某鋼芯鋁絞線預(yù)絞式接頭斷裂原因分析

王 煦,秦 凱

(1.上海電纜研究所有限公司,上海 200093； 2.上海國(guó)纜檢測(cè)中心有限公司， 上海 200093)

某110 kV輸電線路導(dǎo)線在預(yù)絞式接頭處發(fā)生斷裂，經(jīng)核實(shí)該線路投運(yùn)至今已安全運(yùn)行8 a(年)。線路位于丘陵地帶，前后無(wú)明顯遮擋物，所用導(dǎo)線型號(hào)規(guī)格為L(zhǎng)GJ-240/30，預(yù)絞式接頭型號(hào)規(guī)格為JL-240/30。斷線檔距為450 m，接頭位于檔距中部位置，斷裂后的絞線接頭如圖1所示。為找出絞線接頭斷裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，以期此類事故不再發(fā)生。

圖1 斷裂絞線接頭宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured conductor joint

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

對(duì)斷裂絞線接頭進(jìn)行逐層拆解，發(fā)現(xiàn)此次斷裂事故中，僅外絞絲和鍍鋅鋼線發(fā)生斷裂，所有內(nèi)絞絲均未發(fā)生滑移或破壞。拆解后的絞線接頭如圖2所示，可見(jiàn)該絞線由24根直徑為3.60 mm的硬鋁線(兩層：內(nèi)層9根，外層15根)和7根直徑為2.40 mm的鍍鋅鋼線同心絞合而成，絞線直徑為21.59 mm，絞線結(jié)構(gòu)如圖3 a)所示，符合GB/T 1179—2017《圓線同心絞架空導(dǎo)線》對(duì)絞線的結(jié)構(gòu)要求。

預(yù)絞式接頭根據(jù)結(jié)構(gòu)差異可分為兩種區(qū)域，如圖2中A區(qū)和B區(qū)所示。A區(qū)結(jié)構(gòu)如圖3 b)所示，即在絞線外層絞合11根直徑約為7 mm的鋁合金外絞絲。B區(qū)結(jié)構(gòu)如圖3 c)所示，為絞線接續(xù)區(qū)域，兩根鋼芯鋁絞線的鋁層均切割剝離，剝離長(zhǎng)度約為350 mm，僅剩鍍鋅鋼芯后，將鍍鋅鋼芯對(duì)接，如圖2所示。在鋼芯外層絞合一層直徑約為2.66 mm的鍍鋅鋼線預(yù)絞絲，鍍鋅鋼預(yù)絞絲根數(shù)為10根，然后在鍍鋅鋼預(yù)絞絲外層繼續(xù)絞合一層直徑約為4.52 mm的鋁合金內(nèi)絞絲，鋁合金內(nèi)絞絲的根數(shù)為10根。此時(shí)，兩根導(dǎo)線在鋼芯接續(xù)位置的直徑與原始導(dǎo)線直徑基本一致，為21.56 mm。鋼芯接續(xù)完成后，在接續(xù)位置外層統(tǒng)一絞合一層直徑為7 mm的鋁合金外絞絲，外絞絲長(zhǎng)度約為3 m。接續(xù)過(guò)程中所有預(yù)絞絲的中心位置均對(duì)準(zhǔn)鋼芯對(duì)接處。

圖2 斷裂絞線接頭拆解圖Fig.2 Diagram of the fractured conductor joint disassembly

圖3 絞線及接頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of conductor and joint:a) structure of conductor; b) structure of joint in zone A; c) structure of joint in zone B

拆解接頭時(shí)發(fā)現(xiàn)，接頭結(jié)構(gòu)中存在兩處空腔，如圖2所示，空腔1為鋼芯對(duì)接位置，即接頭的中心位置，兩根鋼芯并未緊密對(duì)接，形成一個(gè)長(zhǎng)約10 mm，直徑為7.2 mm(鋼芯外徑)的空腔，如圖4 a)所示，其結(jié)構(gòu)如圖4 b)所示?？涨?為內(nèi)絞絲末端，內(nèi)絞絲與鋁線層未緊密對(duì)接，形成一個(gè)長(zhǎng)約15 mm，厚度約14.4 mm(導(dǎo)線鋁層厚度)的環(huán)形空腔，如圖5 a)所示，其結(jié)構(gòu)如圖5 b)所示。觀察發(fā)現(xiàn)絞線接頭斷裂位置正好處于A區(qū)與B區(qū)分界處，即內(nèi)絞絲末端。通過(guò)計(jì)算內(nèi)絞絲與外絞絲長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)此處同樣具有一個(gè)與空腔2長(zhǎng)度基本一致的環(huán)形空腔。切割同批次其他尚未完全斷裂接頭的內(nèi)絞絲末端，同樣發(fā)現(xiàn)環(huán)形空腔，可見(jiàn)對(duì)于該批次預(yù)絞式接頭，這種環(huán)形空腔是廣泛存在的。

