(fù)能源更重要。以鋼絞線為代表的老舊架空地線，相較于落雷和風(fēng)動等短時作用，其長期緩慢腐蝕的累積危害更具有不可避免性，并且常規(guī)手段難以檢測。鋼絞線的腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，主要是干/濕鹽霧交替條件下的大氣腐蝕，包括均勻腐蝕和局部腐蝕，危害性巨大，且往往不可預(yù)見的是嚴(yán)重的局部腐蝕。局部腐蝕與地線的受力分布、雨水局部堆積等因素相關(guān)，須引起高度重視。對地線腐蝕的常規(guī)微結(jié)構(gòu)檢測(如目測、卡尺測量以及X射線檢測)需要人員登塔觀測，樣本的局限性較大;而離網(wǎng)分析方法(如在線路上取樣后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)性能等測試)為有損檢測，需要對線路調(diào)停，工作量巨大且檢測周期較長。一些在線故障分析、監(jiān)測技術(shù)僅針對光纖復(fù)合架空地線(OPGW)1高頻交變信號分析眾所周知，金屬存在趨膚效應(yīng)，即在高頻交變信號下，信號僅沿金屬的表層傳輸，因此對表面影響電路傳輸?shù)木Ы缱兓?、腐蝕產(chǎn)物堆積等狀態(tài)極為敏感，腐蝕程度不同其高頻交變信號差異顯著。圖1為鋼絞線在高頻交變信號下的模擬等效電路，由絞線自身的電阻R、腐蝕層的電容C、高頻交變信號下的電感L組成，總阻抗Z對應(yīng)地，復(fù)導(dǎo)納Y其中，實(shí)導(dǎo)納Y’為:由公式(3)可見，實(shí)導(dǎo)納隨著交變頻率f增加單調(diào)減小;而虛導(dǎo)納Y”為:由公式(4)可見，虛導(dǎo)納在Y”～lgf譜中存在極值峰位，極值峰位的極值頻率f大小為:由公式(5)可知，f隨著R的變大而增加，而腐蝕截面變小將加劇絞線電阻R變大，虛導(dǎo)納峰位向高頻移動;其中由腐蝕產(chǎn)物堆積形成的電容層，根據(jù)電容公式:2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)性能2.1干/濕鹽霧試驗(yàn)試材采用35鋼絞線，由7股單根直徑約2.60mm的股線絞合而成，其外徑約7.80mm;單根股線拉斷力大于7700N(對應(yīng)抗拉強(qiáng)度為1450MPa)。將未服役的GJ-35鋼絞線截取40cm等長若干根，去離子水清洗后放入鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱(GP/SP-90PPD)，按GB10125-1997的要求進(jìn)行周期性干/濕鹽霧試驗(yàn)。噴霧介質(zhì)為用去離子水制備的(50±5)g/LNaCl溶液，試驗(yàn)箱溫度(35±2)℃，沉降量1～2mL/(80cm2.2同層股線腐蝕將經(jīng)若干腐蝕試驗(yàn)周期的鋼絞線拆股，分別取內(nèi)、外層單根股線，在兩端打磨去除腐蝕層后與導(dǎo)納儀(ZahnerIM6ex)進(jìn)行歐姆連接，在0V直流偏壓、10mV交流擾動偏壓下進(jìn)行恒壓模式的導(dǎo)納譜測試，測試頻率范圍為1Hz～1MHz;導(dǎo)納儀通過施加某一頻率下的擾動信號，獲取反饋信號，同時記錄實(shí)導(dǎo)納和虛導(dǎo)納隨測試頻率的變化數(shù)據(jù)，通過曲線圖可以獲取導(dǎo)納譜的極值頻率。對不同周期數(shù)的股線進(jìn)行XRD(PhilipsX’pertPro)原位測試，即將截取的1段股線插入儀器探測槽，儀器通過θ-2θ聯(lián)動記錄股線表面在不同角度下的XRD衍射信號;1個周期股線測試完畢后更換另1周期股線，最后將不同周期的數(shù)據(jù)放在同一圖中比較衍射峰的變化。XRD測試后取1小截股線，用樹脂鑲嵌后進(jìn)行掃描電鏡(Sirion200FEG)表征，確定腐蝕坑直徑、深度，并通過能譜分析確定腐蝕物的元素分布。最后將周期腐蝕后的鋼絞線按照內(nèi)、外層股線，逐根放入拉力機(jī)(YL-D100)，將股線兩端用夾具夾緊，緩慢進(jìn)行拉伸，獲取斷股時的拉斷力;對同一周期的同層股線測試多組拉斷力，統(tǒng)計后作圖，展示拉斷力隨腐蝕周期的衰減。研究整股鋼絞線的整體腐蝕時，將其裁剪成有效長度5m，整體腐蝕時除兩端連接測試電極部分采用樹脂、密封膠帶密封外，其余部分直接暴露在鹽霧氣氛中;局部腐蝕時5m鋼絞線中間預(yù)留25cm暴露在鹽霧氣氛中，其余部分全部用隔絕氣氛的軟管密封。