±800kV直流輸電線路耐張線夾內鋼芯斷裂原因分析

±800kV直流輸電線路耐張線夾內鋼芯斷裂原因分析（2、中國電建成都電力金具有限公司，四川成都，610100）摘要：針對某土800kV直流輸電線路運行過程中耐張線夾內導線鋼芯斷裂事故，通過外觀檢查、材質成分分析、金相組織分析、掃描電鏡（SEM）、強度測試、壓接模擬試驗等對事故原因進行了分析。結果表明該鋼芯斷裂失效類型屬于拉伸過載斷裂；不當?shù)膲航庸に噷е碌匿撔練堄嘤欣祛A應力，在服役載荷和低頻交變的風載和覆冰載荷的共同作用下，導致鋼芯發(fā)生斷裂。針對問題提出相應的預防措施，避免類似情況發(fā)生。關鍵詞：直流輸電；耐張線夾；鋼芯斷裂；預防措施0引言耐張線夾是輸電線路中常見的金具之一，用來將導線或避雷線固定在非直線桿塔的耐張絕緣子串上，對輸電線路安全穩(wěn)定運行起重要作用。本文針對一起耐張線夾內導線鋼芯斷裂事故進行分析，找出事故原因，提出相應的預防措施，避免類似的事故發(fā)生。1事故概況某土800kV特高壓直流輸電工程于2018年5月投入運營。在2019年3月的一次定期巡檢過程中，使用便攜式X射線機檢測到某基塔大號側的四根上揚耐張線夾的鋁管內鋼芯發(fā)生斷裂，斷裂處均位于耐張線夾鋁管的不壓接區(qū)。事故點為六分裂導線。導線采用鋁包鋼芯鋁絞線JL/LB1A-720/50，導線外徑為①36.20mm，導線額定拉斷力為167kN。耐張線夾采用注脂型耐張線夾NYZ-720-50BG，為非標金具產品。該耐張線夾為鋤頭型，引流板環(huán)焊在鋁管上；鋼錨為整體鍛造，材質為Q235A,鋼芯壓接區(qū)設計外徑為622mm；鋁管為型材擠壓管，材質為1050A，鋁管設計尺寸為660/638mm。該塔掛線點海拔高度為167.3m，無特殊氣象工況。2工程樣品檢驗2.1外觀檢驗工程樣品的鋁管無明顯扭曲、彎曲變形，表面無裂紋；鋁管出口處導線表面無局部受損或縮徑；引流板與鋁管焊接部位細密平整，焊接質量符合標準要求。2.2尺寸檢驗2.2.1對邊尺寸檢測根據文獻［1］中要求，耐張線夾壓接區(qū)六邊形對邊距S的最大允許值為：S=0.866KD+0.2(1)式中：D為鋁管或鋼錨鋼管外徑；K為壓接管六邊形壓接系數(shù)，鋼芯、鍍鋅鋼絞線、720mm2及以下導地線壓接管的K值取0.993；720mm2以上導地線壓管的k值取0.997。根據耐張線夾NYZ-720/50BG尺寸設計值計算，鋁管壓接后的對邊距的最大允許尺寸為S=51.80mm，鋼錨鋼管壓接后對邊距的最大允許尺寸為S=19.12mm。工程樣品1-3#壓接后六邊形對邊尺寸測量結果見表1，由測量結果可知，個別對邊尺寸存在極小超差，考慮測量誤差，壓接對邊尺寸基本合格。2.2.2壓接長度尺寸檢測工程樣品1-3#壓接后鋁管長度尺寸的測量結果見表2,其中耐張線夾不壓區(qū)的設計尺寸為220mm，而實際工程樣品1-3#的測量尺寸為198-202mm之間。由此可以推斷，在施工過程中，環(huán)箍處實際壓接長度略超過產品設計壓接長度。