線路柱式瓷絕緣子螺栓尺寸偏差對載荷值的影響

熊 宇，沈祎儂，潘 星，田 澤，葉建鋒

（1.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077；2.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

線路柱式絕緣子作為一種絕緣控件［1-2］，在架空輸電線路中得到廣泛的應用［3-6］。在運行過程中，線路柱式絕緣子不僅要滿足絕緣性能要求［7-8］，還要滿足機械性能的要求［9-10］。在實際運行中，線路柱式絕緣子經常發生因受機械載荷而斷裂的事故［3］，［11］。為此，國家電網有限公司要求配網線路柱式絕緣子（以下簡稱“絕緣子”）要按照《GB/T 21206-2007 線路柱式絕緣子特性》的要求進行入網抽檢［12］，在抽檢過程中發現絕緣子機械性能不合格的主要原因集中在瓷件和底部金屬附件連接處水泥膠裝開裂及底部金屬附件中心孔處螺桿松動［13-15］。

在本次絕緣子抽檢過程中，發現絕緣子機械性能不合格，試驗后檢查認為底部金屬附件中心孔處螺桿和螺母滑絲脫落是導致不合格的原因。螺栓連接是一種常見的連接方式，因其拆卸方便，結構簡單，連接可靠，被廣泛應用于電力行業各種工程結構中［16］。螺栓連接件的破壞，主要是由于螺栓機械強度不滿足要求及運行中發生疲勞破壞或應力腐蝕開裂［17］，但在本案例中，在抽檢試驗中不存在疲勞破壞和應力腐蝕開裂的問題，為探究螺栓連接脫落的原因，本文做了進一步的試驗和分析［18］。

1 概況

此次送檢的絕緣子型號為R5ET105L，125，283，360，標準要求最小彎曲破壞負荷為5 kN，對抽樣的4個絕緣子進行彎曲破壞試驗，試驗結果分別為3.42 kN、2.56 kN、2.80 kN、2.76 kN，不符合標準要求。試驗后檢查發現絕緣子底部金屬附件中心孔配套螺桿絲扣破壞［19］、螺桿從螺母中拔出，絕緣子底部金屬部件未破壞（如圖1和圖2所示）。

2 試驗與分析

由于螺桿絲扣發生破壞，首先對螺桿和螺母進行材質、硬度、金相和力學性能分析，分析結果如下。

圖1 絕緣子宏觀圖Fig.1 Drawing of insulator

圖2 螺桿脫扣圖Fig.2 Drawing of screw damage

2.1 化學成分分析

螺桿、螺母的材質經分析結果如表1所示，試驗結果表明，螺桿和螺母材質符合《GB/T 700-2006 碳素結構鋼》中Q235 鋼的要求，硫、磷含量未超標，即螺桿螺母不存在材料誤用或材質不合格的問題。

表1 螺桿、螺母化學成分表Table 1 Chemical composition of screw and nut

2.2 硬度分析

選取螺桿橫截面和螺母側面分別進行布氏硬度試驗，試驗結果如表2 所示。螺桿和螺母的硬度滿足標準《GB/T 3098.1-2010 緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》、《GB/T 3098.2-2015 緊固件機械性能螺母》的要求，說明螺桿和螺母在熱處理和機加工過程中未發生硬度升高而塑韌性下降的情況。

表2 硬度試驗結果（HB）Table 2 Hardness test results（HB）

2.3 螺桿、螺母金相組織分析

選取螺桿橫截面、螺母外側面進行顯微組織分析，金相檢驗結果如圖3、圖4 所示。試驗結果表明螺桿、螺母金相組織為珠光體+鐵素體，鐵素體未發生球化，這表明螺桿和螺母在熱鍍鋅過程中未發生過熱而導致材料性能下降的情況。

圖3 螺桿金相組織Fig.3 Microstructure of screw

圖4 螺母金相組織Fig.4 Microstructure of nut

2.4 螺桿和螺母加工精度及配合檢查分析

在對螺桿、螺母進一步檢查時發現，螺母在旋入螺桿后，存在明顯松動的情況，于是對螺桿和螺母的尺寸進行了詳細的測量，測量結果如圖5、圖6 和表3、表4所示。在絕緣子現行的標準和技術規范中，并未對絕緣子中的螺桿和螺母做出詳細規定，故本文參照標準《GB/T 197-2003 普通螺紋公差》中最普通的公差等級來對該鐵附件的螺桿和螺母進行分析。