噴霧介質(zhì)為室溫下含50g/LNaCl、51g/LNaNO3結(jié)果與討論3.1點(diǎn)區(qū)全元素分析為達(dá)到快速腐蝕的效果，所用鋼絞線原始表面未鍍鋅，XRD譜顯示其成分主要是體心立方相的Fe，而經(jīng)過一定周期的NaCl中性鹽霧腐蝕后，在鋼絞線表面生成了1層單斜相的Fe掃描電鏡的制樣及表征過程:將原始表面未鍍鋅的新鋼絞線以及腐蝕不同周期的含銹層鋼絞線，拆股后截取1小段股線，外周用樹脂鑲嵌;觀察斷面獲取芯部直徑和銹層厚度，運(yùn)用能譜沿外周樹脂、銹層、鋼絞線芯部進(jìn)行線掃描，判定元素分布、界面狀態(tài)，同時對銹層進(jìn)行點(diǎn)區(qū)全元素分析來確定其成分。圖3為無鋅層新鋼絞線在中性鹽霧腐蝕前、樹脂鑲嵌后的SEM形貌及能譜分析結(jié)果。從圖3可知，新鋼絞線股線直徑約2.62mm(圖3a);將截面放大觀察界面，發(fā)現(xiàn)股線芯部被厚度約62μm的致密層覆蓋(圖3b);為確定成分，運(yùn)用能譜沿外周樹脂到鋼絞線芯部進(jìn)行線掃描，能譜掃描位置和結(jié)果見圖3c、圖3d，結(jié)果表明外側(cè)是樹脂的C、O元素，芯部是鋼絞線的Fe元素，這也得到了點(diǎn)區(qū)全元素分析的證實(shí)(見圖3e、圖3f);而覆蓋的致密層除了C元素外，O、Fe元素的原子比大于1.5(圖3g)，確認(rèn)為Fe圖4為中性鹽霧腐蝕2周期、無鋅層鋼絞線鑲嵌后的SEM形貌及能譜分析結(jié)果。從圖4可知，腐蝕2周期后，鋼絞線芯部減小為2.60mm(圖4a)，而原本62μm的致密氧化層被91μm的銹層取代(圖4b);由點(diǎn)區(qū)全元素分析確定銹層的成分是Fe3.2拉斷力極值頻率的信號分析針對鋼絞線隨腐蝕加劇有效截面損失、拉斷力逐漸降低的問題，需要開發(fā)一種便于操作、具有可觀測的方法來在線監(jiān)控，本工作采用前面提到的高頻交變導(dǎo)納信號來實(shí)施?？紤]到鋼絞線內(nèi)外層腐蝕情況不同，電學(xué)測試時也按照內(nèi)外層區(qū)分(圖6)。在測試頻率范圍內(nèi)虛導(dǎo)納存在一個極值，且極值頻率隨著腐蝕加劇向高頻單調(diào)移動，與前面理論預(yù)測結(jié)果一致。通過對比極值頻率、鋼絞線的單根股線拉斷力隨腐蝕時間的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者正向相關(guān)(圖6c、圖6d):拉斷力衰減嚴(yán)重時，其極值頻率增加明顯;內(nèi)層單根股線拉斷力比同期外層的高，其對應(yīng)的極值頻率比同期外層的小。對于內(nèi)層，個別數(shù)據(jù)點(diǎn)極值頻率和拉斷力的相關(guān)性不明顯，這是由于拆股過程中，外層股線一根根從內(nèi)層股線上剝離，造成內(nèi)層股線磨損嚴(yán)重、銹層掉落明顯，在導(dǎo)納測試時對腐蝕層的電容等有影響。這一問題在下面采用整股鋼絞線測試時可以回避。上述信號是針對拆股后的單根絞線建立的與力學(xué)性能的聯(lián)系。而實(shí)際監(jiān)測時采用整股測試，同時要考慮局部腐蝕的影響。為此，將加速腐蝕環(huán)境替換為多離子混合的酸性環(huán)境并使用環(huán)形卡夾，在不同腐蝕時間后的5m整股絞線兩側(cè)加上交變信號測試，結(jié)果見圖7。從圖7可知，與單根絞線類似，均勻腐蝕時，整股絞線的虛導(dǎo)納也存在極值頻率，頻率數(shù)值隨腐蝕時間單調(diào)增加。更重要的是，對于局部腐蝕，發(fā)現(xiàn)在原有整體均勻腐蝕的導(dǎo)納信號上可以疊加自身信號，不會導(dǎo)致原來均勻腐蝕峰位移動的紊亂;隨著后期工作的開展，有可能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對局部腐蝕信號的區(qū)分。由此建立了鋼絞線拉斷力與單根絞線導(dǎo)納信號極值頻率的對應(yīng)關(guān)系，并確立了整股鋼絞線導(dǎo)納信號極值頻率與腐蝕時間維度的正向相關(guān)性。通過不同使用條件下拉斷力損失百分比的預(yù)警判據(jù)，找到試驗(yàn)時對應(yīng)拉斷力數(shù)值下的導(dǎo)納信號極值頻率，測試實(shí)際服役鋼絞線的整股導(dǎo)納信號，如果其極值頻率已大于預(yù)警頻率，則發(fā)出使用警告。用此方法對服役了27a的寶天631線進(jìn)行檢測發(fā)出了腐蝕預(yù)警，檢測服役已達(dá)47a的邢阜781線時顯示仍可正常運(yùn)行。目前針對安徽省內(nèi)架空鋼絞線的剩余壽命預(yù)測及更換判據(jù)的研究推進(jìn)順利，有望推動不同環(huán)境地區(qū)老式架空地線日常維保