SE536835C2

SE536835C2 - En luftledning för elkraft

Info

Publication number: SE536835C2
Application number: SE1251127A
Authority: SE
Inventors: Anders Söderman
Original assignee: Sandvik Intellectual Property
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-09-30
Also published as: IN2014KN00981A; WO2014055010A1; SE1251127A1

Abstract

En luftledning för elkraft (1) som innefattar ledningstrådar (2) och en stödvajer (3),kännetecknad av att stödvajern innefattar en ferritisk-austenitisk stållegering somhuvudsakligen består av 30-70 vol% ferrit och 30-70 vol% austenit, varvid stållegeringen har den följande sammansättningen i viktsprocent (vikts%):C:

Description

20 25 536 835 För att möta dessa behov används Iegeringen Invar i stödtrådarna. Invar har låg termisk expansionskoefficient, dock är Invar ett mycket dyrt material p g a dess höga nickelinnehåll (35 - 40%). Ytterligare nackdelar med med lnvarTM är dess relativt låga styrka, 30 - 35% av styrkan hos kolstål.

Ett problem relaterat till både kolstål och Invar är det låga korrosionsmotståndet hos dessa material. Det låga motståndet mot korrosion kan i viss utsträckning kompenseras genom t ex galvanisering. Emellertid, i vissa miljöer såsom kustområden är korrosionen så hög att livslängden hos Invar och kolstål blir oacceptabelt kort.

JP61266558 visar ett ytterligare material som har föreslagits tidigare för användning som förstärkning i elektriska ledningar. Emellertid, detta material har inte tillräckligt låg termisk expansion för att användas i moderna kraftnät.

Följaktligen, det är ett syfte för föreliggande uppfinning att åstadkomma en prisbillig luftledning för elkraft, som är korrosionsresistent, har hög styrka samt kan användas vid temperaturer som överskrider 200°C.

Sammanfattning av uppfinningen Detta syfte uppnås av en luftledning för elkraft (1) som innefattar ledningstrådar (2) och en stödvajer (3), kännetecknad av att stödvajern innefattar en ferritisk- austenitisk stållegering som huvudsakligen består av 30-70 vol% ferrit och 30-70 vol% austenit, varvid stållegeringen har den följande sammansättningen i viktsprocent (vikts%): C: N: 0,1 -0,5 Ni: 0,1 - 3 Cr: 18-30 10 15 20 25 536 835 l\/ln: 1 - 10 Si: < 2,0 Cu: 5 3 C01 5 3 IVIOI 5 2 rest Fe och normalt förekommande föroreningar.

Materialet som används i stödvajern hos den uppfinningsenliga luftledningen är en variant av så kallad duplex rostfri stållegering, d v s ett rostfritt stål som har en struktur av både austenit och ferrit. Stållegeringen i stödvajern hos den uppfinningsenliga kraftledningen är känd för att ha hög styrka, god duktilitet samt mycket bra motstånd mot korrosion. På grund av dessa egenskaper har stållegeringen funnit användning som förstärkning i konstruktioner, till exempel som stödvajrar i broar eller som lastbärande element i marinkonstruktioner.

Emellertid, hitintill har det inte rapporterats att denna stållegering har använts i applikationer där en låg termisk expansion är viktig.

När uppfinnaren utförde mätningar på stållegeringen ovan upptäcktes det överraskande att stålet uppvisade en oväntad låg termisk expansionskoefficient vid höga temperaturer. Den Termiska Expansionskoefficienten (TEK) befanns ligga i intervallet av 9,2 - 9,6 x 10'6/°C i temperaturintervallet av 200 - 300 °C. Förväntade värden, baserat på andra duplexa stål, är ungefär 11,5 x 10'6/°C i samma temperaturintervall.

På grund av dess låga termiska expansionskoefficient vid höga temperaturer i förening med hög styrka, hög torsionsduktilitet samt bra korrosionsmotstånd är stållegeringen mycket lämplig som stödvajer i luftledningar för elkraft.

Orsaken till den låga termiska expansionen hos stålet har inte förståtts fullständigt.

Dock antas den att åtminstone delvis bero på de balanserade tillsatserna av 10 15 20 25 536 835 mangan och kväve i stålet. Den låga termiska expansionseffekten utsträcks genom ökning av densiteten av kristalldefekter vilken är beroende av deformationsgraden, strukturens tillstånd under deformation och legeringssammansättningen. Mangan och kväve ökar deformationshärdningen och förorsakar därvid en ökad densitet av kristalldefekter i strukturen. Den duplexa matrisen i sig kan också ha en påverkan på termisk expansion, genom en utvidgad mängd av fasgränser.

