500 kV 輸電線路耐張線夾鋼錨斷裂分析①

徐望圣， 孫志林， 謝 億， 陳亮平， 何朋非

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司貴陽(yáng)局，貴州 貴陽(yáng)550081； 2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007； 3.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004）

某500 kV 線路于2016 年底進(jìn)行線路改造，新安裝了一批地線耐張線夾。 2019 年2 月，型號(hào)為NY-100.1GY的耐張線夾（材質(zhì)為Q235A）在鋼錨部位發(fā)生了斷裂。地線耐張線夾是一種將地線固定在非直線桿塔的絕緣子上，對(duì)地線起錨固作用的電力金具。 在500 kV 輸電線路中，常用的耐張線夾為液壓型耐張線夾［1］，由鋁套管和鋼錨組成，安裝時(shí)將地線插入空心鋼錨中，通過(guò)專用液壓設(shè)備和模具對(duì)鋼錨進(jìn)行壓接，確保線夾和地線穩(wěn)固連接，施工時(shí)必須嚴(yán)格按照相關(guān)的壓接規(guī)程執(zhí)行安裝。 由于壓接、腐蝕等原因，導(dǎo)線脫落以致線夾損傷的案例時(shí)有發(fā)生［2-6］，但在鋼錨部位發(fā)生斷裂的案例較為罕見(jiàn)。 為了探討耐張線夾鋼錨發(fā)生斷裂的原因，本文從斷口形貌、化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織等方面進(jìn)行了分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

選用斷裂鋼錨和同批次未壓接新鋼錨（以下簡(jiǎn)稱對(duì)比試樣）作為試驗(yàn)材料，在FOUNDRY-MASTER Pro型牛津全譜立式直讀光譜儀上進(jìn)行成分分析。 在UTM5105 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。 采用JBN-300 型沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定室溫沖擊功。 采用HB-3000 布氏硬度計(jì)測(cè)定材料的布氏硬度。 在蔡司顯微鏡上觀察金相組織，利用JSM-6360LV 型掃描電鏡觀察斷口原始形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 宏觀檢查

斷裂鋼錨彎曲明顯，測(cè)量鋼錨實(shí)際變形尺寸為壓接管長(zhǎng)度的8.4%，遠(yuǎn)大于DL／T 5285—2013《輸變電工程架空導(dǎo)線及地線液壓壓接工藝規(guī)程》［7］中要求的2%。 斷口位于壓接區(qū)第一模位置，在同一橫截面上鋼錨壓接變形量差別較大，觀察6 個(gè)壓接面的壓痕深度，其中3 個(gè)壓接面壓痕較淺，3 個(gè)壓接面壓痕較深，最深處深度約3 mm，各壓接面變形形貌和斷口形貌如圖1所示。 從斷口形貌可見(jiàn)斷面上存在明顯黑色異物區(qū)，測(cè)量該異物區(qū)深度為5 mm，可判定該區(qū)域?yàn)槭紨鄥^(qū)；而帶有金屬光澤呈亮色的區(qū)域?yàn)榻K斷區(qū)，終斷區(qū)有明顯撕裂嶺，斷口無(wú)明顯塑性變形。

圖1 鋼錨斷面壓接形貌和斷口形貌

在正常壓接中，各壓接面的壓痕深度應(yīng)一致，而斷裂鋼錨各壓接面壓痕深度異常，檢查結(jié)果表明壓接工藝存在問(wèn)題。 斷口宏觀形貌顯示，鋼錨斷裂屬于典型的脆性斷裂。

2.2 成分分析

在斷裂鋼錨和對(duì)比試樣的拉環(huán)部位線切割取圓柱形樣品，將切割面在金相砂紙上磨平并用酒精清洗后進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，實(shí)測(cè)化學(xué)成分符合GB／T700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》［8］關(guān)于Q235A 的要求，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 鋼錨成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

2.3 力學(xué)性能分析

2.3.1 拉伸性能

在斷裂鋼錨和對(duì)比試樣上沿鋼錨縱向取樣，測(cè)量材料的室溫拉伸性能，斷裂鋼錨取壓接區(qū)樣品。 斷裂鋼錨和對(duì)比試樣的力學(xué)性能如表2 所示。 對(duì)比試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而斷裂鋼錨的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均發(fā)生了較大變化，材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高45%和41%，斷后伸長(zhǎng)率降低75%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)冷壓后材料強(qiáng)度得到了大幅提高，但塑性大幅降低。

表2 鋼錨力學(xué)性能結(jié)果

2.3.2 沖擊性能

在斷裂鋼錨和對(duì)比試樣上沿鋼錨縱向加工5 mm ×10 mm × 55 mm 的V 型缺口非標(biāo)準(zhǔn)試樣，測(cè)量材料的室溫沖擊性能，其中斷裂鋼錨取壓接區(qū)樣品。 GB／T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)Q235A 的沖擊性能未做要求［8］。 斷裂鋼錨和對(duì)比試樣的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。 從表2 結(jié)果可知，壓接后的鋼錨沖擊韌性降低了58%，為31.0 J。 結(jié)合壓接樣品斷后伸長(zhǎng)率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，相互驗(yàn)證了材料的韌性顯著降低。

2.3.3 硬 度

在斷裂鋼錨和對(duì)比試樣實(shí)心部位切取試樣，在鋼錨橫截面上測(cè)量樣品硬度。 GB／T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)于Q235A 的硬度未做要求，但DL／T 757—2009《耐張線夾》［9］要求鋼錨硬度不大于156HB。 硬度試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。 從表2 結(jié)果可知，壓接后的鋼錨硬度提升了72%，為210HB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。

