架空输电用老化态铝及铝合金线屈服强度预测

陈庆吟，侯嘉鹏，沈宝兴，王 强，陈 烨，张哲峰

(1.浙江华电器材检测研究所有限公司，国家电力器材产品安全性能质量监督检验中心，浙江 杭州 310015；2.浙江华云清洁能源有限公司，浙江 杭州 310002； 3.中国科学院金属研究所，材料疲劳与断裂实验室，辽宁 沈阳 110016)

我国主要电力生产企业大多分布在边疆地区，而重要的用电城市多数在东部沿海地区，因而很多电力资源需要进行长距离输送。架空导线是长距离输电线路最重要载体，是电力能源输送的“大动脉”。国家电网承担着保障电力供应的使命，为企业的生产活动源源不断地提供电力能源[1-2]。

由于我国地域辽阔，不同区域的自然环境、地形地貌、水文条件具有一定的差异性，高压架空线路通常在山区、丘陵、高山等区域广泛应用。综合考虑性能和经济因素，铝及铝合金线是目前架空输电领域常用的导体材料[3-5]。架空导线通常需承受风吹载荷、覆冰载荷和自重载荷，所以强度是架空铝线重要的性能指标，与架空铝线的服役安全性密切相关[6-7]。然而，受自然环境因素(山火，雷击)、人为因素(线路扩容)和材料自身性质(自身电阻)的影响，架空铝线的服役温度远高于室温，当温度升高至某一临界值时，会对铝线的微观组织结构造成不可逆的改变，导致架空铝线力学性能下降，增大断线失效的风险[8-11]。架空铝线在温度影响下力学性能衰退的现象被称为架空导线的老化现象。另外，随着热服役时间的延长和热服役温度的改变，架空铝线的强度时刻处于动态变化中，如果能够通过公式计算得到老化态铝及铝合金线在不同服役温度和不同服役时间条件下的强度，那么便可以随时掌握架空铝线的强度数据，避免因为老化态铝线强度的下降导致导线失效。因此，老化态铝及铝合金线强度的预测具有非常重要的工程意义。

本文作者以架空导线领域常用的工业纯铝线和铝镁硅合金线为研究对象，对拉拔态工业纯铝线和铝镁硅合金线进行不同温度的退火处理，模拟其热服役状态。进一步测试退火态工业纯铝线和铝镁硅合金线的屈服强度，建立屈服强度与退火时间的关系，提出老化态铝及铝合金线屈服强度计算公式，并与实际测得的屈服强度进行对比，不断优化老化态铝及铝合金线屈服强度计算公式中的参数，最终建立老化态铝及铝合金线屈服强度计算公式，为实时估算服役状态下架空铝及铝合金线的屈服强度提供理论依据。

1 试验方法

1.1 铝线成分及制备工艺

本试验采用的工业纯铝线和铝镁硅合金线是直径为9.5 mm的工业纯铝杆和铝镁硅合金杆经过多道次冷拉拔工艺制备，工业纯铝线和铝镁硅合金线的直径均为2.5 mm。工业纯铝线成分如下(质量分数/%)：Si 0.11，Fe 0.25，Cu 0.01，Mn 0.03，Al余量；铝镁硅合金线成分如下(质量分数/%)：Si 0.51，Fe 0.14，Mg 0.54，La 0.13，Ce 0.22，Cu 0.01，Mn 0.02，Cr 0.01，Zn 0.03，B 0.02，Al余量。对直径为2.5 mm的工业纯铝线和铝镁硅合金线进行退火处理，退火温度为90 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃，分别保温1 h～8 h。

1.2 力学性能测试

每种铝线取3支样品进行拉伸试验，拉伸样品总长为200.0 mm，其中标距段长度为150.0 mm。随后，在静态INSTRON5982拉伸试验机上完成室温拉伸试验，拉伸速率为1.0×10-3s-1，加载方向为铝线的轴线方向。

1.3 微观组织结构表征

沿工业纯铝线和铝镁硅合金线径向取样，进行微观组织结构表征。样品需经过砂纸研磨、机械抛光以及电解抛光。电解抛光液的成分是高氯酸和乙醇(体积比为1∶9)，电解抛光电压为16.0 V，时间为1.5 min，温度为0 ℃。电解抛光之后，采用LEO Supra 35场发射扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)对工业纯铝线和铝镁硅合金线进行电子通道衬度(Electron channel contrast,ECC)观察。透射电镜观察的样品首先采用SiC砂纸打磨至厚度约为0.05 mm，然后在-20 ℃条件下采用体积分数为20%的高氯酸和80%的甲醇进行电解双喷离子减薄。双喷仪的型号为Tenupol-5化学双喷仪，之后采用200 kV的FEI Tecnai F20透射电子显微镜(Transmission electron microscope,TEM)观察微观组织。

2 试验结果与讨论

2.1 老化态工业纯铝线屈服强度预测公式

如图1所示，工业纯铝线的屈服强度随着退火时间的增加逐渐下降，当退火时间增加至8 h后，工业纯铝线屈服强度趋于稳定。此外，当退火时间相同时，工业纯铝线的屈服强度随着退火温度的升高而下降。首先，确定老化态工业纯铝线屈服强度与退火时间关系的基本函数形式：

σT=σi+(σ0-σi)·e-k·t

(1)

