銅覆鋼接地材料缺陷的分析

邵旭明 施丹

摘 要：針對銅覆鋼接地材料埋藏地下，缺陷不易在日常巡視中發(fā)現(xiàn)，而后果又十分嚴重。經(jīng)過對一起缺陷現(xiàn)場進行排查，結(jié)合設計圖紙、相關材料，分析金屬腐蝕的原理，得出電化學腐蝕導致缺陷發(fā)生的結(jié)論。同時根據(jù)金屬腐蝕的特點，提出防治意見。

關鍵詞：銅覆鋼接地;電化學腐蝕;防治

0? 引言

供電車間對所轄線路進行周期巡視時發(fā)現(xiàn)，一處接地引下線銹蝕穿孔嚴重，部分引下線甚至斷裂。通過檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生問題的接地引下線都是采用銅覆鋼材料制成。由于無直接手段能檢測缺陷原因，對此缺陷的原因只能探索分析。

筆者從資料搜集入手，結(jié)合金屬腐蝕的基本原理，分析認為此次事件中使用的銅覆鋼材料本身存在銅皮易剝落、附著力不夠、銅皮薄容易破損的客觀因素，但更大的可能是安裝過程中的野蠻施工。

1? 應用背景

銅覆鋼是將銅皮采取特殊工藝緊密地覆蓋于鋼材表面形成的復合材料，外銅里鋼的結(jié)構(gòu)使得該材料兼有銅材良好的耐腐蝕、優(yōu)異的導電性，以及鋼材的強度高的特點。相關實驗證明[1]，銅覆鋼材料耐腐蝕能力較強，在一般腐蝕環(huán)境下可以保證30年的使用壽命。近年來，隨著國內(nèi)生產(chǎn)工藝的進步，制造成本顯著下降，性價比凸顯，愈來愈受到人們重視，并逐步在變電站、送電線路接地系統(tǒng)中得到應用[1][2]。

目前，國內(nèi)送電線路的接地系統(tǒng)絕大多都采用熱鍍鋅鋼，鋼材在熱鍍鋅層的保護下，可以保持較長時間的耐腐蝕能力。但是在日常運行維護中，需要定期刷富鋅漆、涂抹保護層，以維持其耐腐能力。在高腐蝕環(huán)境中鋅層消耗過快，無法滿足長時間運行的要求。國外傳統(tǒng)做法是使用純銅，成本高昂，容易被盜，反而不利于接地系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。

從全壽命周期成本考慮，銅覆鋼材料購置成本適中，運行費用低，并且電氣特性出色，機械性能顯著，顯然比鍍鋅鋼和純銅材料更適應高腐環(huán)境的使用要求。

目前銅覆鋼常用的生產(chǎn)方法有3種，分別是電鍍法、冷拉、連鑄法[3][4]。其工藝特點總結(jié)如下表：

2? 線路運行情況

全線共設14座AC35/DC1.5kV、35/0.4kV牽引降壓混合變電所，13座35/0.4kV降壓變電所，8座35/0.4kV跟隨式降壓變電所。

考慮到最早試運行時間為2012年6月，可知發(fā)生問題的銅覆鋼材料從建設到發(fā)現(xiàn)問題運行時間小于4年，從正式投運開始算則小于2年。

無錫地處亞熱帶季風氣候，地處江南水鄉(xiāng)，降水充足，河網(wǎng)密布，導致土壤潮濕，且年平均氣溫12℃以上，對埋藏在土壤中的接地材料的腐蝕性很強。

3? 故障排查

經(jīng)過全線巡視，對現(xiàn)場摸底發(fā)現(xiàn)以下線索：

1、鍍銅鋼絞線并沒有出現(xiàn)明顯的銹蝕斷裂等現(xiàn)象，出現(xiàn)問題的都是鍍銅鋼棒;

2、銅覆鋼銹蝕、斷裂部位均發(fā)生在該材料的彎曲部位附近;

3、斷裂位置均發(fā)生在地面與空氣接觸處。

根據(jù)以上線索，結(jié)合現(xiàn)場實際運行經(jīng)驗可以判斷是由于安裝過程中的整形破壞了鍍銅層，導致日后運行過程中的銹蝕現(xiàn)象。由此可以分析原因：不合理的安裝工藝造成了安裝缺陷，最終導致了過快腐蝕和斷裂問題。另一方面，施工作業(yè)承認由于不熟悉設備情況，安裝整形時利用了老虎鉗、尖嘴鉗等工具夾持銅覆鋼。工程選用的銅覆鋼采用了鍍銅工藝，銅層薄而脆，夾持部位易發(fā)生小傷口，正是在傷口處腐蝕發(fā)展穿孔甚至斷裂。

