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某220 kV輸電線路懸垂線夾斷裂原因

2021-07-28 07:41楊迎春虞鴻江代克順
理化檢驗(yàn)(物理分冊) 2021年7期
關(guān)鍵詞:夾渣氏硬度斷口

楊迎春, 虞鴻江, 代克順

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 昆明 650217)

懸垂線夾(簡稱線夾)作為輸電線路的一種常用金具,在輸電線路中起懸掛導(dǎo)線的作用[1-2]。常見的懸垂線夾有防暈型(XGF)、在XGF導(dǎo)線上加裝預(yù)絞絲護(hù)線條(FYH)、預(yù)絞式(AGS)3種[3]。近年,懸垂線夾的斷裂事故也有相關(guān)報道,斷裂的原因主要有以下幾種:一是安裝工藝不當(dāng)導(dǎo)致所受張力超過線夾極限載荷[4-5];二是嚴(yán)重磨損導(dǎo)致線夾有效承載面積減小,最終在外力作用下發(fā)生斷裂[6-7];三是銹蝕導(dǎo)致線夾表面產(chǎn)生微裂紋,最終發(fā)生疲勞腐蝕斷裂[8]。

某220 kV輸電線路2018年4月投運(yùn),于2019年1月線路跳閘,工作人員在故障排查時發(fā)現(xiàn)某塔導(dǎo)線懸垂線夾斷裂,一般輸電線路的工作壽命為20 a(年),該懸垂線夾斷裂屬于早期斷裂。故障塔所處位置為山頂,海拔高度約為3 800 m,發(fā)現(xiàn)故障時的氣溫為-5~-3 ℃,風(fēng)力為10 m·s-1,線路上覆冰厚度為5 mm。為找到該懸垂線夾的斷裂原因,筆者以換下的斷裂懸垂線夾、未斷懸垂線夾以及同批次同型號的新懸垂線夾為研究對象,進(jìn)行了宏觀分析、化學(xué)成分分析、硬度測試、機(jī)械破壞載荷測試、射線檢測、斷口分析等,以期為輸電線路的安全、可靠運(yùn)行提供保障。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀及低倍分析

對某220 kV輸電線路換下的斷裂懸垂線夾(編號為JH-0)、未斷懸垂線夾(編號為JH-1,JH-2)和同批次同型號新的懸垂線夾(編號為S-1,S-2)進(jìn)行宏觀分析,懸垂線夾的型號為XGF-6X。

懸垂線夾從掛耳下面的船體中部和中下部斷裂,斷口較新,無明顯腐蝕;斷口除了在尖角處沾有少量泥土外,整體較干凈,如圖1a)所示。掛耳的斷口邊緣略有彎折,但大部分?jǐn)嗫谶吘壠秸瑹o明顯塑性變形,如圖1b)~c)所示。在斷裂懸垂線夾的下部螺栓孔拐角處有一條長度為25 mm的裂紋,如圖2a)所示,體視顯微鏡下觀察裂紋開口較新,無明顯塑性變形,如圖2b)所示。

圖1 斷裂懸垂線夾宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured suspension clamp:a) overall morphology; b) hanging ear morphology; c) hull morphology

圖2 斷裂懸垂線夾船體底部螺栓孔附近的裂紋形貌Fig.2 Crack morphology near bolt hole of fracturedsuspension clamp hull bottom:a) macro morphology; b) morphology at low magnification

用游標(biāo)卡尺對JH-0線夾掛耳厚度、螺栓孔間距、螺栓孔內(nèi)徑、線夾整體長度、線夾底部內(nèi)徑進(jìn)行測量,除了掛耳部位螺栓孔內(nèi)徑因磨損略大于設(shè)計要求外,其余尺寸均符合圖紙要求。對JH-1和S-1線夾除測量上述尺寸外增加底部U形螺栓孔處船體高度的測量,圖紙?jiān)O(shè)計該高度應(yīng)為80 mm,實(shí)測結(jié)果JH-1線夾為66.1 mm,S -1線夾為74.2 mm,低于設(shè)計要求,而底部U形螺栓孔處船體高度的減小,會降低懸垂線夾的承載能力。幾何尺寸測量結(jié)果如表1所示。

表1 懸垂線夾幾何尺寸測量結(jié)果及設(shè)計尺寸Tab.1 Measurement results of geometric dimensions and design dimensions of suspension clamps

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)廠家提供的資料,XGF-6X型懸垂線夾的設(shè)計材料為ZL102鋁合金,采用定量光譜儀按照GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》的技術(shù)要求對JH-0,JH-1,S -1掛耳打磨后的表面進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示。根據(jù)GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》對ZL102鋁合金化學(xué)成分的要求,除JH-0線夾的硅含量略高于標(biāo)準(zhǔn)值,其余懸垂線夾的化學(xué)成分均符合要求。

表2 懸垂線夾的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical composition analysis results of suspension clamps (mass fraction) %

1.3 硬度測試

選取JH-0,JH-1,S -1線夾,采用臺式布洛維硬度計按GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求對掛耳部位進(jìn)行硬度測試,壓頭直徑為2.5 mm,壓力為62.5 N,保載15 s,

取3個測試點(diǎn)的平均值為線夾的布氏硬度,結(jié)果如表3所示??梢奐H-0線夾的平均布氏硬度為66 HBW,JH-1線夾的平均布氏硬度為68.5 HBW,S-1線夾的平均布氏硬度為73.2 HBW,所測懸垂線夾的布氏硬度滿足GB/T 1173-2013對ZL102鋁合金布氏硬度不低于50 HBW的要求。