式中：

T—工业纯铝线退火温度；

t—退火时间；

σT—温度为T、退火时间为t时工业纯铝线的屈服强度；

σi—温度为T、退火8 h工业纯铝线的屈服强度(稳定屈服强度)；

σ0—拉拔态工业纯铝线的屈服强度；

k—工业纯铝线老化速率。

将σ0和不同退火温度下的σi代入公式(1)，并不断调整公式(1)中的k值大小，尽量使图1中老化态工业纯铝线屈服强度预测曲线与实测数据点符合，从而获得不同退火温度下工业纯铝线屈服强度预测公式。

图1 不同退火温度下工业纯铝线屈服强度与退火时间的关系

2.2 老化态铝镁硅合金线屈服强度预测公式

图2为退火态铝镁硅合金线屈服强度与退火时间的关系图。当退火温度为90 ℃和150 ℃时，随着退火时间的增加，铝镁硅合金线的屈服强度略微下降；当退火温度超过150 ℃时，铝镁硅合金线的屈服强度则随着退火时间的增加而明显下降。老化态铝镁硅合金线屈服强度预测公式同样基于公式(1)的基本形式，将公式(1)中工业纯铝线的参数替换为铝镁硅合金线的参数，通过调整k值的大小，从而获得不同退火温度下铝镁硅合金线的屈服强度预测曲线(图2)。由图2可见，铝镁硅合金线屈服强度的预测值与实测值符合较好。

图2 不同退火温度下铝镁硅合金线屈服强度与退火时间的关系

2.3 公式重要参数与微观组织的关系

通过上述研究结果可以发现，公式(1)可以用于较好地预测老化态工业纯铝线和铝镁硅合金线的屈服强度，公式中重要的参数为稳定屈服强度(σi)和老化速率(k)。表1整理了老化态工业纯铝线和铝镁硅合金线屈服强度预测公式中不同温度下的稳定屈服强度和老化速率数值。图3为根据表1绘制的工业纯铝线和铝镁硅合金线稳定屈服强度与退火温度的关系曲线。由图3可知，工业纯铝线的稳定屈服强度随着退火温度的增加逐渐下降；而铝镁硅合金线的稳定屈服强度在温度不超过150 ℃时保持不变；当温度超过150 ℃后，铝镁硅合金线稳定屈服强度迅速下降；当温度低于250 ℃时，铝镁硅合金线的稳定屈服强度始终高于工业纯铝线的稳定屈服强度；当温度高于250 ℃时，铝镁硅合金线的稳定屈服强度与工业纯铝线的稳定屈服强度相近。图4为工业纯铝线和铝镁硅合金线经过300 ℃退火8 h后利用电子通道衬度技术观察的横截面微观组织结果。由图4可知，300 ℃退火8 h后工业纯铝线和铝镁硅合金线横截面晶粒尺寸相当。因此，高温退火后工业纯铝线和铝镁硅合金线的稳定屈服强度相近。

图4 退火态工业纯铝线和退火态铝镁硅合金线横截面ECC照片

表1 退火态工业纯铝线和铝镁硅合金线稳定屈服强度和老化速率统计结果

图3 工业纯铝线和铝镁硅合金线稳定屈服强度与退火温度的关系

图5呈现了老化速率与退火温度的关系，老化速率越大铝线强度衰减越快，即铝线达到稳定屈服强度所需时间越短。当退火温度为90 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃时，工业纯铝线和铝镁硅合金线的老化速率相同，并且，随着退火温度的增加，老化速率逐渐增大。然而，在150 ℃退火条件下，铝镁硅合金线的老化速率明显小于工业纯铝线的老化速率。

图5 工业纯铝线和铝镁硅合金线老化速率与退火温度的关系

图6给出了铝镁硅合金线经过150 ℃退火8 h后横截面的透射观察结果。由图6可见，在铝镁硅合金线内观察到了大量的析出相，一方面，这种析出相起到析出相强化的作用；另一方面，在晶界处的析出相起到钉扎晶界的作用，抑制了铝镁硅合金线在150 ℃退火时的晶粒长大。所以，铝镁硅合金线在150 ℃温度下老化速率较小。

图6 150 ℃退火8 h铝镁硅合金线横截面透射照片

综上，工业纯铝线和铝镁硅合金线的稳定屈服强度和老化速率与其微观组织密切相关。

3 结 论

针对老化态架空铝线强度难以实时监控的难题，以工业纯铝线和铝镁硅合金线为研究对象，通过不同温度的退火处理模拟实际服役环境，并对工业纯铝线和铝镁硅合金线的强度和微观组织结构进行了测试和表征，提出老化态铝及铝合金线屈服强度预测公式，主要结论如下：

1)通过数值拟合的方法，提出了老化态工业纯铝线和铝镁硅合金线屈服强度预测公式，基于拉拔态铝线的屈服强度和退火态铝线的稳定屈服强度，根据退火温度选取相应的老化速率，并代入退火时间便可以计算出退火态铝线的屈服强度。

2)稳定屈服强度随着退火温度的增大逐渐下降，当温度低于250 ℃时，铝镁硅合金线的稳定屈服强度始终高于工业纯铝线的，当温度超过250 ℃时，铝镁硅合金线和工业纯铝线的稳定屈服强度大小相近。

3)老化速率随着退火温度的增高而增大，当退火温度为90 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃时，工业纯铝线和铝镁硅合金线的老化速率相同，然而，在150 ℃退火条件下，铝镁硅合金线的老化速率明显小于工业纯铝线的老化速率。

致谢：感谢国家电网浙江省电力公司项目(5211HD190002)和中国博士后科学基金资助项目(2019M661151)对本研究的支持。