輸電桿塔聯(lián)接件的抗舞防松性能測試與分析

楊曉輝，呂中賓，韓寶林，傅正財

(1.上海交通大學電氣工程系，上海市200030;2.河南省電力公司電力科學研究院，鄭州市450052;3.河南電力器材公司，河南省漯河市462000)

0 引言

近年來輸電線路舞動頻繁發(fā)生，造成輸電桿塔破壞的現(xiàn)象越來越突出，甚至還造成倒塔事故。僅河南電網(wǎng)，在2009—2010年冬季由于線路舞動共造成59基500 kV輸電桿塔受損。對電網(wǎng)運行維護來說，輸電桿塔破壞屬于難以直接恢復的電力事故，由此造成的停電損失及其修護成本也較高。

以往在對輸電線路舞動問題的研究中，主要集中在對舞動機理及其成因、舞動特性及各類防舞動措施的研究等方面［1-3］，而對輸電桿塔受到的的影響及其抗舞性能卻較少涉及［4］。對輸電桿塔抗舞性能的研究，僅僅依靠現(xiàn)場調(diào)研手段開展桿塔損壞原因及對策分析已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)安全運行的要求［5］。必須根據(jù)桿塔實際運行特點，對其舞動損壞機理和破壞模式開展系統(tǒng)的研究，以便采取有針對性的改造措施，來提升桿塔的抗舞性能和降低桿塔舞動受損的風險。

根據(jù)輸電桿塔的運行環(huán)境及特點，桿塔聯(lián)接件大多選擇冷鐓、熱浸鋅型的六角頭螺栓與單螺母組合［6］。出于防松考慮，會在單螺母聯(lián)接型式的基礎上，選擇搭配彈簧墊片、防松卡或雙螺母等防松型式。在輸電鐵塔聯(lián)接件選型及其防松性能考核方面，目前在國內(nèi)還沒有明確的標準規(guī)范。因此在實際使用過程中，桿塔聯(lián)接件所采取的防松措施和型式有很多，經(jīng)濟成本和防松效果的差異也很大。在對輸電線路舞動事故的現(xiàn)場調(diào)研中，曾多次發(fā)現(xiàn)桿塔聯(lián)接件的防松型式失效、防松金具脫落等現(xiàn)象。

為了提高輸電鐵塔的抗舞抗振性能，減少導線舞動對輸電塔材的機械損壞，本文根據(jù)輸電桿塔聯(lián)接件的生產(chǎn)工藝和施工特點，利用現(xiàn)有緊固件防松性能試驗方法和手段，結合緊固件防松性能對振動頻率、載荷大小的響應特性，對不同型式的鐵塔緊固件防松性能進行系統(tǒng)測試和分析，并在此基礎上提出相應的提升措施和改進建議，以供輸電桿塔抗舞性能改造參考。

1 桿塔聯(lián)接件的舞動承載特性分析

現(xiàn)有輸電桿塔主要是由桿件通過緊固聯(lián)接件在施工現(xiàn)場組裝而成的。當輸電桿塔在導線舞動作用下產(chǎn)生受迫振動時，桿塔構件和聯(lián)接緊固件均處于舞動引起的動態(tài)交變載荷之下。對于桿塔構件來說，材料強度和大小型號在設計階段已經(jīng)確定，受現(xiàn)場施工因素的影響較小，桿件的舞動承載特性主要取決于初始設計選型。

前期研究表明:聯(lián)接件對動態(tài)交變載荷的承受能力與其初始夾緊力有密切關系［7-8］。桿塔聯(lián)接件的舞動承載特性不僅與設計選型有關，而且與現(xiàn)場安裝施工條件密切相關。因此桿塔聯(lián)接件的舞動承載特性具有很大的分散性和不確定性。

根據(jù)目前電網(wǎng)選擇應用較多的是6.8級、M16的普通螺栓和單螺母組件，通過橫向振動的試驗方法［9］對其防松性能進行測試，試驗時的安裝扭矩遵守規(guī)程GB 50233—2005的相關要求［10］。測試結果如圖1所示。