Den uppfinningsenliga luftburna ledningen tillhandahåller följande fördelar: Det goda korrosionsmotståndet säkerställer lång livslängd hos ledningen i kustområden. Stållegeringen har en Kritisk Gropfrätningstemperatur (”Critical Pitting Temperature (CPT)") av 45 - 60 °C (0,1 %NaCl) +300mV) vilket säkerställer tillräckligt korrosionsmotstånd i alla miljöer.

Den höga styrkan hos stödvajern gör det möjligt att använda den uppfinningsenliga luftledningen i kalla klimat där isbildning kan tynga ned ledningen till en punkt där den går av. Vajern har följande mekaniska egenskaper: Draghållfasthet, Fšm = 1877 l\/lPa, sträckgräns, Rp = 1416 l\/lPa.

Vajern har vidare en vridduktilitet av 24 - 28 varv över en vajerlängd som är lika med vajerdiametern x 100. Vridduktiliteten är mycket hög i jämförelse med andra material. Vridduktilitet är en viktig egenskap hos vajern eftersom ledningar för elkraft tillverkas genom tvinning av flera kablar till en ledning som kan ha en längd av flera hundra meter. Enligt internationella standarder måste ett material som är utformat för användning i ledningar ha en vridduktilitet av åtminstone 20 varv.

På grund av den höga styrkan kan diametern hos stödvajern reduceras, detta gör det möjligt att öka antalet aluminiumledningar i den uppfinningsenliga kraftledningen med bibehållen total ledningsdiameter. Fördelen därmed är att kapaciteten hos ledningen kan ökas utan ökning av den totala diametern hos ledningen. 10 15 20 536 835 Speciellt kan den stödjande stålvajern ha en sammansättning (i vikts%) av; C: 0,01 -0,07; N: 0,1 - 0,3; Ni: 1 - 3; Cr: 18- 25; I\/ln: 2- 8; Si: 0,1 - 1; I\/lo: <1,0.

Enligt alternativ kan mängden kol vara 0,01 - 0,03 vikts%.

Enligt alternativ kan mängden kväve vara 0,20 - 0,25 vikts%.

Enligt alternativ kan mängden mangan vara 2 - 6 vikts%.

Enligt alternativ kan kisel vara 0,1 - 1,5 vikts%.

I synnerhet kan den stödjande stålvajern ha en sammansättning (i vikts%) av: C: 0,03; N: 0,22; Ni: 1,49; Cr: 21,6; Si: 0,71; I\/lo: 0,15; Mn: 4,8; Mo: 0,15.

Kortfattad beskrivning av ritningar Figur 1: en schematisk ritning av ett tvärsnitt av en luftledning för elkraft enligt uppfinningen.

Figur 2: en schematisk ritning av en sidovy av en del av en luftledning för elkraft enligt uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Figur 1 visar den uppfinningsenliga luftkraftledningen 1 i tvärsnitt. Figur 2 visar en sidovy av en del av den uppfinningsenliga luftkraftledningen. Den generella designen av ledningen är känd inom tekniken och därför kommer dess konstruktion endast beskrivas kortfattat här. Kraftledningen, som kan ha vilken längd och diameter som helst, innefattar flera aluminumledningar 2, d v s aluminumtràdar.

Kraftledningen kan innefatta vilket antal aluminiumledningar som helst, t ex 3 - 10, åtminstone 20, åtminstone 50, i figur 1 innefattar ledningen 30 aluminiumledningar.

Aluminiumledningarna omger en stödvajer 3 som är anordnad i centrum av 10 15 20 25 536 835 kraftledningen. Stödvajern 3 kan vara en enda tråd eller flera trådar, såsom 2 eller 3 eller flera trådar som tvinnats samman, i figur 1 innefattar stödvajern 7 trådar som är sammantvinnade. Vajern kan ha vilken lämplig diameter som helst, t ex 1 - 5 mm, typiskt 1,78 - 4,75 mm. Hela kraftledningen kan tillverkas genom att vira och tvinna aluminiumtrådar kring den centrala stödvajer.

