基于高频交变导纳信号的钢绞线腐蚀检测方法研究

基于高频交变导纳信号的钢绞线腐蚀检测方法研究

0腐蚀检测方法由于高压线路的触发误差很大，线路的风险监控和报警非常重要。因此，线路风险监控和报警非常重要。与线路相比，自动修复或更换风险源比扰动后被动修复能源更重要。以钢绞线为代表的老旧架空地线，相较于落雷和风动等短时作用，其长期缓慢腐蚀的累积危害更具有不可避免性，并且常规手段难以检测。钢绞线的腐蚀以电化学腐蚀为主，主要是干/湿盐雾交替条件下的大气腐蚀，包括均匀腐蚀和局部腐蚀，危害性巨大，且往往不可预见的是严重的局部腐蚀。局部腐蚀与地线的受力分布、雨水局部堆积等因素相关，须引起高度重视。对地线腐蚀的常规微结构检测(如目测、卡尺测量以及X射线检测)需要人员登塔观测，样本的局限性较大;而离网分析方法(如在线路上取样后到实验室进行力学性能等测试)为有损检测，需要对线路调停，工作量巨大且检测周期较长。一些在线故障分析、监测技术仅针对光纤复合架空地线(OPGW)1高频交变信号分析众所周知，金属存在趋肤效应，即在高频交变信号下，信号仅沿金属的表层传输，因此对表面影响电路传输的晶界变化、腐蚀产物堆积等状态极为敏感，腐蚀程度不同其高频交变信号差异显著。图1为钢绞线在高频交变信号下的模拟等效电路，由绞线自身的电阻R、腐蚀层的电容C、高频交变信号下的电感L组成，总阻抗Z对应地，复导纳Y其中，实导纳Y’为:由公式(3)可见，实导纳随着交变频率f增加单调减小;而虚导纳Y”为:由公式(4)可见，虚导纳在Y”～lgf谱中存在极值峰位，极值峰位的极值频率f大小为:由公式(5)可知，f随着R的变大而增加，而腐蚀截面变小将加剧绞线电阻R变大，虚导纳峰位向高频移动;其中由腐蚀产物堆积形成的电容层，根据电容公式:2试验材料和试验性能2.1干/湿盐雾试验试材采用35钢绞线，由7股单根直径约2.60mm的股线绞合而成，其外径约7.80mm;单根股线拉断力大于7700N(对应抗拉强度为1450MPa)。将未服役的GJ-35钢绞线截取40cm等长若干根，去离子水清洗后放入盐雾腐蚀试验箱(GP/SP-90PPD)，按GB10125-1997的要求进行周期性干/湿盐雾试验。喷雾介质为用去离子水制备的(50±5)g/LNaCl溶液，试验箱温度(35±2)℃，沉降量1～2mL/(80cm2.2同层股线腐蚀将经若干腐蚀试验周期的钢绞线拆股，分别取内、外层单根股线，在两端打磨去除腐蚀层后与导纳仪(ZahnerIM6ex)进行欧姆连接，在0V直流偏压、10mV交流扰动偏压下进行恒压模式的导纳谱测试，测试频率范围为1Hz～1MHz;导纳仪通过施加某一频率下的扰动信号，获取反馈信号，同时记录实导纳和虚导纳随测试频率的变化数据，通过曲线图可以获取导纳谱的极值频率。对不同周期数的股线进行XRD(PhilipsX’pertPro)原位测试，即将截取的1段股线插入仪器探测槽，仪器通过θ-2θ联动记录股线表面在不同角度下的XRD衍射信号;1个周期股线测试完毕后更换另1周期股线，最后将不同周期的数据放在同一图中比较衍射峰的变化。XRD测试后取1小截股线，用树脂镶嵌后进行扫描电镜(Sirion200FEG)表征，确定腐蚀坑直径、深度，并通过能谱分析确定腐蚀物的元素分布。最后将周期腐蚀后的钢绞线按照内、外层股线，逐根放入拉力机(YL-D100)，将股线两端用夹具夹紧，缓慢进行拉伸，获取断股时的拉断力;对同一周期的同层股线测试多组拉断力，统计后作图，展示拉断力随腐蚀周期的衰减。研究整股钢绞线的整体腐蚀时，将其裁剪成有效长度5m，整体腐蚀时除两端连接测试电极部分采用树脂、密封胶带密封外，其余部分直接暴露在盐雾气氛中;局部腐蚀时5m钢绞线中间预留25cm暴露在盐雾气氛中，其余部分全部用隔绝气氛的软管密封。