某線路U型球頭連接金具可靠性分析

王建東，劉曉龍，張志國，王 磊，王照華

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

隨著我國現(xiàn)代化進程加快，電力迅猛發(fā)展，電網(wǎng)輸送能力不斷提高，對電網(wǎng)設(shè)備要求越來越嚴格，對線路可靠性要求也在提高，特別是對220kV以上線路。最近幾年，河北、廣西和福建等地區(qū)相繼出現(xiàn)連接金具斷裂而掉線引起線路突然停電的事故，對社會造成巨大的經(jīng)濟損失。對此，本文分析了某線路U型球頭掛環(huán)的材質(zhì)和斷裂原因及存在的問題，為相關(guān)單位解決連接金具設(shè)計問題提供依據(jù)。

1 U型球頭掛環(huán)

U型球頭掛環(huán)兩側(cè)板孔有螺栓約束，使其轉(zhuǎn)動不靈活，沿著螺栓縱向存在較大約束力。線路上該球頭掛環(huán)裂紋有2種:一種在球頭軸頸的中部;一種在球頭軸頸的根部。

2 材質(zhì)檢驗

2.1 化學(xué)成分

采用直讀光譜儀(型號為DV-6)對U型球頭掛環(huán)試樣進行成分分析，測量3次的平均值結(jié)果見表1(其他為Fe)。

由表1可見，該U型球頭掛環(huán)中合金元素符合GB/T699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》65Mn鋼的合金元素含量要求，材料化學(xué)成分合格。

表1 各元素含量 wt%

2.2 力學(xué)性能

在U型球頭掛環(huán)板處和軸處取樣，各部位分別取3支拉伸試樣，在萬能材料試驗機上進行拉伸試驗。拉伸性能結(jié)果見表2。

由表2可見，65Mn退火態(tài)屈服強度在370 MPa左右，抗拉強度在650 MPa左右。低于正火和退火狀態(tài)下標準中強度值。其中有一個樣品屈服強度偏低，可能樣品存在原始缺陷。該球頭掛環(huán)強度低于標準要求。

2.3 金相組織

表2 65Mn鋼球頭掛環(huán)的拉伸性能

(a)

(b)圖1 球頭掛環(huán)金相組織

U型球頭掛環(huán)的金相組織如圖1所示。由圖1可見，組織為珠光體+少量鐵素體、退火狀態(tài)下的組織[3]，符合制造廠出廠處理要求。

3 斷裂球頭掛環(huán)斷口形貌

3.1 根部疲勞斷裂斷口

根部斷裂的球頭掛環(huán)斷口微觀形貌如圖2所示。圖2(b)可見加工痕跡，球頭掛環(huán)表面加工光潔度不高，產(chǎn)生應(yīng)力集中；圖2(c)可見大應(yīng)力撕裂嶺、解理面和大應(yīng)力疲勞特征；圖2(d)可見大量韌窩。

(a)

(b)

(c)

(d)圖2 根部裂紋斷口微觀形貌

3.2 彎曲疲勞裂紋形貌

對中部有裂紋的球頭掛環(huán)斷口進行觀察，如圖3所示。從低倍圖片可見，存在疲勞條紋，如圖3(a)所示；在高倍下，只看到大解理面和剪切韌窩，裂紋是單向彎曲應(yīng)力作用下產(chǎn)生彎曲疲勞所形成，如圖3(b)所示。

(a)低倍鏡觀察

(b)高倍鏡觀察圖3 中部裂紋球頭掛環(huán)斷口微觀形貌

裂紋萌生處存在大量韌窩，也有解理面，說明該球頭掛環(huán)長期存在較大彎曲應(yīng)力作用，當風(fēng)載波動出現(xiàn)間歇彎曲應(yīng)力超過屈服強度時，裂紋向前擴展，斷口具有疲勞特征[4]。瞬斷區(qū)(本次破壞試驗形成)存在較大解理面。

4 綜合分析

4.1 材質(zhì)分析

金相組織為少量鐵素體+珠光體，符合完全退火處理工藝要求。化學(xué)成分各元素含量在標準范圍內(nèi)，符合要求。從金相組織和化學(xué)成分看，球頭掛環(huán)的材質(zhì)符合標準要求。

斷口存在大解理面，說明晶粒粗大，降低了球頭掛環(huán)的拉伸性能，導(dǎo)致低于標準值。該球頭掛環(huán)的材料性能不符合65Mn鋼標準要求。

4.2 斷裂特征

疲勞裂紋是在交變風(fēng)載作用下引起球頭掛環(huán)擺動而萌生的，不是球頭掛環(huán)本身存在缺陷。原因是由于裂紋源表面未發(fā)現(xiàn)存在鋅層，也未發(fā)現(xiàn)厚的氧化皮，說明球頭掛環(huán)上的裂紋是運行中萌生的。從裂紋源形態(tài)看，存在大應(yīng)力撕裂嶺，說明裂紋源是在大風(fēng)載引起大應(yīng)力作用下萌生的。

球頭掛環(huán)斷裂過程是在長期風(fēng)載作用下裂紋萌生、擴展，最后失穩(wěn)斷裂。球頭掛環(huán)受到擺動彎曲應(yīng)力作用致使軸頸兩側(cè)產(chǎn)生裂紋，見圖2(a)和圖2(b)，且兩處裂紋源不在同一平面上。本次事故球頭掛環(huán)承受風(fēng)載大，使圖2(a)側(cè)受到大的彎曲拉應(yīng)力作用，在大彎曲應(yīng)力下裂紋快速擴展到圖2(c)區(qū)，該區(qū)存在大量解理面，主要與65Mn退火態(tài)下組織多為片狀珠光體和晶粒粗大有關(guān)，最后導(dǎo)致瞬斷，瞬斷區(qū)為圖2(d)，斷裂特征主要為韌窩。

裂紋萌生在球頭掛環(huán)軸頸中部的一側(cè)，該側(cè)與定位螺栓軸向一致，球頭掛環(huán)上裂紋的形成與該基塔在線路所處位置有關(guān)，球頭掛環(huán)結(jié)構(gòu)不靈活，使球頭掛環(huán)一側(cè)長期受較大單向彎曲應(yīng)力，再加上風(fēng)載的作用在球頭掛環(huán)的軸中部萌生疲勞裂紋。

裂紋表面未見嚴重氧化，說明該裂紋不是材料中原始缺陷，裂紋應(yīng)是在線路運行中萌生的。瞬斷區(qū)(本次破壞試驗形成)存在較大解理面，說明晶粒粗大(圖3(b))。同時，斷口表面有二次裂紋(圖3(b))，說明是在較大應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋。

從線路設(shè)計上看，該球頭掛環(huán)承受的風(fēng)載應(yīng)力不大，正常情況下不足以使球頭掛環(huán)在軸頸中部萌生疲勞裂紋。可見，該球頭掛環(huán)結(jié)構(gòu)不合理是疲勞裂紋萌生的另一原因。

5 結(jié)束語

從該球頭掛環(huán)選材看，材料性能不符合65Mn鋼標準要求。該球頭掛環(huán)在線路上運行發(fā)生疲勞斷裂，存在兩種疲勞失效形式：平面對稱彎曲疲勞和脈動彎曲疲勞[5]。金具設(shè)計中沒有考慮金具的疲勞性能，金具存在疲勞性能不足，應(yīng)從材料疲勞性能進行連接金具設(shè)計。