Stödvajern består av, d v s är fullständigt tillverkad av, en ferritisk-austenitisk stållegering som består av de följande legeringselementen: Kol (C) gynnar starkt bildandet av austenit. Kol ökar vidare den mekaniska styrkan genom bildande av karbider med andra legeringselement i stålet, som t ex krom.

Emellertid, en stor mängd kol reducerar drastiskt duktiliteten och korrosionsmotståndet hos stållegeringen. Mängden kol skall därför begränsas till 50,1 vikts%, alternativt 0,01 - 0,07 vikts%; alternativt 0,01 - 0,03 vikts%.

Kväve (N) gynnar starkt bildande av austenit och ökar stållegeringens motstånd mot gropfrätning (”pitting corrosion”). Kväve ökar vidare den mekaniska styrkan hos stålet genom utskiljning av karbider. Emellertid, för höga mängder av kväve kan leda till utskiljning av en spröd fas av kromnitrider. Högre mängder av kväve ökar också risken för att överskrida lösningsgränsen för kväve i den solida fasen och därmed ge upphov till gasfas (bubblor) i stålet. Innehållet av kväve i stålet bör därför vara 0,1 - 0,6 vikts%, alternativt 0,1 - 0,3 vikts%, alternativt 0,20 - 0,25 vikts%.

Nickel (Ni) är ett dyrt legeringselement som ger ett stort bidrag till legeringskostnaden hos en standard austenitisk rostfri stållegering. Nickel gynnar bildandet av austenit och förhindrar följaktligen bildandet av ferrit. Nickel är därför en viktig beståndsdel i stödvajerns stål som skall vara duplext, d v s ha både en austenitisk och en ferritisk fas. Vidare förbättrar nickel duktiliteten och i viss utsträckning även korrosionsmotståndet. För att säkerställa duktilitet och tillräcklig mängd austenitisk fas i stålet skall mängden nickel vara 0,1 - 3 vikts% 10 15 20 25 536 835 Krom (Cr) är ett viktigt element hos den rostfria stållegeringen eftersom det tillhandahåller korrosionsmotstånd genom bildande av ett krom-oxid lager på ytan av stållegeringen. Krom är vidare ett ferritstabiliserande legeringselement och är därför viktigt för att säkerställa en duplex fas av både austenit och ferrit i stålet hos stödvajern. Halten krom bör vara 18 - 30, 18 - 25 vikts%.

Mangan (Mn) stabiliserar den austenitiska fasen och är därför ett viktigt element som ersättning för nickel för att kontrollera mängden ferritisk fas som bildas i stållegeringen. Kostnaden för mangan är lägre än kostnaden för nickel och därför kan den totala kostnaden för legeringen reduceras genom att ersätta nickel med mangan. En annan positiv effekt av mangan är att det gynnar lösligheten av kväve i den solida fasen och därigenom också indirekt ökar stabiliteten hos den austenitiska mikrostrukturen. Mangan kommer dock att öka deformationshärdningen av stållegeringen vilket ökar den mekaniska styrkan och sänker duktiliteten och förorsakar en förhöjd risk för bildande av sprickor i stållegeringen under kallbearbetning. Stora mängder mangan reducerar också korrosionsmotståndet mot gropfrätning (”pitting corrosion”). Mängden mangan i stållegeringen bör därför begränsas till ett intervall från 1 - 10 vikts%, alternativt 2 - 8 vikts%, alternativt 2 - 6 vikts%.

Kisel (Si) är nödvändigt för att avlägsna syre från stålsmältan under tillverkning av stållegeringen och därför kommer stållegeringen att innehålla viss mängd av kisel.

Emellertid, kisel ökar tendensen för utskiljning av intermetalliska faser vilket gör materialet sprött och har därför en negativ inverkan på materialets vridduktilitet.

Hög vridduktilitet är en viktig egenskap hos stödvajern eftersom vajern vrids flera gånger under tillverkning av luftledningen för elkraft och det är därför viktigt att hålla halten av kisel sä låg som möjligt i den stödjande stälvajern. Följaktligen, mängden kisel i den stödjande stålvajern bör därför begränsas till ett maximum av 2,0 vikts%, alternativt 0,1 - 1,5 vikts%. 10 15 20 25 536 835 Koppar (Cu) ökar duktiliteten hos stålet och stabiliserar den austenitiska fasen. Vid höga temperaturer reducerar en för hög mängd av koppar starkt varmbearbetbarheten hos stålet. Mängden koppar i stållegeringen bör därför begränsas till ett maximum av 3,0 vikts%.