表3 懸垂線夾的布氏硬度Tab.3 Brinell hardness of suspension clamps

1.4 機(jī)械破壞載荷測試

采用拉力試驗(yàn)機(jī)對懸垂線夾JH-1,JH-2,S-1,S-2進(jìn)行試驗(yàn)測試懸垂線夾的機(jī)械破環(huán)載荷,圖3為試樣布置圖,結(jié)果如表4所示。可知懸垂線夾的機(jī)械破壞載荷在36~48 kN之間。且JH-1,JH-2,S-1,S-2線夾機(jī)械破壞載荷測試后的斷裂部位和試樣JH-0線夾的基本一致,都是從船體中下部和掛耳下方斷裂,機(jī)械破壞載荷測試的試樣斷裂位置示意圖如圖4所示。判斷是由于懸垂線夾的船體中下部和掛耳下方較薄,是懸垂線夾較薄弱的部位,當(dāng)懸垂線夾承受較大應(yīng)力時,會優(yōu)先在該部位發(fā)生斷裂。根據(jù)廠家設(shè)計資料,該型號懸垂線夾的標(biāo)稱破壞載荷為70 kN,而實(shí)測機(jī)械破壞載荷為42 kN,實(shí)測機(jī)械破環(huán)載荷明顯低于標(biāo)稱破壞載荷。

圖3 機(jī)械破壞載荷測試試樣布置圖Fig.3 Layout diagram of mechanical failure load test specimen

表4 機(jī)械破壞載荷測試結(jié)果Tab.4 Test results of mechanical failure load kN

圖4 機(jī)械破壞載荷測試的試樣斷裂位置示意圖Fig.4 Diagram of specimen fracture location in mechanicalfailure load test

1.5 射線檢測

采用數(shù)字射線對斷裂懸垂線夾(JH-0)進(jìn)行檢測,管電壓為90 kV、管電流為3 mA、曝光時間為4 s??梢娋€夾本體和壓板內(nèi)部存在若干氣孔、夾渣和疏松缺陷,如圖5和圖6所示。氣孔、夾渣和疏松缺陷的存在,一方面在一定程度上減小了懸垂線夾的承載面積;另一方面這些缺陷多為不規(guī)則形狀,其尖角處會形成應(yīng)力集中,當(dāng)懸垂線夾受力時,在這些缺陷的應(yīng)力集中處易形成裂紋源并擴(kuò)展,造成懸垂線夾的斷裂[9-11]。

圖5 線夾本體射線檢測影像Fig.5 Radiographic inspection image of clamp body

圖6 掛耳和壓板射線檢測影像Fig.6 Radiographic inspection image of hanging ear and pressure plate

1.6 掃描電鏡及能譜分析

對斷裂懸垂線夾JH-0的斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)和能譜(EDS)分析,掃描電鏡下斷口可見韌窩形貌,局部有氣孔,未發(fā)現(xiàn)疲勞條紋,如圖7所示;能譜分析結(jié)果顯示,斷口表面主要含有碳、氧、硅、鋁等元素,如表5和表6所示。

圖7 斷裂懸垂線夾HJ-0的斷口SEM形貌Fig.7 SEM morphology of fracture of fracturedsuspension clamp JH-0: a) dimple ; b) pore

表5 圖7a)中不同位置的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.5 Analysis results of EDS point scanning at differentlocations in Fig.7a) (mass fraction) %

表6 圖7b)中不同區(qū)域的EDS面掃描分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.6 Analysis results of EDS face scanning at differentarea in Fig.7b) (mass fraction) %

2 分析與討論

斷裂懸垂線夾的斷口較新,表明斷裂時間不長;斷口較平整,整體無明顯塑性變形。懸垂線夾U形螺栓孔處船體高度低于設(shè)計要求。

斷裂懸垂線夾JH-0的硅含量略高于標(biāo)準(zhǔn)的要求,其余懸垂線夾的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)對ZL102鋁合金的要求。

懸垂線夾的布氏硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求,機(jī)械破壞載荷低于該型號懸垂線夾的標(biāo)稱破壞載荷。斷裂懸垂線夾(JH-0)的內(nèi)部存在氣孔、夾渣等鑄造缺陷;SEM分析表明,斷裂懸垂線夾的斷口呈韌窩形貌,局部可看到氣孔。當(dāng)懸垂線夾中的氣孔率超過一定數(shù)值時,會對懸垂線夾的強(qiáng)度造成不良影響;夾渣和疏松缺陷會使懸垂線夾的有效承受面積減小,且在缺陷的尖角處會形成應(yīng)力集中,易形成裂紋源,造成懸垂線夾的過載斷裂。

綜上所述,懸垂線夾所處環(huán)境溫度較低,導(dǎo)線覆冰厚度約5 mm,導(dǎo)線的覆冰增大了懸垂線夾的垂直載荷,此外,懸垂線夾的尺寸不符合設(shè)計要求,且線夾內(nèi)部存在氣孔、夾渣等鑄造缺陷,使得懸垂線夾的機(jī)械破壞載荷低于標(biāo)準(zhǔn)要求,最終在運(yùn)行中發(fā)生過載斷裂。

3 結(jié)論及建議

懸垂線夾的斷裂原因?yàn)槌叽绮环显O(shè)計要求,且懸垂線夾的內(nèi)部存在氣孔、夾渣等鑄造缺陷,使得懸垂線夾的機(jī)械破壞載荷低于標(biāo)準(zhǔn)的要求,運(yùn)行中由于覆冰導(dǎo)致懸垂線夾垂直載荷增大,最終發(fā)生過載斷裂。

建議加強(qiáng)對XGF-6X型懸垂線夾產(chǎn)品的采購驗(yàn)收,如測量線夾的主體外形尺寸,進(jìn)行化學(xué)成分及機(jī)械破環(huán)載荷測試等。

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