某輸電線路球頭掛環缺陷分析

葉建鋒，馮紅武，周學明，李楚涵

（1.國網湖北省電力有限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；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

0 引言

金具是架空輸電線路中的重要受力部件，起到了連接導線、地線和鋼結構的作用，金具一旦出現斷裂，將導致導線掉落，輸電線路因金具失效而產生的故障時有發生［1-10］。

球頭掛環是金具的一種，其受力復雜，在輸電線路金具故障中比例較高［11-21］。參考文獻［22］中提到，對于特高壓工程的球頭掛環，國家電網有限公司要求廠家在出廠前對其進行100%的磁粉檢測，可見球頭掛環的重要性。

1 概況

運維人員在巡視過程中發現某500 kV輸電線路工程的導線某個球頭掛環存在形態疑似裂紋的表面開口缺陷，該線路處于1級舞動區，大小號側檔距比例為2.18，與大號側高差為70.9 m，所在線路區段均為偏向與東西走向，球頭的上部為UB掛板，UB掛板直接與鐵塔連接，球頭下部為絕緣子串，球頭掛環的型號為QP16。

2 試驗與分析

2.1 宏觀檢查及尺寸測量

對球頭掛環進行尺寸測量，如圖1所示。

對球頭掛環進行宏觀檢查，發現表面存在一處長為20 mm的表面開口缺陷，如圖2所示。

圖2 球頭掛環表面缺陷Fig.2 Defect on the surface of the ball-eye

2.2 化學成分分析

對球頭掛環進行化學成分分析，結果如表1所示，對照《GB/T 699-2015 優質碳素結構鋼》，其牌號為60Mn。根據標準GB/T 699-2015，60Mn 的抗拉強度為不小于690 MPa，而球頭掛環的直徑為20.10 mm，計算得到其破壞載荷為不小于218.94 kN，滿足該型號球頭掛環的標稱破壞載荷不小于160 kN的要求。

表1 光譜分析結果Table 1 Spectrum analysis results

2.3 拉力試驗

對球頭掛環進行拉力試驗，當試驗力達到222 kN時，球頭掛環的圓環處發生變形，且連接球頭掛環的螺栓彎曲，但球頭掛環未在缺陷處斷裂，試驗力滿足該型號球頭掛環的標稱破壞載荷不小于160 kN 的要求，合格。

2.4 金相分析

將球頭掛環切斷后沿著圖3所示的虛線對樣品進行取樣，得到圖4所示的樣品。

圖3 取樣部位Fig.3 Sampling location

圖4 樣品Fig.4 Sample

將樣品打磨拋光后使用100 倍金相顯微鏡觀察并測量缺陷深度，如圖5 所示，缺陷與表面成45°夾角，垂直表面的深度為0.585 mm，傾斜深度為0.7 mm。

圖5 缺陷深度Fig.5 Defect depth

對樣品腐蝕后進行金相組織觀察，如圖6所示（左上角為缺陷尖端，右上角為缺陷中部，左下角為金具中心部位，右下角為金具外表面）。

金具的金相組織均為鐵素體加珠光體，從圖6 中可見，缺陷兩側及金具外表面的金相組織中鐵素體含量高于金具中心部位，表明金具缺陷兩側和金具外表面均存在脫碳。

圖6 金相組織Fig.6 Metallographic structure

2.5 能譜分析

使用掃描電鏡和能譜儀對缺陷附近的化學成分分布進行分析，結果如圖7 所示，由此可見，缺陷內部和金具外表面均有相近含量的鋅元素（顏色越亮的部位元素含量越高）。

圖7 能譜分析結果Fig.7 Energy spectrum analysis

3 綜合分析

首先，金相分析顯示缺陷兩側金相組織存在脫碳，而鋼材需在600 ℃以上且與空氣接觸才會發生明顯的脫碳（鋼材表面的碳原子與空氣中的氧氣和水蒸氣發生氧化反應產生甲烷或CO），對于鍛造的金具而言，脫碳發生在鋼材加熱至初鍛溫度，一直至終鍛結束。由此可見，缺陷產生于鍛造過程中，圖8為某廠家的球頭掛環制造工藝，其鍛造過程溫度維持在850 ℃以上。

圖8 球頭掛環制造工藝Fig.8 Manufacturing technology of ball-head

其次，從Zn 元素的分布也可以判斷，球頭掛環在鍛造過程中產生了缺陷，鍍鋅過程中由于毛細現象，熔融的鋅液滲入缺陷中，導致缺陷中富含鋅元素。

最后，根據裂紋的擴展規律，裂紋沿著表面擴展的同時，也會朝深度方向擴展，目前該球頭掛環缺陷在表面的長度為20 mm，而缺陷深度僅為0.585 mm。參考另一起球頭掛環斷裂故障的斷口（如圖9 所示），該球頭掛環裂紋長度也為20 mm，而深度則達到6 mm，這表明該缺陷并非為運行后產生的裂紋。

圖9 另一起故障的斷口Fig.9 A fracture from another failure

綜上所述，該球頭掛環表面的缺陷實際上為鍛造過程中產生的折疊，為原始制造缺陷［23-25］。

4 原始缺陷查找方法的經驗總結

在進行金具斷裂分析時，當金具的斷口有一部分腐蝕嚴重無法分辨是否存在原始缺陷時，可以先選擇一個與斷口平行的平面進行金相分析，測量金具表面脫碳層厚度，再使用車床將斷面附近的金具表面脫碳層去除，最后對去除了脫碳層的表面（曲面）進行金相分析，查找斷面附近是否存在脫碳區域，存在脫碳區域的即為原始缺陷區域，分析步驟如圖10 所示。

圖10 分析步驟Fig.10 Analysis step

5 結語

根據國家電網有限公司要求，特高壓交直流線路的金具出廠前需做100%的磁粉檢測，而500 kV 線路無此規定，建議在采購招標時，將磁粉檢測作為驗收條件。此外，在入網抽檢過程中，建議增加磁粉檢測項目［26-31］。