Kobolt (Co) kan användas för att ersätta en del nickel som austenitstabiliserande ämne. Emellertid är kobolt ett dyrt ämne sä det bör begränsas till ett maximum av 3,0 vikts%.

Molybden (Mo) förbättrar starkt korrosionsmotständet i de flesta miljöer. Det har också en starkt stabiliserande effekt på den ferritiska fasen. Emellertid, molybden är ett dyrt legeringselement och därför skall mängden molybden i stållegeringen begränsas till ett maximum av 2,0 vikts%.

Den stödjande stålvajern hos den uppfinningsenliga luftkraftledningen skall ha s k duplex struktur. l\/led duplex struktur avses att strukturen hos den stödjande stålvajern består av både ferrit och austenit. Ferrit har låg termisk utvidgning det är därför viktigt att tillräckligt med ferritisk fas finns i legeringen. Emellertid, i jämförelse med austenit, är ferrit mjukt och har låg duktilitet. Den austenitiska fasen har hög termisk expansion och är seg och har hög styrka. I ett duplext stål åstadkommer närvaron av en blandning av ferrit och austenit god duktilitet. I den stödjande stålvajern hos den uppfinningsenliga luftkraftledningen är halterna av legeringselementen som beskrivs ovan balanserade så att mängden av mätbar ferrit är 30 till 70 vol% och mängden austenitisk fas är 30 - 70 vol%. l\/längden ferrit kan till exempel mätas med mikroskop, d v s okulärt.

Exempel Följande är ett konkret exempel som visar den oväntat höga termiska expansionskoefficienten som uppmättes i stödvajern hos den uppfinningsenliga luftledningen för elkraft. 10 15 20 536 835 En smälta av en ställegering som hade den följande kemiska sammansättningen bereddes genom konventionella ståltillverkningsprocesser. Stålet hade följande sammansättning: Vikts% C Si Mn P S Cr Ni Mo Co 0,03 0,71 4,8 0,021 <0,001 21,6 1,49 0,15 0,048 V Cu Nb Ta N W B Sn Fe 0,12 0,37 <0,01 <0,005 0,22 0,01 0,0022 <0,005 rest Tabell 1: Kemisk sammansättning av smälta Ställegeringen gjöts, valsades och drogs slutligen till en tråd som hade en diameter av 3,1 mm.

Tråden kapades i 50 mm långa prover.

Korrosionsmotstàndet hos proverna bestämdes som Critical Pitting Temperature (CPT) 40 - 60 °C (0,1%NaCl +300mV).

De mekaniska egenskaperna hos proverna bestämdes. Det befanns att proverna hade följande mekaniska egenskaper: Draghàllfasthet, Flm = 1877 l\/lPa.

Sträckgräns, Rp = 1416 MPa, vridduktilitet av 24 - 28 varv över en längd av träd som är lika med tråddiametern x 100.

CTE data (Coefficient of Thermal Expansion) bestämdes därefter med dilatometer (Bähr DlL 802) på två trådprov (AL167 och AL168) i temperaturintervallet från en relationstemperatur RT av 30°C till en sluttemperatur av 400 °C. Ett mätsystem av smält kisel användes vilket kalibrerades mot ett referensprov av platinum.

Den relativa termiska expansionen bestämdes till att vara under 0,4% för bägge prover över temperaturintervallet.

Tabell 2 visar resultaten från mätningarna av den termiska expansionskoefficenten [cTEj 536 835 Ur tabell 2 kan det utläsas att för bägge prover var CTE i intervallet 9,1 - 11,5 x 1o'6/°o[um/(m°o)].

Emellertid, vid temperaturer från 150°C och uppåt, var den termiska expansionen under 9,8 x 10_6/°C där de lägsta värdena, med ett genomsnitt kring 9,2 x 10'6/°C observerades vid 200 °C följt av en svag ökning med ökande temperaturer. Vid 250 °C var genomsnittet kring 9,4 x 10'6/°C och vid omkring 300°C var genomsnittet kring 9,6 x 10'6/°C. De högsta värdena påträffades initialt men avtog snabbt med temperaturen.