根據(jù)上述觀察和測(cè)量結(jié)果，繪制絞線接頭縱向結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示?？梢?jiàn)預(yù)絞式接頭總長(zhǎng)度為3 m(即外絞絲長(zhǎng)度)，鋼芯接續(xù)長(zhǎng)度為0.67 m(即內(nèi)絞絲長(zhǎng)度)，在鋼芯對(duì)接位置和內(nèi)絞絲末端與導(dǎo)線之間，分別形成了3個(gè)環(huán)形空腔，如圖6中H，H′和G位置所示，而本次接頭斷裂正好處于H位置。

圖4 空腔1宏觀形貌和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The a) macro morphology and b) structure diagram of cavity 1

圖5 空腔2宏觀形貌和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The a) macro morphology and b) structure diagram of cavity 2

圖6 絞線接頭縱向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagram of longitudinal structure of the conductor joint

1.2 斷口分析

1.2.1 斷口宏觀形貌

觀察圖1所示接頭斷口兩端，發(fā)現(xiàn)B段鋁合金外絞絲斷口表面已被泥土嚴(yán)重污染，無(wú)法判別其斷裂類型。斷口另一端即圖1中A段，保存較為完好，鋁合金外絞絲斷口呈明顯疲勞斷裂特征[1]，如圖7 a)所示。鍍鋅鋼線則呈現(xiàn)明顯拉伸斷裂特征，如圖7 b)所示。所有鋁線端部均呈現(xiàn)鋸斷痕跡，與鍍鋅鋼線相鄰的鋁線端部則呈現(xiàn)明顯燒蝕痕跡，如圖7 b)所示。

圖7 斷口宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of fracture:a) macro morphology of the outer strands;b) macro morphology of the steel core and aluminum wires

圖8所示裂紋位于一尚未完全斷裂接頭的環(huán)形空腔位置外絞絲表面，在該位置發(fā)現(xiàn)多根鋁合金外絞絲表面有裂紋，且裂紋兩端鋁合金線有明顯彎曲現(xiàn)象。

圖8 鋁合金外絞絲表面裂紋宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of surface crack on the aluminum alloy outer strands

1.2.2 鋁合金外絞絲斷口微觀形貌

1.2.2.1 疲勞源區(qū)

圖9 a)所示為鋁合金外絞絲表面裂紋形貌，可見(jiàn)在鋁合金外絞絲表面，裂紋沿徑向深入材料內(nèi)部，其走向蜿蜒曲折，表明在導(dǎo)線運(yùn)行過(guò)程中鋁合金外絞絲所受應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變[2]。但總體而言都沿徑向向材料內(nèi)部擴(kuò)展，表明鋁合金外絞絲所受載荷均為軸向的彎曲應(yīng)力。圖9 a)的標(biāo)示位置為典型的裂紋起源區(qū)域，該區(qū)域微觀形貌如圖9 b)所示，可見(jiàn)鋁合金外絞絲表面裂紋在反復(fù)彎曲應(yīng)力作用下，連續(xù)開(kāi)合擴(kuò)展，形成近似45°的臺(tái)階[3]，向材料內(nèi)部縱深發(fā)展。

圖9 鋁合金外絞絲表面裂紋微觀形貌Fig.9 Micromorphology of surface crack ofaluminum alloy outer strands

1.2.2.2 裂紋擴(kuò)展區(qū)

圖10所示為鋁合金外絞絲斷口內(nèi)部裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌，可見(jiàn)裂紋擴(kuò)展區(qū)分布大量相互平行的疲勞條帶，疲勞條帶的擴(kuò)展方向與裂紋擴(kuò)展方向一致[1]。

圖10 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌Fig.10 Micro morphology of crack propagation zone

1.2.2.3 瞬時(shí)破斷區(qū)

