500 kV 輸電線路耐張線夾鋼錨斷裂分析①

2020-05-24 05:05:16徐望圣孫志林陳亮平何朋非

礦冶工程 2020年2期

徐望圣，孫志林，謝億，陳亮平，何朋非

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局，貴州貴陽550081； 2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007； 3.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，湖南長沙410004）

某500 kV 線路于2016 年底進行線路改造，新安裝了一批地線耐張線夾。 2019 年2 月，型號為NY-100.1GY的耐張線夾（材質為Q235A）在鋼錨部位發生了斷裂。地線耐張線夾是一種將地線固定在非直線桿塔的絕緣子上，對地線起錨固作用的電力金具。在500 kV 輸電線路中，常用的耐張線夾為液壓型耐張線夾［1］，由鋁套管和鋼錨組成，安裝時將地線插入空心鋼錨中，通過專用液壓設備和模具對鋼錨進行壓接，確保線夾和地線穩固連接，施工時必須嚴格按照相關的壓接規程執行安裝。由于壓接、腐蝕等原因，導線脫落以致線夾損傷的案例時有發生［2-6］，但在鋼錨部位發生斷裂的案例較為罕見。為了探討耐張線夾鋼錨發生斷裂的原因，本文從斷口形貌、化學成分、力學性能和金相組織等方面進行了分析。

1 實驗

選用斷裂鋼錨和同批次未壓接新鋼錨（以下簡稱對比試樣）作為試驗材料，在FOUNDRY-MASTER Pro型牛津全譜立式直讀光譜儀上進行成分分析。在UTM5105 型萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗，測定其抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率。采用JBN-300 型沖擊試驗機測定室溫沖擊功。采用HB-3000 布氏硬度計測定材料的布氏硬度。在蔡司顯微鏡上觀察金相組織，利用JSM-6360LV 型掃描電鏡觀察斷口原始形貌。

2 實驗結果及討論

2.1 宏觀檢查

斷裂鋼錨彎曲明顯，測量鋼錨實際變形尺寸為壓接管長度的8.4%，遠大于DL／T 5285—2013《輸變電工程架空導線及地線液壓壓接工藝規程》［7］中要求的2%。斷口位于壓接區第一模位置，在同一橫截面上鋼錨壓接變形量差別較大，觀察6 個壓接面的壓痕深度，其中3 個壓接面壓痕較淺，3 個壓接面壓痕較深，最深處深度約3 mm，各壓接面變形形貌和斷口形貌如圖1所示。從斷口形貌可見斷面上存在明顯黑色異物區，測量該異物區深度為5 mm，可判定該區域為始斷區；而帶有金屬光澤呈亮色的區域為終斷區，終斷區有明顯撕裂嶺，斷口無明顯塑性變形。

圖1 鋼錨斷面壓接形貌和斷口形貌

在正常壓接中，各壓接面的壓痕深度應一致，而斷裂鋼錨各壓接面壓痕深度異常，檢查結果表明壓接工藝存在問題。斷口宏觀形貌顯示，鋼錨斷裂屬于典型的脆性斷裂。

2.2 成分分析

在斷裂鋼錨和對比試樣的拉環部位線切割取圓柱形樣品，將切割面在金相砂紙上磨平并用酒精清洗后進行化學成分測試，實測化學成分符合GB／T700—2006《碳素結構鋼》［8］關于Q235A 的要求，試驗結果如表1 所示。

表1 鋼錨成分（質量分數）／%

2.3 力學性能分析

2.3.1 拉伸性能

在斷裂鋼錨和對比試樣上沿鋼錨縱向取樣，測量材料的室溫拉伸性能，斷裂鋼錨取壓接區樣品。斷裂鋼錨和對比試樣的力學性能如表2 所示。對比試樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均符合標準要求，而斷裂鋼錨的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均發生了較大變化，材料抗拉強度和屈服強度分別提高45%和41%，斷后伸長率降低75%，說明經過冷壓后材料強度得到了大幅提高，但塑性大幅降低。

表2 鋼錨力學性能結果

2.3.2 沖擊性能

在斷裂鋼錨和對比試樣上沿鋼錨縱向加工5 mm ×10 mm × 55 mm 的V 型缺口非標準試樣，測量材料的室溫沖擊性能，其中斷裂鋼錨取壓接區樣品。 GB／T 700—2006《碳素結構鋼》對Q235A 的沖擊性能未做要求［8］。斷裂鋼錨和對比試樣的沖擊試驗結果如表2 所示。從表2 結果可知，壓接后的鋼錨沖擊韌性降低了58%，為31.0 J。結合壓接樣品斷后伸長率的實測數據，相互驗證了材料的韌性顯著降低。

