某500 k V輸電線路球頭掛環(huán)斷裂原因分析

田 澤，潘 星，熊 宇，葉建鋒

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

0 引言

球頭掛環(huán)是輸電線路關鍵受力部件之一，在架空輸電線路中主要用于導線絕緣子串與桿塔掛點的連接，球頭掛環(huán)的球頭、球腳與桿部連接處存在明顯截面變化，截面突變處不僅應力集中水平很高，而且在振動載荷下極易產(chǎn)生疲勞裂紋［1-10］。相關研究表明，球頭掛環(huán)斷裂是引發(fā)線路掉線故障的最主要原因之一［11-18］。球頭掛環(huán)斷裂的原因主要有球頭掛環(huán)制造過程產(chǎn)生原始缺陷導致斷裂、安裝工藝不合理導致金具卡澀和受力不合理、惡劣氣候下受到過大的動載荷［19-28］和長期運行后腐蝕和磨損導致開裂［29-32］。本文通過對斷裂的球頭掛環(huán)進行尺寸檢查、硬度檢驗、光譜分析、金相分析和斷口分析，總結了球頭掛環(huán)斷裂的原因，并提出了檢測球頭掛環(huán)缺陷的手段和避免同類故障發(fā)生的建議。

1 試驗與分析

1.1 現(xiàn)場分析

球頭掛環(huán)斷裂故障線路為某500 kV超高壓輸電線路，于2002年4月22日正式投運，線路全長161.444 km，設計最大風速27 m/s，故障段始于313號桿塔，止于324號桿塔，故障點為一回322號，桿塔型號為ZB3-39，絕緣子采用單串28片，導線型號為4×LGJ-400/50，球頭掛環(huán)型號為QP16，與之配合使用的金具掛點側為UB掛板，導線側為絕緣子碗頭鋼帽。

故障發(fā)生于2020年01月12日，故障當天現(xiàn)場天氣情況為晴天，氣溫在0℃～13℃，氣象局風速觀測數(shù)據(jù)為26.2 m/s，達到10級標準，巡檢人員現(xiàn)場風速測量數(shù)據(jù)為21.28 m/s。依據(jù)湖北電網(wǎng)2019年版舞動區(qū)域分布圖，該區(qū)域為I級舞動區(qū)，此前未觀測到線路舞動的情況。

故障發(fā)生后，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，322號桿塔的中相絕緣子串球頭掛環(huán)斷裂，導線掉落在桿塔瓶口處，導線掉落情況如圖1-圖2所示。

圖1 斷裂球頭掛環(huán)懸掛點Fig.1 Suspension point of broken ball-eye

圖2 斷裂球頭掛環(huán)絕緣子Fig.2 Insulator string of broken ball-eye

登塔檢查發(fā)現(xiàn)，中相導線絕緣子串懸掛點連接形式為：直角掛板—球頭掛環(huán)—絕緣子鋼帽。掛板受懸掛點附近鐵塔鋼結構（如圖1紅圈所示）的限制，不能沿橫線路方向（即垂直于線路方向）自由擺動，只能在順線路方向（即平行于線路方向）上活動，導致球頭掛環(huán)受限制，當導線沿橫線路方向舞動幅度較大時，金具會與鋼構架發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較大沖擊載荷。

通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該連接形式的球頭掛環(huán)擺動幅度受限，當導線受到舞動載荷而擺動幅度較大時，球頭受到的來自絕緣子串的載荷無法通過自由擺動釋放，在球頭掛環(huán)內(nèi)產(chǎn)生很大的沖擊載荷。這點可以從球頭和碗頭結合（如圖3）處擠壓痕跡得到驗證。

圖3 球頭掛環(huán)斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of broken ball-eye

1.2 宏觀檢查

斷裂的球頭掛環(huán)型號為QP16，斷裂位置為球頭和桿部連接位置，球頭掛環(huán)（如圖4）圓環(huán)上方有明顯的擠壓變形痕跡，球頭與碗頭接觸面有約3/5的面積磨損，其中兩個位置磨損嚴重，未磨損部位應為碗頭的開口方向（碗頭開口處球頭和碗頭無接觸，如圖5）。