圖5 螺桿示意圖Fig.5 Screw diagram

圖5、圖6中，D為內螺紋的基本大徑（公稱直徑）；d為外螺紋的基本大徑（公稱直徑）；D1為內螺紋的基本小徑；d1為外螺紋的基本小徑；h為螺栓螺紋頂部寬度；P為螺距。

2.5 尺寸測量和計算

圖6 螺母示意圖Fig.6 Schematic diagram of nut

絕緣子底部金屬附件中心孔配套螺栓為公稱直徑M16 的普通C 級六角螺栓，結合標準《GB/T 197-2003普通螺紋公差》和電力生產實際情況，該規格的六角螺栓螺母公差帶位置為H，螺桿公差帶位置為g，旋合長度為中等組，應選用的公差帶組合為Hg，公差精度宜采用6 級，由于本批次螺栓螺母技術文件中未規定具體公差精度和公差等級，本文按標準推薦等級和標準允許最大公差等級分別進行評定。由標準《GB/T 197-2003 普通螺紋公差》可知，螺桿的外徑公差Td和基本偏差如表3 所示，螺母的小徑公差和基本偏差如表4 所示。對送檢的螺桿及螺母的實際尺寸進行測量，測量結果如表3和表4所示。

表3 螺桿尺寸測量結果（單位：mm）Table 3 Screw size measurement results（Unit：mm）

表4 螺母尺寸測量結果（單位：mm）Table 4 Nut size measurement results（Unit：mm）

由測量結果可知，該批次送檢的螺栓組件中，螺桿大徑的實際尺寸不僅明顯小于標準推薦的最小值，也小于標準最粗糙級別的最小值，螺母小徑的實際尺寸不僅大于標準推薦的最大值，也大于標準最粗糙級別允許的最大值，二者均不滿足標準的要求。這種情況下，當螺桿和螺母在受力時，螺桿和螺母嚙合面的面積減小，且嚙合面的螺牙厚度變小，導致螺栓的承載能力下降。

為驗證該批次螺栓組件加工偏差是否導致螺栓和螺母承載能力的下降及下降幅度，本文對存在偏差的螺桿和螺母進行了楔負載和保載試驗，試驗方式和試驗結果如表5所示。因該批次送檢的螺栓組件未提供性能等級和技術要求，本次試驗均按照《GB/T 3098.2-2015緊固件機械性能螺母》中最低等級的要求進行評定。

表5 不合格螺桿和螺母楔負載和保載試驗結果Table 5 Unqualified screw and nut wedge load and holding test results

根據上述試驗結果可知，由于大徑偏小的螺桿和小徑偏大（以下所述的偏大或偏小，均特指本文中尺寸偏差超出標準允許值的情況）的螺母配合使用時，螺栓螺母組件的保載力降低至標準要求的57.5%。當小徑偏大的螺母和標準螺桿配合使用時，螺栓螺母組件保載力降至標準要求的80.7%。

3 結論

本次送檢的絕緣子機械性能不合格的原因是其配套的螺栓和螺母尺寸不滿足標準要求，螺栓大徑偏小，螺母小徑偏大，從而導致螺栓螺母匹配后的保證載荷不合格，在絕緣子未達到標準彎曲破壞負荷前螺栓和螺母即發生脫扣。

4 結語

通過上述的實驗分析發現配電網支柱絕緣子的緊固件是該類產品的一個薄弱環節，既沒有相關的行業標準可以執行，也沒有相應的企業標準或者技術文件用于參考。根據多年的抽檢經驗和近幾年發生的多起由于緊固件配合不當導致電網事故的教訓，強烈建議制定相應的標準，規范配電網設備緊固件的生產、采購、抽檢和安裝運行［20］，從而避免由于緊固件質量不合格導致的配網設備事故［21-29］。

此次絕緣子緊固件螺母高度實測值為12.20 mm，屬于0型薄螺母，依據《GB/T 3098.2-2015 緊固件機械性能螺母》的要求，薄螺母作為鎖緊螺母使用時，不應單獨使用，應與一個標準螺母或高螺母配對使用。安裝時，應先將薄螺母擰緊到裝配零件上，然后再將標準螺母或高螺母擰緊到薄螺母上。建議支柱絕緣子金屬附件用螺栓連接件應采用標準螺母或高螺母，采用薄螺母時必須采用雙螺母的裝配方式［30］。

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