喷雾介质为室温下含50g/LNaCl、51g/LNaNO3结果与讨论3.1点区全元素分析为达到快速腐蚀的效果，所用钢绞线原始表面未镀锌，XRD谱显示其成分主要是体心立方相的Fe，而经过一定周期的NaCl中性盐雾腐蚀后，在钢绞线表面生成了1层单斜相的Fe扫描电镜的制样及表征过程:将原始表面未镀锌的新钢绞线以及腐蚀不同周期的含锈层钢绞线，拆股后截取1小段股线，外周用树脂镶嵌;观察断面获取芯部直径和锈层厚度，运用能谱沿外周树脂、锈层、钢绞线芯部进行线扫描，判定元素分布、界面状态，同时对锈层进行点区全元素分析来确定其成分。图3为无锌层新钢绞线在中性盐雾腐蚀前、树脂镶嵌后的SEM形貌及能谱分析结果。从图3可知，新钢绞线股线直径约2.62mm(图3a);将截面放大观察界面，发现股线芯部被厚度约62μm的致密层覆盖(图3b);为确定成分，运用能谱沿外周树脂到钢绞线芯部进行线扫描，能谱扫描位置和结果见图3c、图3d，结果表明外侧是树脂的C、O元素，芯部是钢绞线的Fe元素，这也得到了点区全元素分析的证实(见图3e、图3f);而覆盖的致密层除了C元素外，O、Fe元素的原子比大于1.5(图3g)，确认为Fe图4为中性盐雾腐蚀2周期、无锌层钢绞线镶嵌后的SEM形貌及能谱分析结果。从图4可知，腐蚀2周期后，钢绞线芯部减小为2.60mm(图4a)，而原本62μm的致密氧化层被91μm的锈层取代(图4b);由点区全元素分析确定锈层的成分是Fe3.2拉断力极值频率的信号分析针对钢绞线随腐蚀加剧有效截面损失、拉断力逐渐降低的问题，需要开发一种便于操作、具有可观测的方法来在线监控，本工作采用前面提到的高频交变导纳信号来实施。考虑到钢绞线内外层腐蚀情况不同，电学测试时也按照内外层区分(图6)。在测试频率范围内虚导纳存在一个极值，且极值频率随着腐蚀加剧向高频单调移动，与前面理论预测结果一致。通过对比极值频率、钢绞线的单根股线拉断力随腐蚀时间的变化关系，发现二者正向相关(图6c、图6d):拉断力衰减严重时，其极值频率增加明显;内层单根股线拉断力比同期外层的高，其对应的极值频率比同期外层的小。对于内层，个别数据点极值频率和拉断力的相关性不明显，这是由于拆股过程中，外层股线一根根从内层股线上剥离，造成内层股线磨损严重、锈层掉落明显，在导纳测试时对腐蚀层的电容等有影响。这一问题在下面采用整股钢绞线测试时可以回避。上述信号是针对拆股后的单根绞线建立的与力学性能的联系。而实际监测时采用整股测试，同时要考虑局部腐蚀的影响。为此，将加速腐蚀环境替换为多离子混合的酸性环境并使用环形卡夹，在不同腐蚀时间后的5m整股绞线两侧加上交变信号测试，结果见图7。从图7可知，与单根绞线类似，均匀腐蚀时，整股绞线的虚导纳也存在极值频率，频率数值随腐蚀时间单调增加。更重要的是，对于局部腐蚀，发现在原有整体均匀腐蚀的导纳信号上可以叠加自身信号，不会导致原来均匀腐蚀峰位移动的紊乱;随着后期工作的开展，有可能在此基础上实现对局部腐蚀信号的区分。由此建立了钢绞线拉断力与单根绞线导纳信号极值频率的对应关系，并确立了整股钢绞线导纳信号极值频率与腐蚀时间维度的正向相关性。通过不同使用条件下拉断力损失百分比的预警判据，找到试验时对应拉断力数值下的导纳信号极值频率，测试实际服役钢绞线的整股导纳信号，如果其极值频率已大于预警频率，则发出使用警告。用此方法对服役了27a的宝天631线进行检测发出了腐蚀预警，检测服役已达47a的邢阜781线时显示仍可正常运行。目前针对安徽省内架空钢绞线的剩余寿命预测及更换判据的研究推进顺利，有望推动不同环境地区老式架空地线日常维保