圖4 斷裂的球頭掛環(huán)Fig.4 Macromorphology of broken ball-eye

圖5 球頭和碗頭連接示意圖Fig.5 Connection form of ball head and bowl head

對球頭磨損最嚴重的位置和其他位置進行鍍鋅層測量，發(fā)現(xiàn)2個磨損最嚴重位置的鍍鋅層厚度分別為4.3μm和10.7μm，磨損次嚴重位置的鍍鋅層厚度為25.3μm和40.3μm，其他未磨損位置的鍍鋅層厚度為90.1μm至110μm之間，未磨損處鍍層厚度滿足產(chǎn)品標準的要求，磨損處鍍層厚度減薄明顯。

球頭磨損最嚴重的兩處對稱分布于未磨損部位兩側，且磨損程度基本接近，表明球頭在這兩點連線的方向受力平衡，且球頭和碗頭相互運動未收到嚴重阻礙，說明球頭在1點和2點連線方向自由度足夠。碗頭為一端開口的結構，當球頭以1點和2點連線為軸線擺動且運動受到阻礙時，將會在球頭變截面處產(chǎn)生較大的沖擊載荷，磨損次嚴重部位存在明顯擠壓變形痕跡，說明該部位曾受到過較大沖擊載荷。

從斷口宏觀形貌可以看出，陳舊斷口處有4處順線方向的剪切唇，證明球頭掛環(huán)變徑處曾經(jīng)受到較大載荷導致產(chǎn)生瞬時塑性開裂。

1.3 尺寸檢查

對球桿和球頭的直徑進行測量，球桿的平均直徑為19.42 mm，球頭的平均直徑為39.70 mm。

根據(jù)《GB/T 4056-2008絕緣子串元件的球窩連接尺寸》判斷，該球頭掛環(huán)的連接標記為20。

使用20的通止規(guī)對球頭進行通止規(guī)檢查，檢查結果均合格，說明球頭的連接尺寸標準要求。

使用20的通止規(guī)對與球頭相連接的絕緣子球窩進行檢查，球窩的尺寸也標準要求。

1.4 光譜分析

對斷裂的球頭掛環(huán)進行光譜分析，分析結果如表1所示，其化學成分滿足標準《GB/T 699-2015優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼》對45號鋼的要求。

表1 球頭掛環(huán)光譜分析結果Table 1 Spectral analysis results of ball head hanging ring

1.5 硬度測量和強度換算

由于球頭掛環(huán)無法進行拉力試驗取樣，本文通過硬度和強度換算法對球頭掛環(huán)的力學性能進行校核。

對斷裂的球頭掛環(huán)進行硬度測量，實測硬度值為197 HBW、196 HBW、197 HBW，根據(jù)標準《GB/T 1172-1999黑色金屬硬度及強度換算值》換算后，該球頭掛環(huán)材料的抗拉強度為686 MPa，滿足標準《GB/T 699-2015優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼》對45號鋼抗拉強度≥600 MPa的要求。

按照標準《GB/T 699-2015優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼》規(guī)定，45號鋼的抗拉強度下限值為600 MPa，屈服強度≥355 MPa，伸長率≥16%。結合球頭掛環(huán)桿部實測桿徑（均值：19.42 mm），45號鋼球頭掛環(huán)的設計破壞載荷為≥177.7 kN，而QP16的標稱破壞載荷為160 kN，因此選用45號鋼能滿足QP16的要求；45號鋼伸長率為≥16%，也符合標準《DL/T 759-2009連接金具》第5.1.1條，“鋼及合金鋼的伸長率應不低于12%”的要求。

綜上所述，該球頭掛環(huán)的選材滿足要求。

1.6 金相分析

對斷裂的球頭掛環(huán)進行金相分析，如圖6所示。腐蝕前未見非金屬夾雜物，腐蝕后的金相組織為珠光體+鐵素體，未見鑄造組織，表面有約200μm的部分脫碳層（即珠光體含量比中心部位少的組織）。

圖6 斷裂球頭掛環(huán)金相組織和脫碳層Fig.6 Metallographic structure and decarburization layer of broken ball-eye

對同批次另一新的球頭掛環(huán)（型號同樣為QP16）進行了金相分析，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)斷裂球頭掛環(huán)和新的球頭掛環(huán)金相組織基本相同。