表1工程樣品1-3#壓接區(qū)六邊形對邊尺寸測量結果mm由官坪瓠授區(qū)f昭跋住區(qū)櫥曲％徵1挨區(qū)_L程曲M.51.63-51.11-51.35i8.eaaftMi9.oo工倒粽盎31.59/5117^13351.OT--5L[1.51.81工超杵畋51.1^1.43/51.53092%S4,1S.^2表2工程樣品1-3#壓接后鋁管長度尺寸測量結果mmnrh錯跳壓探區(qū)If瑾接區(qū)發(fā)度貴莒不壓按度感3詢的■220倒工程樣品1#403：51%:]a4554193--.741117.4%工IPS72：工程礎M408,56%10130%202T'42.3解剖觀察為觀察鋼芯斷口情況并取樣，沿著耐張線夾鋁管的軸向方向剖開鋁管，露出鋼錨、剝開的鋼芯和鋁絞線部分。宏觀觀察解剖后的耐張線夾，觀察到以下現(xiàn)象：（1）耐張線夾內防腐油脂未注滿空腔，不符合施工規(guī)范；（2）耐張線夾鋁管的鋁線壓接區(qū)內壁以及絞線間隙內有泥水，推斷可能是由于耐張線夾上揚，雨水通過絞線間隙滲入鋁管內；（3）鋼芯斷口位置均在耐張線夾不壓區(qū)，分別位于鋼錨出口處，鋼芯裸露區(qū)以及鋁管壓接區(qū)和不壓區(qū)交界處；（4）鋼芯斷口有明顯的頸縮現(xiàn)象，可初步判定為拉伸斷裂;（5）所有斷裂的鋼芯表面和部分鋼錨鋼管壓接區(qū)端面均觀測到有銹跡，但無嚴重的腐蝕坑。3鋼芯受力分析在本次事故中，鋼芯均在鋁管不壓區(qū)發(fā)生斷裂，但導線未從耐張線夾中滑出。對鋁管不壓區(qū)進行受力分析，在此處由鋼芯和鋁管共同承擔載荷，最大可承受的理論載荷：'Mb%密秒內弟骨X%耕6199.23kN計算結果遠大于導線的運行載荷，甚至遠大于導線的額定拉斷力。從理論計算中可以得出在正常受力情況下不可能出現(xiàn)鋼芯拉斷的情況，因此推測一下兩種可能性：（1）在掛線時耐張線夾內的鋼芯已經發(fā)生斷裂或者殘余有應力，運行過程中受到導線運行載荷的作用后發(fā)生斷裂。但導線運行時受到的載荷低于鋁絞線部分能承受的拉斷力，因此未發(fā)生導線從耐張線夾中抽出的事故。（2）腐蝕、局部高溫或者鋼芯本身的缺陷導致鋼芯的抗拉強度低于要求值，導致鋼芯拉伸過載斷裂。4鋼芯成分分析和單絲強度試驗鋁包鋼芯鋁絞線JL/LB1A-720/50的鋼芯材料為72A高碳盤條，化學成分要求值見表4，鋼芯要求金相組織為索氏體，抗拉強度要求＞1273MPa。4.1化學成分分析采用光譜儀對工程樣品2#中的鋼芯的化學成分進行了分析，測試結果見表3。表3鋼芯化學成分分析CSips斐束。.餌0J5-佰0.550W>2(1.6430.240徹蓮0.005&4.2金相組織分析從工程樣品2#中斷裂鋼芯上截取樣品，觀察了橫截面與縱截面金相組織，金相分析。4.3單絲強度試驗選取工程樣品1#鋁線壓接處的鋼芯單絲和新導線的鋼芯單絲進行了單絲強度試驗，試驗結果如表4。表4單絲強度試驗Mpa桿^單絲強度平切值L稻腳蚌Y-ti.fi新物I疵.卯根據試驗和檢測結果，工程樣品的鋼芯的材料成分含碳量略偏低，但金相組織和抗拉強度均滿足標準要求，鋼芯不會因為碳含量略偏低引起斷裂。5鋁管金相組織試驗對工程樣品2#的鋁管進行了金相組織試驗，取鋼芯斷裂處的鋁管進行金相組織分析。從鋁管金相組織照片可以看出，鋁管不同位置金相組織有較小差別，鋁管的組織是不均勻的；鋁管的金相符合材料標準的要求；未觀測到再結晶顆粒，說明運行過程中未出現(xiàn)局部溫度過高導致的材料強度降低的現(xiàn)象。