由相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，鋼錨在壓接（冷變形）后，材料強(qiáng)度顯著提高，韌性顯著降低。 這是因?yàn)樵诮饘俚乃苄宰冃芜^(guò)程中，金屬的變形方式以滑移為主，其本質(zhì)是源源不斷的位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致位錯(cuò)增殖，位錯(cuò)密度增加，相互間的抗力隨之增加。 隨著變形抗力增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力變大，位錯(cuò)便越易在晶體中塞積，位錯(cuò)密度增加也就越快，這兩者相互作用便促使了材料強(qiáng)度的增加和塑性的降低。

2.4 金相顯微組織分析

在斷裂鋼錨斷口部位取樣，在對(duì)比試樣對(duì)應(yīng)位置取樣，觀察材料縱向金相組織，如圖2 所示。 材料金相組織為鐵素體＋珠光體，斷裂鋼錨組織形態(tài)和對(duì)比試樣相同，珠光體流線型分布，未發(fā)現(xiàn)異常組織。 按照GB／T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》［10］對(duì)斷裂鋼錨進(jìn)行夾雜物評(píng)定，評(píng)定為1.5 級(jí)的C 類（硅酸鹽類）夾雜，如圖2（c）所示。

2.5 斷口分析

2.5.1 原始斷口

原始斷口在酒精浸泡下用超聲波清洗后，在掃描電子顯微鏡下觀察，斷口微觀形貌與能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖3。 始斷區(qū)依然被異物覆蓋，始斷區(qū)斷口形貌無(wú)法觀察；始斷區(qū)和終斷區(qū)有明顯分界面，能譜分析表明，左側(cè)為鐵的氧化物，右側(cè)為純鐵。

圖3 斷口微觀形貌和能譜結(jié)果

用化學(xué)藥水清洗斷口表面，去除氧化皮后觀察斷口原始形貌，斷口表面未見(jiàn)明顯疲勞輝紋特征，如圖4所示。 斷口形貌特征表明，鋼錨斷裂不是疲勞導(dǎo)致。

圖4 化學(xué)清洗斷口后始斷區(qū)微觀形貌

能譜分析結(jié)果表明始斷區(qū)存在氧化物，該氧化物為斷口在空氣中暴露氧化所致，氧化物的存在表明始斷區(qū)在鋼錨完全斷裂前已開(kāi)裂較長(zhǎng)時(shí)間。 始斷區(qū)可能在材料成型或后續(xù)壓接等工序中產(chǎn)生，但鋼錨在成型完成后，為了增加材料的抗大氣腐蝕性能，增加了熱浸鍍鋅工藝，而在始斷區(qū)的能譜檢測(cè)中未發(fā)現(xiàn)鋅元素，說(shuō)明始斷區(qū)是在鋼錨鍍鋅之后產(chǎn)生的，即鋼錨的始斷區(qū)不是在鋼錨制造加工工程中產(chǎn)生的。

2.5.2 沖擊斷口

斷裂鋼錨和對(duì)比試樣的沖擊斷口微觀形貌見(jiàn)圖5。 斷裂鋼錨沖擊試樣斷口平齊，具有明顯解理特征，為典型脆性斷裂形式；對(duì)比試樣沖擊斷口有明顯韌窩和人字形山脊?fàn)罨y，呈韌性斷裂形式。 沖擊試驗(yàn)表明，壓接后的鋼錨失效形式以脆性斷裂為主。

圖5 沖擊試樣斷口微觀形貌

2.6 分 析

綜上所述，鋼錨壓接后彎曲明顯，并且第一模壓接部位鋼錨擠壓變形程度不均勻，形成了明顯的臺(tái)階，該臺(tái)階成為應(yīng)力集中部位。 應(yīng)力集中部位的始斷區(qū)原始形貌無(wú)明顯疲勞特征，斷裂鋼錨沖擊試驗(yàn)表明，鋼錨斷裂屬于脆性斷裂。 能譜分析結(jié)果表明，始斷區(qū)存在時(shí)間較長(zhǎng)，并且始斷區(qū)可能是安裝過(guò)程中產(chǎn)生。 鋼錨安裝時(shí)經(jīng)壓接工序后材料的強(qiáng)度大幅提高，韌性大幅降低，壓接后鋼錨抵御沖擊的能力進(jìn)一步降低，表明該鋼種不適合在需要承受沖擊載荷的環(huán)境中使用。 壓接工藝控制不當(dāng)、材料設(shè)計(jì)選型裕量偏低是鋼錨斷裂的主要原因。 在施工安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行壓接工藝，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中部位；材料選型時(shí)裕量適當(dāng)放大便可杜絕此類問(wèn)題的發(fā)生。

3 結(jié) 論

1） 壓接工藝控制不當(dāng)，在壓接第一模部位產(chǎn)生了臺(tái)階，造成應(yīng)力集中，該部位成為鋼錨最容易斷裂位置。

2） 結(jié)果表明，鋼錨斷裂的原因主要是壓接工藝控制不當(dāng)，在第一模部位產(chǎn)生了應(yīng)力集中；鋼錨壓接后加工硬化效應(yīng)明顯，相較壓接前鋼錨硬度提高了72%，為210HB，室溫沖擊韌性降低了58%，為31 J，致使鋼錨抵御沖擊載荷能力降低，最終在應(yīng)力集中部位斷裂。

3） 鋼錨材料Q235A 不適合在沖擊環(huán)境中服役。