圖1 M16、6.8級螺栓組件的防松性能測試Fig.1 Locking performance test for bolt joints(strength grade:6.8，scale:M16)

由圖1可知:(1)被測的10組聯(lián)接件，在初始預緊力相同、振動試驗條件相同的情況下，其防松性能測試結果相差較大。(2)被測聯(lián)接件在經(jīng)歷3 000次的振動后夾緊力明顯下降，甚至有的喪失為0。這說明聯(lián)接組件對動態(tài)交變載荷的響應特性比較敏感，容易在舞動過程中出現(xiàn)桿塔連接點的聯(lián)接性能下降和喪失，引起緊固件的松動和脫落，造成桿塔局部受力不均勻，從而使桿塔受到機械性的破壞。

在輸電線路舞動事故的現(xiàn)場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，舞動受損的桿塔附近，地面經(jīng)常有大量脫落或折斷的螺栓、螺母組件，受損桿塔連接點處螺栓脫落現(xiàn)象明顯。在舞動造成的塔線體系損壞總量中，桿塔螺栓松動占到總量的45%，明顯高于其他損壞特征，具體統(tǒng)計結果見圖2。

圖2 2009—2010年冬季線路舞動損壞特征統(tǒng)計Fig.2 Statistic of damage character in 2009－2010 winter caused by conductor galloping

對桿塔舞動承載特性的初步分析和現(xiàn)場事故統(tǒng)計表明:桿塔緊固件聯(lián)接是整個輸電桿塔抗舞性能最為薄弱的環(huán)節(jié)。

2 桿塔聯(lián)接件防松的主要影響因素

針對目前輸電線路鐵塔組立的實際施工技術條件以及螺栓聯(lián)接的型式，可以將螺栓防松性能的主要影響因素歸納為以下幾個方面［10］:(1)初始預緊力;(2)螺栓組件強度;(3)螺栓聯(lián)接型式。

除此之外，輸電桿塔用螺栓組件的尺寸、鍍鋅工藝、安裝時是否采取潤滑措施等問題目前尚沒有明確的規(guī)定和結論，這些因素在一定程度上也會對聯(lián)接件的防松性能產(chǎn)生影響［11］。

2.1 桿塔聯(lián)接件的防松性能評估試驗

現(xiàn)有評價緊固件防松性能的試驗方法主要為橫向振動試驗，在對輸電桿塔聯(lián)接件防松性能評估時，按照GB 10431—2010標準規(guī)定的試驗方法［8］在“機械工業(yè)通用零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心”開展了相關的評估試驗。

考慮到輸電桿塔舞動條件下的承載特性，在試驗條件選取時分別進行了振動頻率和幅值對測試結果影響的分析，結果表明:振動幅值變化對螺栓組件的防松性能測試結果影響較大，而振動頻率的影響較小。具體測試結果如圖3所示。

圖3 振動頻率和幅值對測試結果的影響Fig.3 Influence of vibration frequency and magnitude on locking performance

由于大多數(shù)被試組件的型號為M16，結合試驗裝置的輸出特性，選擇頻率為12.5 Hz、振幅為1.6 mm作為鐵塔螺栓聯(lián)接防松性能評估的基礎試驗載荷，選擇相同頻率、振幅為1.0 mm的試驗載荷作為對比。

2.2 各類影響因素的測試分析

采取橫向振動的試驗方法，對影響螺栓防松性能的各種因素進行了試驗和分析。

2.2.1 初始預緊力

選擇M16、6.8級的螺栓與6級單螺母的普通聯(lián)接型式，在2種試驗載荷下分別進行了初始預緊力為25，35，50，60 kN 的性能測試，測試結果如圖4所示。

由圖4可以看出:在振幅為1.0 mm的試驗條件下，螺栓聯(lián)接的殘余夾緊力與初始預緊力直接相關，初始預緊力越大，防松效果越好;但在振幅為1.6 mm的試驗條件下，35 kN與50 kN初始預緊力下的測試平均值基本相當，且明顯優(yōu)于初始預緊為25 kN和65 kN的試驗結果。說明螺栓聯(lián)接的初始預緊力在一定范圍內(nèi)其防松效果最佳(預緊力取值范圍為0.5 ～0.7σs，其中:σs為螺栓的保證載荷［10］)，均能取得較好的防松效果。