鋁合金線外絞絲斷口瞬時(shí)破斷區(qū)分布有大量拉伸韌窩。當(dāng)鋁合金外絞絲中裂紋擴(kuò)展達(dá)到一定規(guī)模后，剩余截面難以承擔(dān)所受張力，鋁合金外絞絲發(fā)生瞬時(shí)斷裂，斷口呈現(xiàn)典型拉伸斷裂特征。

1.2.3 鍍鋅鋼線斷口形貌

2012年11月，易觀國(guó)際董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官于揚(yáng)最先提出“互聯(lián)網(wǎng)+”的理念，他認(rèn)為“互聯(lián)網(wǎng)+”公式應(yīng)該是我們所在的行業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)，在與我們未來(lái)看到的多屏全網(wǎng)跨平臺(tái)用戶場(chǎng)景結(jié)合之后產(chǎn)生的這樣一種化學(xué)公式〔4〕。企業(yè)則需要思考如何找到所在行業(yè)的“互聯(lián)網(wǎng)+”。之后在2015年“兩會(huì)”上，馬化騰向人大提出“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，提案中明確提出：“互聯(lián)網(wǎng)+”是以互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，利用信息通信技術(shù)與包括傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各行業(yè)進(jìn)行跨界融合，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，并不斷創(chuàng)造出新產(chǎn)品、新業(yè)務(wù)與新模式，構(gòu)建連接一切的新生態(tài)〔5〕。

圖11 所示為鍍鋅鋼線斷口微觀形貌，可見(jiàn)鋼線斷口呈清晰的應(yīng)力錐特征，表明鋼線斷裂方式為典型的拉伸斷裂[4]；圖11 b)可見(jiàn)應(yīng)力錐內(nèi)凝結(jié)堆積大量鋅層，表明鋼線斷裂前承受的溫度至少已達(dá)到鋅層熔化溫度。

圖11 鍍鋅鋼線斷口微觀形貌Fig.11 Micro morphology of fracture of galvanized steel wire:a) at low multiple; b) at high multiple

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

此次預(yù)絞式接頭斷裂事故中，僅鋁合金外絞絲和鍍鋅鋼線發(fā)生了斷裂，接頭其余構(gòu)件未發(fā)生任何損傷，因此對(duì)絞線綜合拉斷力、鍍鋅鋼線和鋁合金外絞絲的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，考察服役后各自的力學(xué)性能變化情況。

1.3.1 絞線綜合拉斷力

隨機(jī)截取一段長(zhǎng)度為10 m的服役后舊絞線，對(duì)其端部澆鑄環(huán)氧樹脂后進(jìn)行拉斷力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為77.73 kN，導(dǎo)線實(shí)測(cè)拉斷力符合GB/T 1179—2017中的技術(shù)要求(≥75.19 kN)。

1.3.2 鍍鋅鋼線直徑和抗拉強(qiáng)度

拆解一段隨機(jī)截取的服役后舊絞線，測(cè)量鍍鋅鋼線的直徑和抗拉強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果表明，服役后舊絞線的鋼芯單線直徑均在(2.40±0.04) mm，符合GB/T 1179—2017對(duì)鋼芯鋁絞線直徑的要求；其抗拉強(qiáng)度平均值為1 584 MPa，符合GB/T 3428—2012 《架空絞線用鍍鋅鋼線》的技術(shù)要求。

1.3.3 鋁合金外絞絲破壞載荷

所有預(yù)絞絲內(nèi)表面緊密附著金剛砂，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量其直徑，故僅對(duì)外絞絲進(jìn)行拉斷力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，11根鋁合金外絞絲的平均拉斷力為12.77 kN，按照平均直徑7 mm計(jì)算抗拉強(qiáng)度為491 MPa，遠(yuǎn)高于DL/T 763—2013 《架空線路用預(yù)絞式金具技術(shù)條件》中對(duì)于鋁合金材料的要求。在正常情況下其總拉斷力可達(dá)140.5 kN，遠(yuǎn)高于鋼芯鋁絞線的額定拉斷力。

