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

(國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

隨著我國現代化進程加快，電力迅猛發展，電網輸送能力不斷提高，對電網設備要求越來越嚴格，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、廣西和福建等地區相繼出現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濟損失。對此，本文分析了某線路U型球頭掛環的材質和斷裂原因及存在的問題，為相關單位解決連接金具設計問題提供依據。

1 U型球頭掛環

U型球頭掛環兩側板孔有螺栓約束，使其轉動不靈活，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 材質檢驗

2.1 化學成分

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

由表1可見，該U型球頭掛環中合金元素符合GB/T699—2015《優質碳素結構鋼》65Mn鋼的合金元素含量要求，材料化學成分合格。

表1 各元素含量 wt%

2.2 力學性能

在U型球頭掛環板處和軸處取樣，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。拉伸性能結果見表2。

由表2可見，65Mn退火態屈服強度在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。該球頭掛環強度低于標準要求。

2.3 金相組織

表2 65Mn鋼球頭掛環的拉伸性能

(a)

(b)圖1 球頭掛環金相組織

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

3 斷裂球頭掛環斷口形貌

3.1 根部疲勞斷裂斷口

根部斷裂的球頭掛環斷口微觀形貌如圖2所示。圖2(b)可見加工痕跡，球頭掛環表面加工光潔度不高，產生應力集中；圖2(c)可見大應力撕裂嶺、解理面和大應力疲勞特征；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，裂紋是單向彎曲應力作用下產生彎曲疲勞所形成，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，說明該球頭掛環長期存在較大彎曲應力作用，當風載波動出現間歇彎曲應力超過屈服強度時，裂紋向前擴展，斷口具有疲勞特征[4]。瞬斷區(本次破壞試驗形成)存在較大解理面。

4 綜合分析

4.1 材質分析

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。化學成分各元素含量在標準范圍內，符合要求。從金相組織和化學成分看，球頭掛環的材質符合標準要求。

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

4.2 斷裂特征

疲勞裂紋是在交變風載作用下引起球頭掛環擺動而萌生的，不是球頭掛環本身存在缺陷。原因是由于裂紋源表面未發現存在鋅層，也未發現厚的氧化皮，說明球頭掛環上的裂紋是運行中萌生的。從裂紋源形態看，存在大應力撕裂嶺，說明裂紋源是在大風載引起大應力作用下萌生的。

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

裂紋萌生在球頭掛環軸頸中部的一側，該側與定位螺栓軸向一致，球頭掛環上裂紋的形成與該基塔在線路所處位置有關，球頭掛環結構不靈活，使球頭掛環一側長期受較大單向彎曲應力，再加上風載的作用在球頭掛環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，裂紋應是在線路運行中萌生的。瞬斷區(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))，說明是在較大應力作用下產生的裂紋。

從線路設計上看，該球頭掛環承受的風載應力不大，正常情況下不足以使球頭掛環在軸頸中部萌生疲勞裂紋。可見，該球頭掛環結構不合理是疲勞裂紋萌生的另一原因。

5 結束語

從該球頭掛環選材看，材料性能不符合65Mn鋼標準要求。該球頭掛環在線路上運行發生疲勞斷裂，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]。金具設計中沒有考慮金具的疲勞性能，金具存在疲勞性能不足，應從材料疲勞性能進行連接金具設計。