6鋼芯斷口SEM微觀形貌觀測在工程樣品2#中選取了兩根斷裂鋼芯，分別編號為1號與2號；在新導線單絲強度試驗拉斷的單絲中選取了一根斷裂鋼芯，編號為3號。1號樣品腐蝕較輕;2號樣品斷口腐蝕較為嚴重，采用清洗劑進行清洗。在SEM下觀察斷口形貌。1號樣品基本形貌是平坦區(qū)域和顆粒堆積區(qū)域，2號樣品基本形貌是平坦區(qū)域和一定形狀分布顆粒、微裂紋。平坦區(qū)域表明拉伸斷裂過程中材料沒有發(fā)生大的塑性變形，微觀形貌為脆性斷裂形貌。1號樣邊緣為鍍鋁層，觀察到大量韌窩狀形貌，證明鋼芯是拉伸過載斷裂，這與宏觀斷口觀察分析結果吻合。2號樣品中部區(qū)域明顯微裂紋，不能排除服役前就存在。3號樣品斷口中心區(qū)域A區(qū)與1號和2號樣品形貌略有不同，3號樣品在高倍下可見一些韌窩形貌，而1號和2號樣品均為平滑區(qū)域，并且可見微裂紋。說明工程斷裂鋼芯雖然也屬于拉伸斷裂，但與新導線單絲直接拉伸斷裂略有不同。單絲拉斷試驗過程中，一直施加拉力載荷直至斷裂；而在工程服役過程中，導線重力載荷始終加在鋼芯上，同時受到風力載荷和覆冰載荷等其他隨時間變化的載荷，相當于導線受到一個頻率很低的疲勞載荷，因此導致斷口微觀形貌有所不同。7壓接方式驗證根據理論分析，若壓接時先壓接鋁管的環(huán)箍壓接區(qū)，之后從耐張線夾導線出口處（拔梢處）起壓，那么鋁管同鋁線的延伸方向向著耐張線夾的不壓區(qū)；然而鋁管和鋁線的延伸率大于鋼芯的延伸率，因此在壓接過程中鋼芯表面受到鋁線的延鋁管軸向向導線側的摩擦力f摩以及壓接時鋁線對鋼芯的正壓力F壓，這兩個力的綜合作用可能導致鋼芯斷裂。為驗證此分析，設計了兩種可能導致鋼芯在壓接過程中預先張緊的試驗：第一組試驗（試驗件2#-4#），先壓鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)，再倒壓鋁線壓接區(qū)；第二組試驗（試驗件5#-8#），先正壓鋁線壓接區(qū)，再倒壓鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)。7.1第一組試驗試驗樣品1#：先正壓鋁管的鋁線壓接區(qū)，之后正壓環(huán)箍壓接區(qū)。此壓接工藝參考文獻［1］，試驗樣品1#作為對照組。試驗樣品2#-4#:先正壓接環(huán)箍壓接區(qū)，之后倒壓鋁管的鋁線壓接區(qū)。試驗樣品1#壓接過程無異常，試驗樣品2#-4#均在壓接最后一模時聽到鋁管內部有異常的響聲，與進行鋼芯單絲強度試驗時拉斷單絲的響聲接近。表5試驗件1#-4#壓接后尺寸mm踏掛壓陸治E不壓玷￡壓庇只區(qū)長庭區(qū)長度國長待長壓摟前350220806501S39025S37003B322085690385S54U220S5根據表5中的數(shù)據可知，不同的壓接方式對于壓接后的鋁管尺寸影響不大;但對比表2中的數(shù)據可知，工程樣品未按照設計的壓接長度進行壓接。將試驗件2#剖開，發(fā)現(xiàn)鋼芯斷裂在鋁線壓接區(qū)最后一模處，斷面有明顯的頸縮現(xiàn)象，與工程樣品3#的斷口較為相似，可初步斷定為拉伸斷裂。