基于高頻交變導納信號的鋼絞線腐蝕檢測方法研究

基于高頻交變導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，線路的風險監(jiān)控和報警非常重要。因此，線路風險監(jiān)控和報警非常重要。與線路相比，自動修復或更換風險源比擾動后被動修復能源更重要。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，且往往不可預見的是嚴重的局部腐蝕。局部腐蝕與地線的受力分布、雨水局部堆積等因素相關，須引起高度重視。對地線腐蝕的常規(guī)微結構檢測(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;而離網分析方法(如在線路上取樣后到實驗室進行力學性能等測試)為有損檢測，需要對線路調停，工作量巨大且檢測周期較長。一些在線故障分析、監(jiān)測技術僅針對光纖復合架空地線(OPGW)1高頻交變信號分析眾所周知，金屬存在趨膚效應，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對應地，復導納Y其中，實導納Y’為:由公式(3)可見，實導納隨著交變頻率f增加單調減小;而虛導納Y”為:由公式(4)可見，虛導納在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，虛導納峰位向高頻移動;其中由腐蝕產物堆積形成的電容層，根據(jù)電容公式:2試驗材料和試驗性能2.1干/濕鹽霧試驗試材采用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(對應抗拉強度為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箱(GP/SP-90PPD)，按GB10125-1997的要求進行周期性干/濕鹽霧試驗。噴霧介質為用去離子水制備的(50±5)g/LNaCl溶液，試驗箱溫度(35±2)℃，沉降量1～2mL/(80cm2.2同層股線腐蝕將經若干腐蝕試驗周期的鋼絞線拆股，分別取內、外層單根股線，在兩端打磨去除腐蝕層后與導納儀(ZahnerIM6ex)進行歐姆連接，在0V直流偏壓、10mV交流擾動偏壓下進行恒壓模式的導納譜測試，測試頻率范圍為1Hz～1MHz;導納儀通過施加某一頻率下的擾動信號，獲取反饋信號，同時記錄實導納和虛導納隨測試頻率的變化數(shù)據(jù)，通過曲線圖可以獲取導納譜的極值頻率。對不同周期數(shù)的股線進行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、外層股線，逐根放入拉力機(YL-D100)，將股線兩端用夾具夾緊，緩慢進行拉伸，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。噴霧介質為室溫下含50g/LNaCl、51g/LNaNO3結果與討論3.1點區(qū)全元素分析為達到快速腐蝕的效果，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，運用能譜沿外周樹脂、銹層、鋼絞線芯部進行線掃描，判定元素分布、界面狀態(tài)，同時對銹層進行點區(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，運用能譜沿外周樹脂到鋼絞線芯部進行線掃描，能譜掃描位置和結果見圖3c、圖3d，結果表明外側是樹脂的C、O元素，芯部是鋼絞線的Fe元素，這也得到了點區(qū)全元素分析的證實(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納信號來實施?？紤]到鋼絞線內外層腐蝕情況不同，電學測試時也按照內外層區(qū)分(圖6)。在測試頻率范圍內虛導納存在一個極值，且極值頻率隨著腐蝕加劇向高頻單調移動，與前面理論預測結果一致。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系，發(fā)現(xiàn)二者正向相關(圖6c、圖6d):拉斷力衰減嚴重時，其極值頻率增加明顯;內層單根股線拉斷力比同期外層的高，其對應的極值頻率比同期外層的小。對于內層，個別數(shù)據(jù)點極值頻率和拉斷力的相關性不明顯，這是由于拆股過程中，外層股線一根根從內層股線上剝離，造成內層股線磨損嚴重、銹層掉落明顯，在導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性能的聯(lián)系。而實際監(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整股絞線兩側加上交變信號測試，結果見圖7。從圖7可知，與單根絞線類似，均勻腐蝕時，整股絞線的虛導納也存在極值頻率，頻率數(shù)值隨腐蝕時間單調增加。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納信號上可以疊加自身信號，不會導致原來均勻腐蝕峰位移動的紊亂;隨著后期工作的開展，有可能在此基礎上實現(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納信號極值頻率的對應關系，并確立了整股鋼絞線導納信號極值頻率與腐蝕時間維度的正向相關性。通過不同使用條件下拉斷力損失百分比的預警判據(jù)，找到試驗時對應拉斷力數(shù)值下的導納信號極值頻率，測試實際服役鋼絞線的整股導納信號，如果其極值頻率已大于預警頻率，則發(fā)出使用警告。用此方法對服役了27a的寶天631線進行檢測發(fā)出了腐蝕預警，檢測服役已達47a的邢阜781線時顯示仍可正常運行。目前針對安徽省內架空鋼絞線的剩余壽命預測及更換判據(jù)的研究推進順利，有望推動不同環(huán)境地區(qū)老式架空地線日常維保