2.2.2 螺栓強度的影響測試

選擇強度為6.8級、8.8級與10.9級的M16螺栓與6級單螺母的組合，在基礎試驗載荷、初始預緊力為50 kN的條件下進行性能測試，結果如圖5所示。

圖4 初始預緊力對防松性能的影響Fig.4 Influence of initial pre-tightening force on locking performance

圖5 螺栓強度對防松性能的影響Fig.5 Influence of bolt’s strength on locking performance

由圖5可以看出:適當提高螺栓的強度等級可以有效提高螺栓聯(lián)接的防松性能。在螺栓強度等級提高的前提下，同時提高螺栓組件的安裝扭矩和初始預緊力，螺栓組件將會有更好的防松性能。

2.2.3 螺栓尺寸的影響測試

選擇強度為6.8級的M16、M20、M24的螺栓與單螺母的聯(lián)接型式，同時選擇螺桿長度分別為80，110 mm的6.8級M16的螺栓與單螺母的聯(lián)接型式，在初始預緊力為50 kN、基礎試驗載荷下分別進行性能測試對比，試驗結果如圖6所示。

圖6 螺栓尺寸的影響Fig.6 Influence of bolt’s size on locking performance

由試驗結果可以看出:在初始預緊力相同的條件下，對于螺桿長度相同的螺栓，其直徑越大防松性能越好;對于螺桿直徑相同的螺栓，鐓頭與螺母間的長度越小，防松性能越好。

2.2.4 螺母鍍鋅工藝的影響

選擇強度為10.9級、型號為M16的鍍鋅螺栓，分別與“先攻絲后鍍鋅”、“先鍍鋅后攻絲”、“不鍍鋅”等3種工藝生產(chǎn)的單螺母組合型式，在初始預緊力為75 kN(0.5 σs)、基礎試驗條件下進行測試，試驗結果如圖7所示。

圖7 螺母不同鍍鋅工藝對測試結果的影響Fig.7 Influence of nut’s galvanizing process on test results

由測試結果可以得出:對于“不鍍鋅”螺母的聯(lián)接型式，其防松效果最好;“先鍍鋅后攻絲”螺母的聯(lián)接型式，其防松性能要稍好于“先攻絲后鍍鋅”的型式。這與“螺母、螺栓之間的匹配公差有很大關系，對于2種不同鍍鋅工藝生產(chǎn)的螺母，在匹配公差方面的要求也不相同。

2.2.5 潤滑措施的影響

選擇強度為6.8級的M16螺栓與普通單螺母組合，在相同初始預緊力為72 kN條件下分別對采取潤滑和不采取潤滑2種方式進行測試，結果如圖8所示。

圖8 安裝過程中有無潤滑對防松性能的影響Fig.8 Influence of installation process with lubrication or not on locking performance

由圖8可知，在相同振動次數(shù)下，安裝有無潤滑對螺栓組件的防松性能沒有明顯的影響。在安裝有潤滑時，相同預緊力對應的安裝扭矩較小，不同個體之間扭矩系數(shù)的一致性較好，詳見圖9。

圖9 相同扭矩條件下有無潤滑對預緊力的影響Fig.9 Influence of lubrication on pre-tightening force under same torque condition

2.2.6 不同防松型式的性能測試

在生產(chǎn)實際中，輸電桿塔常用的防松型式有:普通雙螺母防松(包括等厚雙螺母和厚薄雙螺母組合等2種型式)、普通單螺母與開口防松螺母或與錐形扣緊螺母等雙螺母形式，還有在螺母與支撐面間加彈簧墊圈，或在螺母外加防松卡等型式，這些防松型式(防松卡除外)均是基于增加阻尼或者摩擦防松的原理。另外，選取2種在交通運輸領域應用較為廣泛的專用防松螺母(涂層防松螺母和施必牢自鎖防松螺母)進行對比測試。