2 分析與討論

2.1 外絞絲斷裂機(jī)理分析

此次導(dǎo)線與接頭系統(tǒng)斷裂事故中的外絞絲，在正常拉伸情況下，需要至少140.5 kN以上拉力方可斷裂(尚不計(jì)算鋼芯強(qiáng)度)，此時(shí)必然導(dǎo)線首先發(fā)生斷裂。而此次導(dǎo)線和接頭系統(tǒng)的斷裂位置并非導(dǎo)線本體，斷裂位置處于預(yù)絞式接頭環(huán)形空腔處，導(dǎo)線其他位置完好無(wú)損。這表明導(dǎo)線和接頭系統(tǒng)斷裂時(shí)負(fù)荷遠(yuǎn)低于導(dǎo)線額定拉斷力，符合疲勞斷裂的低應(yīng)力斷裂特征[5]。

導(dǎo)線在運(yùn)行過(guò)程中，垂直導(dǎo)線方向的風(fēng)會(huì)使導(dǎo)線持續(xù)處于微風(fēng)振動(dòng)狀態(tài)[6]，頻率可達(dá)10～50 Hz。振動(dòng)過(guò)程中，接頭的空腔位置兩端，鋁合金外絞絲因其下部有剛性支撐物，與下部導(dǎo)線或內(nèi)絞絲一起上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。而空腔位置相對(duì)于其他位置剛性較差，內(nèi)絞絲末端位置的空腔尤甚，此處空腔長(zhǎng)度大，環(huán)形間隙厚度大，該部位實(shí)質(zhì)上形成一段間隙型導(dǎo)線，產(chǎn)生自阻尼作用。外絞絲吸收線路振動(dòng)能量，始終處于反復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在空腔位置的外絞絲形成大量疲勞裂紋。

2.2 鋼芯斷裂機(jī)理分析

外絞絲全部斷裂后，在空腔位置，兩根導(dǎo)線之間僅剩鋼芯連接，鋼芯承擔(dān)線路全部張力和電流，此時(shí)該位置電阻驟然增大44倍以上(查閱GB/T 1179—2017得知)。接頭位置電阻驟增，必然導(dǎo)致該位置溫度異常升高。

圖7 b)可見(jiàn)部分鋁線端頭出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，查閱相關(guān)手冊(cè)可知，鋅的熔點(diǎn)約為419.53 ℃，鋁的熔點(diǎn)約為660 ℃[7]。這表明鋼芯斷裂前所受溫度可能高于660 ℃，該溫度已達(dá)到鋼的再結(jié)晶退火溫度[8]，此時(shí)鋼線的強(qiáng)度顯著降低[9]，在軸向拉伸載荷下過(guò)載斷裂。

圖12所示為線路運(yùn)維單位提供的某仍在運(yùn)行線路的接頭位置溫度監(jiān)測(cè)情況?？梢?jiàn)導(dǎo)線表面溫度為25.9 ℃時(shí)，接頭表面的溫度可達(dá)67.0 ℃。根據(jù)GB/T 2314—2008 《電力金具通用技術(shù)要求》，非壓縮型線路金具的電阻應(yīng)不大于與其等長(zhǎng)的導(dǎo)線電阻的1.1倍，正常運(yùn)行過(guò)程中，其表面溫度應(yīng)低于導(dǎo)線溫度。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，該在役接頭的表面溫度已顯著高于導(dǎo)線溫度，這表明該預(yù)絞式接頭已發(fā)生損傷，接頭位置電阻已異常升高，針對(duì)此類接頭，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，避免導(dǎo)線斷裂帶來(lái)更大損失。

圖12 接頭位置溫度監(jiān)測(cè)圖Fig.12 Temperature monitoring diagram of a joint position

大量文獻(xiàn)表明，高溫條件下，鋼芯的抗拉強(qiáng)度顯著降低[10-11]，當(dāng)鋼芯強(qiáng)度降低至不足以承受線路張力時(shí)，接頭空腔位置鋼芯拉伸斷裂。

3 結(jié)論及建議

該預(yù)絞式接頭斷裂位置處于外絞絲與絞線鋼芯之間形成的環(huán)形空腔處，線路運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)形空腔位置外絞絲吸收導(dǎo)線振動(dòng)能量，長(zhǎng)期振動(dòng)后發(fā)生了疲勞斷裂。外絞絲斷裂后，接頭位置電阻驟增，溫度異常升高，使得鋼芯強(qiáng)度顯著降低，最終導(dǎo)致接頭拉伸斷裂。

建議在制作導(dǎo)線預(yù)絞式接頭時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行接續(xù)工藝，盡量不在接頭位置形成過(guò)大的環(huán)形空腔，以期避免此類事故的再次發(fā)生。