架空電力線路連接金具的失效分析方法探討

程 明，安 戈，劉 超

(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；2.國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術研究院，天津 300171；3.國網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津 300000)

1 連接金具的用途及分類

在架空電力線路及配電裝置中，連接金具主要用于支持、固定和接續(xù)裸導線、導體及將絕緣子連接成串，用于保護導線和絕緣體，如將懸式絕緣子組裝成串后懸掛在桿塔上。此外，直線桿塔用的懸垂線夾及非直線桿塔用的耐張線夾與絕緣子串的連接，以及其他拉線桿塔的拉線金具與桿塔的錨固，也都需要用到連接金具。

根據(jù)連接金具的使用條件和結(jié)構(gòu)特點，可將其分為3大類：

(1)球-窩系列。為專用金具，它與球窩型結(jié)構(gòu)的懸式絕緣子配套使用，包括各種球頭掛環(huán)、碗頭掛板等。其優(yōu)點是沒有方向性、撓性大、可轉(zhuǎn)動、裝卸方便；

(2)環(huán)-鏈系列。為通用金具，其結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)動靈活，不受方向限制，受力條件好，包括U型掛環(huán)、直角環(huán)、延長環(huán)、U型螺絲等；

(3)板-板系列。為通用金具，包括平行、直角、U型掛板，聯(lián)板，牽引板，調(diào)整板等。

由于連接金具需要承受機械載荷，國家標準對各種連接金具的結(jié)構(gòu)型式、材料、工藝、標稱載荷、連接型式等均作出了相應規(guī)定，要求其有足夠的機械強度、耐磨性和耐腐蝕性。

2 連接金具的薄弱環(huán)節(jié)

連接金具的薄弱環(huán)節(jié)與其用途、服役條件密不可分，且失效總是從連接金具的薄弱環(huán)節(jié)開始。因此，將連接金具的薄弱環(huán)節(jié)加以分析和總結(jié)，對失效分析研究極為重要。

連接金具承受機械載荷，服役條件為氣候復雜、污穢度不一的大氣環(huán)境。架空電力線路長年在大氣中運行，受大風、溫差、覆冰、雨水等惡劣氣象的影響，導線不停振動并引起附加應力，使連接金具的受力點受到交變的彎曲應力，進而導致連接金具疲勞磨損甚至斷裂。

對各類連接金具而言，受力點通常出現(xiàn)在金具與其他金具或零件的連接處，承受變化的機械載荷，因此金具受力點(金具連接處)即為薄弱環(huán)節(jié)。

3 連接金具的典型失效類型

引起連接金具失效的因素可分為2個方面，即金具材料因素和環(huán)境因素。前者為內(nèi)因，包括金屬材料品質(zhì)及加工工藝方面的各種因素；后者為外因，包括受載條件、時間、濕度和環(huán)境介質(zhì)等因素。失效的連接金具上必然會保留有失效過程的信息，通過分析這些信息可查明失效機理及原因，并由此總結(jié)出連接金具失效的典型類型。

3.1 腐蝕失效

連接金具在使用中早期的失效類型是腐蝕，它可引發(fā)應力腐蝕開裂、氫脆、疲勞腐蝕、磨蝕等其他失效形式。連接金具的材質(zhì)為碳鋼時，主要的腐蝕類型為點腐蝕和全面腐蝕(即均勻腐蝕)。當連接金具表面上出現(xiàn)點腐蝕時，表示金屬鈍性開始遭到破壞；一旦腐蝕加強，就會產(chǎn)生全面腐蝕。連接金具的材質(zhì)為可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵時，主要的腐蝕類型為沖刷腐蝕。大氣環(huán)境不同，對連接金屬的腐蝕性也不同。一般而言，大氣環(huán)境對連接金屬的腐蝕性順序為：工業(yè)大氣＞海洋大氣＞農(nóng)業(yè)大氣。其中，工業(yè)大氣對于連接金具的腐蝕危害最大，其主要污染物為灰塵。其原因為，連接金具表面上沉積的灰塵中含有碳和碳化物、金屬氧化物和金屬鹽(主要是硫化物和氯化物)的顆粒和硫酸，這些污染物的共同作用造成了連接金具的銹蝕。

3.2 磨損失效

連接金具最常見的失效類型為磨損。磨損常出現(xiàn)于連接金具的薄弱環(huán)節(jié)，即受力點，其宏觀特征為金具連接處出現(xiàn)明顯減薄。

以連接金具U型螺絲為例。U型螺絲用于直線桿塔懸掛懸垂絕緣子串、避雷線懸垂組合，作為桿塔橫擔的首件，出現(xiàn)磨損的情況較為普遍。湖北省某輸變電公司在山區(qū)500 kV輸電線路維護檢修中，發(fā)現(xiàn)架空地線U型螺絲出現(xiàn)大量嚴重磨損，磨損點為U型螺絲與直角環(huán)連接處，說明該部位是其主要受力點和薄弱環(huán)節(jié)。