2.3.3 硬度

在斷裂鋼錨和對比試樣實心部位切取試樣，在鋼錨橫截面上測量樣品硬度。 GB／T 700—2006《碳素結構鋼》對于Q235A 的硬度未做要求，但DL／T 757—2009《耐張線夾》［9］要求鋼錨硬度不大于156HB。硬度試驗結果如表2 所示。從表2 結果可知，壓接后的鋼錨硬度提升了72%，為210HB，遠遠超過標準要求。

由相關力學性能試驗結果可知，鋼錨在壓接（冷變形）后，材料強度顯著提高，韌性顯著降低。這是因為在金屬的塑性變形過程中，金屬的變形方式以滑移為主，其本質是源源不斷的位錯沿著滑移面運動，從而導致位錯增殖，位錯密度增加，相互間的抗力隨之增加。隨著變形抗力增大，位錯運動阻力變大，位錯便越易在晶體中塞積，位錯密度增加也就越快，這兩者相互作用便促使了材料強度的增加和塑性的降低。

2.4 金相顯微組織分析

在斷裂鋼錨斷口部位取樣，在對比試樣對應位置取樣，觀察材料縱向金相組織，如圖2 所示。材料金相組織為鐵素體＋珠光體，斷裂鋼錨組織形態和對比試樣相同，珠光體流線型分布，未發現異常組織。按照GB／T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測量標準評級圖顯微檢驗法》［10］對斷裂鋼錨進行夾雜物評定，評定為1.5 級的C 類（硅酸鹽類）夾雜，如圖2（c）所示。

2.5 斷口分析

2.5.1 原始斷口

原始斷口在酒精浸泡下用超聲波清洗后，在掃描電子顯微鏡下觀察，斷口微觀形貌與能譜分析結果見圖3。始斷區依然被異物覆蓋，始斷區斷口形貌無法觀察；始斷區和終斷區有明顯分界面，能譜分析表明，左側為鐵的氧化物，右側為純鐵。

圖3 斷口微觀形貌和能譜結果

用化學藥水清洗斷口表面，去除氧化皮后觀察斷口原始形貌，斷口表面未見明顯疲勞輝紋特征，如圖4所示。斷口形貌特征表明，鋼錨斷裂不是疲勞導致。

圖4 化學清洗斷口后始斷區微觀形貌

能譜分析結果表明始斷區存在氧化物，該氧化物為斷口在空氣中暴露氧化所致，氧化物的存在表明始斷區在鋼錨完全斷裂前已開裂較長時間。始斷區可能在材料成型或后續壓接等工序中產生，但鋼錨在成型完成后，為了增加材料的抗大氣腐蝕性能，增加了熱浸鍍鋅工藝，而在始斷區的能譜檢測中未發現鋅元素，說明始斷區是在鋼錨鍍鋅之后產生的，即鋼錨的始斷區不是在鋼錨制造加工工程中產生的。

2.5.2 沖擊斷口

斷裂鋼錨和對比試樣的沖擊斷口微觀形貌見圖5。斷裂鋼錨沖擊試樣斷口平齊，具有明顯解理特征，為典型脆性斷裂形式；對比試樣沖擊斷口有明顯韌窩和人字形山脊狀花紋，呈韌性斷裂形式。沖擊試驗表明，壓接后的鋼錨失效形式以脆性斷裂為主。

圖5 沖擊試樣斷口微觀形貌

2.6 分析

綜上所述，鋼錨壓接后彎曲明顯，并且第一模壓接部位鋼錨擠壓變形程度不均勻，形成了明顯的臺階，該臺階成為應力集中部位。應力集中部位的始斷區原始形貌無明顯疲勞特征，斷裂鋼錨沖擊試驗表明，鋼錨斷裂屬于脆性斷裂。能譜分析結果表明，始斷區存在時間較長，并且始斷區可能是安裝過程中產生。鋼錨安裝時經壓接工序后材料的強度大幅提高，韌性大幅降低，壓接后鋼錨抵御沖擊的能力進一步降低，表明該鋼種不適合在需要承受沖擊載荷的環境中使用。壓接工藝控制不當、材料設計選型裕量偏低是鋼錨斷裂的主要原因。在施工安裝時應嚴格執行壓接工藝，避免出現應力集中部位；材料選型時裕量適當放大便可杜絕此類問題的發生。