Temperatur Termisk expansionskoefficient x10'6/°C AL 167 AL168 Average 50°C 11,32 11,54 11,43 100°C 10,73 11,02 10,88 150 °C 9,28 9,54 9,41 160 °C 9,18 9,43 9,30 170 °C 9,10 9,35 9,23 180 °C 9,06 9,29 9,18 190 °C 9,04 9,26 9,15 200 °C 9,05 9,25 9,15 210°C 9,08 9,26 9,17 250 °C 9,36 9,50 9,43 300 °C 9,59 9,70 9,64 350 °C 9,68 9,79 9,73 400 °C 9,75 9,85 9,80 Tabell 2: CTE-värden för uppfinningsenliga prover I syfte att demonstrera vilka CTE-värden som kan förväntas från andra duplexa stål utfördes CTE-mätningarna som beskrivs ovan även på traditionella duplexa stål som används i konstruktioner. De jämförande proverna Com 1 och Com 2 hade följande kemisk sammansättning.

C Si Mn P S Cr Ni Mo W Co COm1 0,019 0,47 0,74 0,019 0,0007 22,22 5,19 3,33 <0,01 0,059 COm2 0,016 0,49 0,81 0,021 0,0006 22,14 5,16 3,12 <0,01 0,046 10 536 835 Com1 0,053 <0,005 0,18 0,009 0,004 <0,005 0,01 <0,005 0,0023 0,180 Com2 0,044 <0,005 0,13 0,009 0,003 <0,005 Tabell 3: Kemisk sammansättning av testprover. 0,01 <0,005 0,0027 Följande resultat noterades för de jämförande proverna Com 1 och Com 2.

Temperatur Termisk expansion x10'6/°C 100 °C 12,78 200 °C 11,52 300 °C 11,45 400 °C 11,77 Tabell 4: CTE-värden för jämförande prover Mätningarna ovan visar att de jämförande proverna Com 1 och Com 2 har 5 väsentligen högre CTE-värden, 11,52 och 11,45 x 10'6/°C än de CTE-värden som uppmättes på prover av stålet hos den uppfinningsenliga stödvajern. 11 0,168

Claims

10 15 20 536 835 Patentkrav

1. En luftledning för elkraft (1) som innefattar ledningstrådar (2) och en stödvajer (3), k än n e t e c k n a d a v att stödvajern innefattar en ferritisk-austenitisk stållegering som huvudsakligen består av 30-70 vo|% ferrit och 30-70 vo|% austenit, varvid stållegeringen har den följande sammansättningen i viktsprocent (vikts%): C: <0,1 N: 0,1 - 0,5 Ni: 0,1 - 3 Cr: 18 - 30 l\/ln: 1 - 10 Si: 5 2,0 Cu: 5 3 CO: 5 3 |\/IO: 5 2 rest Fe och normalt förekommande föroreningar.

2. Luftledningen för elkraft enligt krav 1, varvid stållegeringen har en kolhalt av 0,01 - 0,07 vikts%.

3. Luftledningen för elkraft enligt krav 1 eller 2, varvid stållegeringen har en kolhalt av 0,01 - 0,03 vikts%.

4. Luftledningen för elkraft enligt något av kraven 1 - 3, varvid stållegeringen har en kvävehalt av 0,1 - 0,3 vikts%. 12 10 15 20 536 835

5. Luftledningen för elkraft enligt något av kraven 1 -4, varvid stållegeringen har en kvävehalt av 0,20 - 0,25 vikts%.

6. Luftledningen för elkraft enligt något av kraven 1 - 5, varvid stållegeringen har en manganhalt av 2 - 8 vikts%.

7. Luftledningen för elkraft enligt något av kraven 1 - 6, varvid stållegeringen har en manganhalt av 2 - 6 vikts%.

8. Luftledningen för elkraft enligt något av kraven 1 - 7, varvid stållegeringen har en kiselhalt av 0,1 - 1,5 vikts%.

9. Luftledningen för elkraft enligt något av kraven 1 - 8, varvid stållegeringen har en kiselhalt av 0,1 - 1 vikts%.

10. Luftledningen för elkraft enligt krav 1, varvid stållegeringen har den följande sammansättningen i viktsprocent (i vikts%): C: 0,01 - 0,07; N: 0,1 - 0,3; Ni: 1 - 3; Cr: 18 - 25; l\/|n: 2- 8; Si: 0,1 - 1,5; Mo: <1,0

11. Luftledningen för elkraft enligt krav 1, varvid stållegeringen har den följande sammansättningen i viktsprocent (i vikts%): C: 0,03; N: 0,22; Ni: 1,49; Cr: 21,6; l\/|n: Si: 0,71; l\/lo: 0,15; Mn: 4,8. 13