圖7 同批次未斷裂球頭掛環(huán)金相組織和脫碳層Fig.7 Metallographic structure and decarburization layer of unbroken ball-eye with same lot

從金相組織可以判斷，該球頭掛環(huán)的制造方法為鍛造，滿足《電力工程設計手冊架空輸電線路設計（2019年版）》對球頭掛環(huán)制造方法的要求。

1.7 斷口分析

對圖8-圖9中區(qū)域1～區(qū)域4進行能譜分析面掃描（其中區(qū)域1、2為“快速開裂區(qū)域”，區(qū)域3、4為“最終瞬間斷裂區(qū)域”），發(fā)現(xiàn)區(qū)域1、2表面鋅含量（質(zhì)量百分比）分別為32.52%和39.77%，鐵含量分別為6.42%和8.13%；而區(qū)域3、4表面鋅含量分別0.28%和0.48%，鐵含量分別為85.52%和73.51%，能譜分析記錄詳見表2，可見快速開裂區(qū)域存在大量鋅元素。

表2 球頭掛環(huán)能譜分析結果Table 2 Energy spectrum analysis result of ball head hanging ring

圖8 斷口微觀形貌及能譜分析區(qū)Fig.8 Fracture morphology and energy spectrum analysis area of broken ball-eye

圖9 斷口能譜分析區(qū)域Fig.9 Fracture morphology and energy spectrum analysis area of broken ball-eye

2 斷裂原因綜合分析

光譜分析、硬度測量和金相分析結果表明，球頭掛環(huán)的選材、材料性能和制造方法均符合標準要求，金相組織中未見超標的非金屬夾雜物，說明球頭掛環(huán)在生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)家族性的制造缺陷，制造過程滿足要求。

尺寸測量和通止規(guī)檢查結果表明球頭掛環(huán)、與球頭掛環(huán)連接的絕緣子球窩尺寸均符合標準要求，球頭和球窩接觸面存在明顯磨損痕跡，鍍鋅層減薄明顯，說明球頭和球窩配合處未見明顯卡澀現(xiàn)象，這說明球頭掛環(huán)開裂不是因為球頭和球窩活動受阻導致。

由于橫擔懸掛點處塔材對金具擺動的限制作用，當線路舞動幅度較大時，可能與塔材產(chǎn)生撞擊，產(chǎn)生很大的沖擊載荷。

斷面能譜分析結果顯示，陳舊性損傷區(qū)域中的快速開裂區(qū)域存在大量鋅元素，損傷區(qū)出現(xiàn)鋅元素的原因可能有兩種：

1）球頭掛環(huán)鍍鋅前即存在加工缺陷，鍍鋅時鋅滲入缺陷內(nèi)部；

2）球頭掛環(huán)運行后開裂，球頭掛環(huán)和碗頭磨損產(chǎn)生的氧化鋅的懸濁液滲入斷口區(qū)，由于球頭和球窩接觸點位于斷裂區(qū)的下方，所以氧化鋅和水形成的懸濁液不會向上移動進入裂紋中，因此該可能性可以排除。

綜上所述，球頭掛環(huán)斷裂的原因為：球頭掛環(huán)在制造過程中產(chǎn)生偶發(fā)性裂紋缺陷，形成原始缺陷，鋅液在熱鍍鋅過程中進入裂紋缺陷中。安裝運行后，在某次較大、且速度較快的載荷作用下產(chǎn)生局部開裂，形成剪切唇斷面，隨后局部斷裂區(qū)在運行載荷作用下緩慢擴展，形成疲勞擴展區(qū)，最后較大載荷作用下瞬間斷。

3 結語

1）建議廠家對重要的金具鍍鋅前進行100%磁粉檢測。

2）建議在入網(wǎng)抽檢階段，對球頭掛環(huán)進行磁粉檢測，重點檢測球頭和球桿連接位置。

3）建議對重要線路和工況復雜惡劣的線路，結合停電檢修計劃，不定期更換部分舊的金具串，對其性能和表面缺陷進行檢測，檢查其力學性能是否惡化及表面是否產(chǎn)生初期裂紋。