3.3 疲勞失效

在長時間、變動負荷作用下，連接金具的薄弱環(huán)節(jié)易發(fā)生疲勞斷裂。

疲勞斷裂會在斷口上留下特征。斷口按斷裂過程分為3個區(qū)域：疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時破斷區(qū)。裂紋源為應力集中區(qū)域，由金屬表面及內(nèi)部的夾雜物、剪切滑移、晶界裂紋、位錯空洞等缺陷在疲勞應力的作用下形成，并擴展成疲勞源區(qū)。裂紋擴展區(qū)呈現(xiàn)清晰的貝紋狀、蛤殼狀或海灘波紋狀的疲勞條紋，此區(qū)是判斷疲勞破壞性質(zhì)最重要的區(qū)域。疲勞條紋弧線的內(nèi)側(cè)方向是疲勞源所在位置，外側(cè)凸出方向為疲勞裂紋的擴展方向。當裂紋擴展到臨界尺寸，使余下截面不足以承擔原有負荷時，金屬即發(fā)生瞬時破斷，形成瞬時破斷區(qū)。

天津某供電公司曾發(fā)生金具掛環(huán)緊固螺栓斷裂事故。其斷口為典型的疲勞斷口，在低倍顯微鏡下可看見清晰的疲勞源區(qū)和圓弧狀的疲勞條紋。

3.4 應力腐蝕開裂

在拉應力和腐蝕環(huán)境的共同作用下，金具的薄弱環(huán)節(jié)將發(fā)生應力腐蝕開裂。應力腐蝕開裂是一種極為隱蔽的腐蝕形式，往往沒有明顯預兆，因此會造成災難性的事故。連接金具一般為鍛鋼及鑄鐵件，在SO2、酸雨、濃霧、潮濕空氣等大氣環(huán)境因素的作用下，易發(fā)生氧化腐蝕。倘若金具上再存在拉應力，那么就容易發(fā)生應力腐蝕開裂。

應力腐蝕開裂呈脆性斷裂，其斷口的宏觀特征是：受介質(zhì)的腐蝕作用，裂紋源及擴展區(qū)呈黑色或灰黑色，脆斷區(qū)的斷口常有放射花樣或人字紋。

天津市某供電公司的連接金具U型掛環(huán)在使用2個月后發(fā)生斷裂事故。斷裂發(fā)生在U型環(huán)與耐張線夾鋼錨連接處，U型環(huán)受拉應力。其斷口為典型的應力腐蝕開裂斷口，在低倍顯微鏡下，斷口呈現(xiàn)出與裂紋擴展方向一致的放射狀線條；裂紋源位于U型彎的內(nèi)部，在掃描電鏡下顏色發(fā)黑，材質(zhì)疏松。

4 連接金具的失效分析步驟

4.1 連接金具背景資料收集

認真收集連接金具的出廠信息，尤其是金具設計圖紙、質(zhì)量證明書(材質(zhì)報告單、原材檢驗單、機械性能試驗報告)等資料。此外，還應收集連接金具的工作歷史信息，包括受力情況、環(huán)境因素，尤其是溫度變化及腐蝕性環(huán)境因素等信息。

4.2 失效金具初步檢查

用肉眼對失效金具進行全面檢查，尋找有用的證據(jù)和線索。尤其對失效部位(腐蝕表面、磨損表面、斷裂表面和裂紋路徑)要特別重視，應從不同角度進行拍照取證。

4.3 機械性能試驗

一般通過機械性能試驗(包括硬度、拉伸、沖擊、彎曲等)來評價金具材料品質(zhì)。在一定的破壞載荷作用下，要求連接金具不發(fā)生永久變形。由于低溫、履冰等惡劣環(huán)境導致金具凍裂的情況時有發(fā)生，因此研究連接金具在這種惡劣環(huán)境條件下的機械性能，對分析金具凍裂的原因是必要的。

4.4 取樣和宏觀、微觀檢驗分析

從失效金具上切取包含斷口等失效信息的一部分或一小段試樣通過光學顯微鏡或電子顯微鏡進行分析。取樣的部位通常為腐蝕表面、磨損表面、斷口、裂紋剖面等。取樣時避免使用火焰切割法。在取樣過程中，注意保護失效金具原有的真實表面，切勿發(fā)生污染和機械損傷。腐蝕表面、磨損表面和疲勞、應力腐蝕、氫脆等不同失效機制的斷口的宏觀和微觀特征、形貌有很大差別，宏觀及微觀檢驗的任務就在于判定腐蝕和磨損的類型、斷口的特征、形貌、裂紋源位置，以及可能引起失效的原因。

4.5 金相檢驗

金相檢驗對于揭示加工中引起的各種材料缺陷，并測定可能造成失效的各種工作條件和環(huán)境因素的后果等具有顯著的功能。夾雜物、顯微組織偏析、脫碳、增碳、熱處理不當、晶間腐蝕等缺陷和反常組織，都可以用金相檢驗來確認和分析。

4.6 化學成分分析

對連接金具進行失效分析時，應對腐蝕表面的沉積物、鐵鱗、腐蝕產(chǎn)物、腐蝕介質(zhì)進行化學分析，這有助于確定金具失效的基本原因。

4.7 失效原因和機理的判定

綜合上述各分析階段和分析方法得出的試驗結(jié)果，可得到最終論斷。切忌從某個研究方面或某項試驗結(jié)果形成事故起因的結(jié)論。

5 結(jié)束語

連接金具雖然結(jié)構(gòu)簡單，但在電網(wǎng)送電中肩負重要責任，因此對連接金具的失效類型及分析方法加以研究、總結(jié)，可避免同類事故再次發(fā)生，對改進電網(wǎng)金具質(zhì)量、延長使用壽命、提高服役安全性和可靠性有積極的促進作用。

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