根據上述試驗可得出結論：先壓接鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)，再從導線端倒壓的壓接方式會導致鋼芯斷裂，并且斷裂位置與工程樣品一致，斷口形貌與單絲強度試驗中一致。7.2第二組試驗試驗樣品5#-8#:先正壓鋁線壓接區(qū)，再倒壓鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)。將鋼錨環(huán)箍的壓接長度從設計要求的80mm提高到推測的實際壓接長度100mm。由于壓膜寬度只有70mm，因此鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)壓接了2模。壓接過程無異?，F(xiàn)象，壓接后尺寸見表6。表6試驗件5#-10#壓接后尺寸mm肝隹Lk接區(qū)長席區(qū)長障壓質前350200100砌1例200'10:7086#技項頒：10■1Z4052051107208#405205110720壓接完成后進行握力試驗，結果如下:（1）試驗件5#-6#為一組，施加載荷到63.5kN保持2分鐘；之后繼續(xù)加載達到70kN左右的時候，耐張線夾內有2次異響，聲音和壓斷鋼芯的斷裂聲幾乎一樣，繼續(xù)加載到152.84kN時無法繼續(xù)加載，握力試驗失敗。（2）試驗件7#-8#為一組，施加載荷到63.5kN保持2分鐘；之后繼續(xù)加載達到68.8kN和82.5kN聽到了異響，在第二次異響時停止加載。握力試驗結束后觀察導線和耐張線夾，外觀處未有明顯的斷裂和滑移，試驗件5#的鋁管的不壓區(qū)有塑形變形，表面有明顯的韌窩，因此可以推斷在握力試驗過程中，不壓區(qū)的鋼芯斷裂導致鋁管承受了全部的載荷，超過了鋁管的設計強度。將試驗件5#-8#進行了解剖，觀測到試驗件5#鋼芯斷裂，斷裂位置發(fā)生在鋼錨出口處，與工程樣品2#的斷裂位置一致。宏觀觀測到鋼芯斷口有明顯的頸縮現(xiàn)象，可推斷是拉伸斷裂。根據分析推測，在壓接過程中，鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)壓接了2模，起壓位置是鋼錨側，環(huán)箍處鋁管延伸方向為不壓區(qū)，鋼芯在壓接過程中受到鋁線的摩擦力。雖然壓接過程中未造成鋼芯斷裂，但殘余有殘余應力，造成耐張線夾握力試驗失敗。由此可以推斷，先順壓鋁線壓接區(qū)，再倒壓鋼芯環(huán)箍壓接區(qū)的不正確操作方式，同樣會造成導線鋼芯預先張緊，但不會同第一組一樣發(fā)生斷裂。8結論根據上述分析結果表明，耐張線夾中的鋁管、鋼芯、鋁絞線的材質狀況正常。該耐張線夾斷裂失效是因為在不當?shù)膲航訉е落撔緝扔袣堄囝A應力，在運行過程中，在服役載荷和低頻交變的風載和覆冰載荷的共同作用下，導致鋼芯發(fā)生斷裂。通過對事故的深入分析，提出了防止此類事故的預防措施。針對性改進建議：（1）向施工隊伍提供壓接工藝規(guī)程，并對施工人員進行培訓，在壓接過程中嚴格執(zhí)行壓接工藝。（2）在施工現(xiàn)場，每類導線壓接好后均要進行