與此同時，即使銅覆鋼材料沒有銅的保護，鋼材也只堅持4年。這與我們?nèi)粘＝?jīng)驗不符。

筆者查閱相關資料認為，細微的傷口部位發(fā)生了電化學腐蝕，這造成有該材料短短4年內(nèi)就發(fā)生穿孔斷裂的主要原因。

4? 傷口處的電化學腐蝕

化學腐蝕是造成鋼材氧化損耗的主要原因，防止材料腐蝕也是供電系統(tǒng)日常維護工作中的一項重要內(nèi)容。在這案例中，接地線所處環(huán)境潮濕，含鹽量高，形成了電化學腐蝕。

銅和鐵都是電子的良導體，土壤中的鹽分是離子導體，鋼芯的鐵原子失去電子變成水膜中的鐵離子，所失去的價電子通過鐵傳給銅并傳給溶于水中的氧，與水分子一起形成OH離子，水膜中的OH與鐵離子擴散到一起，形成氫氧化鐵或含水氧化鐵的形式沉淀在鐵芯表面。

有兩個很不利因素：

1、接地引下線所處環(huán)境濕度大，且含有鹽分，存在離子導體，大大提高了水的導電性，大幅提高電化學腐蝕速度;

2、鐵皮只有一小部分暴露。若沒有銅片的存在，鋼芯表面同時開始腐蝕，陰極陽極全部是微電極，陰陽極面積相等，全面腐蝕的速度穩(wěn)定，分布比較均勻，腐蝕速度反而比較穩(wěn)定。但是銅片的部分剝落，形成了微小的縫隙。此時只有縫隙處的鐵原子失去電子，發(fā)生氧化反應，而水膜中的氧卻均可以在與銅接觸的任一部位得到電子形成氫氧根，即陽極面積遠小于陰極。

本線路使用的銅覆鋼材料采用電鍍工藝，銅皮與鋼材緊密度高，但是銅皮薄，性能脆，安裝時易被老虎鉗鉗口夾傷，鋼芯暴露，在含鹽水浸泡下，銅皮與鋼芯形成了天然的電化學腐蝕環(huán)境。這就是受傷的銅覆鋼材料反而耐腐蝕能力不佳的原因。

5? 結(jié)論

從以上分析可以得知，銅覆鋼材料在外層銅皮的保護下，鋼芯與外界物理隔離，使得該符合材料具有類似銅的防腐蝕能力，同時兼?zhèn)滗摬牡母邚姸?，成本適中，具有廣闊的應用前景。然而我們也要清晰的認識到，銅皮對鋼芯具有良好保護作用的前提是銅皮完整，不能存在細微傷口、刮痕、剝落等現(xiàn)象。生產(chǎn)、運輸或安裝一旦不慎，出現(xiàn)碰撞、磨損形成細微缺陷，鋼芯暴露，銅皮的保護作用消失，反倒由于電化學反應，形成了大陰極小陽極的不利狀況，大大加快縫隙處鋼芯的腐蝕消耗速度。

因此，以后利用銅覆鋼一定要高度注意以下事項：

1、務必保持銅層的完整性。加強產(chǎn)品出廠驗收和投運驗收，不能出現(xiàn)剝皮、夾傷、焊接不完整等現(xiàn)象，同時避免接地引下線大角度彎曲。整形時，不能使用硬質(zhì)金屬工具夾持。

2、銅覆鋼材料施工要求高，條件允許時，建議施工方將銅覆鋼材料施工交與廠家施工，防止出現(xiàn)質(zhì)量扯皮現(xiàn)象。

3、建議采購連鑄法生產(chǎn)的銅覆鋼材料，保證銅皮厚度。

參考文獻：

[1]馬光， 韓鈺， 聶京凱，等. 電氣工程接地用銅覆鋼腐蝕性能研究[J]. 華東電力， 2010， 38（11）：1736-1739.

[2]文習山， 宋周， 譚波，等. 銅覆鋼接地導體的電氣性能[J]. 高電壓技術， 2015， 41（2）.

[3]賀飛， 劉利梅， 鐘云，等. 銅包鋼線材及其生產(chǎn)工藝[J]. 表面技術， 2007， 36（5）：000078-90.

[4]王慶娟， 杜忠澤， 王海波. 銅包鋼線生產(chǎn)工藝的特點及現(xiàn)狀[J]. 電線電纜， 2002（4）：15-17.