由于現(xiàn)有專用防松螺母均為8級及以上，因此分別將上述防松型式與6.8級和10.9級的螺栓進行組合，在基礎試驗條件下進行性能測試和橫向?qū)Ρ?，測試結果見圖10、圖11。

根據(jù)不同防松型式的試驗情況可以得出:(1)專用防松螺母在與6.8級鍍鋅螺栓組合使用時，由于二者之間強度不匹配，無法體現(xiàn)出其應有的防松性能，只有在與其強度匹配的10.9級螺栓組合使用時方能體現(xiàn)出較好的防松性能;(2)普通雙螺母的防松型式在最佳安裝條件下［12］，具有較好的防松性能，這在與6.8級和10.9級的螺栓組合條件下均適用。

圖10 各種防松型式的性能對比(6.8級螺栓組合)Fig.10 Performances comparison of different lock types(with 6.8 class bolt)

圖11 各種防松型式的性能對比(10.9級螺栓組合)Fig.11 Performances comparison of different lock types(with 10.9 class bolt)

試驗證明:普通雙螺母防松型式在“上螺母安裝扭矩取下螺母安裝扭矩的50%”這一安裝條件下，防松性能最佳，如圖12所示，這一結論同樣適用于等厚雙螺母和厚薄雙螺母組合的型式。

圖12 2種安裝方式下的雙螺母防松性能測試Fig.12 Locking performance of joint bolts with double-nuts under two installing methods

3 聯(lián)接件防松性能提升措施

通過對輸電桿塔螺栓聯(lián)接件的防松性能測試可知:除了螺栓強度、尺寸以及生產(chǎn)工藝等對其防松性能有影響外，初始預緊力、安裝方法等與安裝有關的因素也會對其防松性能產(chǎn)生影響。除防松型式外，對其防松性能影響最大的就是初始預緊力。

根據(jù)上述試驗結論，針對桿塔聯(lián)接件的防松提出以下建議和意見:

(1)針對有抗舞防松性能需求的桿塔聯(lián)接件，在設計選型時可以考慮采取一定的防松型式，其中普通雙螺母組合的防松型式性價比最高，但前提是確保其安裝能夠符合“防松性能最佳”的使用條件。

(2)初始預緊力對桿塔聯(lián)接件的防松性能至關重要，只有初始預緊力在螺栓組件材料的(0.5～0.7)σs范圍內(nèi)取值時，防松效果最佳。經(jīng)過對鐵塔用螺栓緊固件的大量試驗研究，針對不同型號、強度等級的螺栓組件提出了緊固扭矩的標準值，具體見表1。

(3)為了確保聯(lián)接件的初始安裝扭矩和預緊力，建議在桿塔聯(lián)接施工中采取扭矩扳手，或者定長扳手來確保螺栓組件的安裝扭矩。通過對不同緊固件組件的預緊力和安裝扭矩測試，提出的安裝扭矩與對應的扳手長度推薦取值見表2。

表1 緊固件緊固扭矩標準值Tab.1 Standard value of tightening torque of fasteners

表2 不同扭矩范圍推薦力矩扳手Tab.2 Recommended torque wrench for different range of torque

(4)考慮到入網(wǎng)桿塔螺栓組件的生產(chǎn)實際，建議建立桿塔聯(lián)接的入網(wǎng)檢測技術條件，以規(guī)范桿塔聯(lián)接件的生產(chǎn)使用，消除不同廠家、不同批次產(chǎn)品之間的防松性能差異。

4 結論

(1)通過對鐵塔桿件及聯(lián)接件的承載特性分析發(fā)現(xiàn)緊固聯(lián)接件是輸電桿塔抗舞性能最薄弱的環(huán)節(jié)。

(2)初始預緊力是影響聯(lián)接件防松性能最關鍵的因素。

(3)雙螺母聯(lián)接在“正確安裝”時能夠具有較好的防松效果。

(4)根據(jù)試驗結果與輸電桿塔的施工經(jīng)驗，對桿塔聯(lián)接件的選型和施工方法提出了相應的提升措施和改進建議，供輸電桿塔抗舞性能改造參考。

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