1 000 k V特高壓架空線路直角掛板斷裂原因分析

呂亞東,馮硯廳,董國振,李文彬,李曉康

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

特高壓輸電線路在當(dāng)今電力系統(tǒng)發(fā)展中的作用極為關(guān)鍵,保障特高壓輸電線路的安全穩(wěn)定對推動電網(wǎng)整體穩(wěn)定及國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展意義重大。在架空輸電線路中,連接金具作為重要的組成部分,主要起到承受機(jī)械載荷以及連接作用,將絕緣子串、懸垂線夾、耐張線夾以及保護(hù)金具等連接組合成懸垂或耐張串組[1]。輸電線路運(yùn)行中容易出現(xiàn)金屬疲勞斷裂,會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,給電網(wǎng)的安全健康狀態(tài)以及電網(wǎng)用戶的供電可靠性保障造成嚴(yán)重的威脅[2]。直角掛板是一種可以改變連接方向的轉(zhuǎn)向連接金具。掛板一側(cè)由一根長桿螺栓與橫擔(dān)相連,另一側(cè)通常為槽型連接方式與絕緣子串相連,兩端的轉(zhuǎn)動軸相互垂直,具有變換靈活、延應(yīng)性強(qiáng)的特性[3-4]。直角掛板作為連接金具的一種,在架空線路中具有廣泛的應(yīng)用,對直角掛板疲勞斷裂失效分析成為電網(wǎng)運(yùn)維人員研究的重要課題。本文著重探討某在運(yùn)線路工程型號為ZS-1690的直角掛板斷裂原因,并提出合理化建議,以確保架空輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障概況

某架空輸電線路出現(xiàn)導(dǎo)線脫落故障,經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)是耐張串上的ZS-1690型直角掛板斷裂所致。之后在同一耐張段內(nèi)發(fā)現(xiàn)多起導(dǎo)線掉落故障,均為直角掛板斷裂失效引發(fā)。如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場提供的導(dǎo)線規(guī)格、檔距等進(jìn)行動張力計(jì)算,最大振動載荷為73.4 k N。

圖1 斷裂失效的直角掛板

2 原因分析

對斷裂的直角掛板進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、金屬化學(xué)成分分析、金相組織檢驗(yàn)、常溫及低溫拉伸試驗(yàn),并通過靜載有限元分析模擬等技術(shù)手段,以確定其斷裂原因。

2.1 宏觀檢驗(yàn)

對直角掛板ZS-1690斷口進(jìn)行宏觀觀察,其斷裂位置和斷口形貌如圖2所示。通過宏觀斷口形貌可以看出,斷口部位比較平整,無明顯塑性變形,無燒蝕痕跡,可判斷為脆性斷裂。斷口上可見明顯從內(nèi)而外拓展的貝殼紋,呈現(xiàn)典型的疲勞斷口形貌特征[5-6]。

圖2 宏觀斷口照片

觀察直角掛板側(cè)面,為圓頭加直身結(jié)構(gòu),頭部和身部由R15的圓弧肩部構(gòu)成。觀察發(fā)現(xiàn),所有的斷裂位置均為此圓弧肩部。從直角掛板的邊緣可以看出此部位為剪切加工和沖孔加工然后經(jīng)彎曲而成。疲勞啟裂位置全部為剪切和沖孔的出料側(cè),同時(shí)位于圓弧過渡面邊緣,該處承載時(shí)受拉伸應(yīng)力。在直角掛板承加載荷時(shí),由于額外彎曲應(yīng)力的存在,頭部內(nèi)側(cè)和肩部的外側(cè)受到較大的拉伸應(yīng)力,極易導(dǎo)致此位置發(fā)生開裂[7]。

與其他廠家生產(chǎn)的直角掛板對比發(fā)現(xiàn),斷裂的直角掛板廠家生產(chǎn)的直角掛板尺寸整體寬度為52 mm,開檔尺寸為22 mm,特高壓連接金具通用設(shè)計(jì)圖紙ZS-1690直角掛板寬度為60 mm,開檔尺寸為25 mm,如圖3所示?？梢钥闯?該直角掛板生產(chǎn)廠家制造的直角掛板尺寸較特高壓金具通用設(shè)計(jì)圖紙的要求明顯偏低。相比之下,尺寸較小的掛板,在使用同樣的螺栓連接時(shí),由于螺栓無螺紋部分較長,掛板可以在中間移動,易滑移至靠近螺紋部位,造成雙側(cè)的不平衡受力,導(dǎo)致局部受力增加。局部應(yīng)力較高,在同樣受力情況下更易發(fā)生疲勞破壞[8]。

圖3 金具設(shè)計(jì)圖紙(單位:mm)

2.2 金屬化學(xué)成分分析

對斷裂的掛板及庫存新掛板進(jìn)行取樣分析。斷裂直角掛板設(shè)計(jì)使用材質(zhì)為Q345R。使用ARL-8860直讀光譜儀對試樣進(jìn)行金屬化學(xué)成分分析,試驗(yàn)依據(jù)GB/T 14203—2016《鋼鐵及合金光電發(fā)射光譜分析法通則》進(jìn)行。

金屬化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1結(jié)果可以看出,結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》對Q345R的成分要求。

表1 金屬化學(xué)成分分析試驗(yàn)結(jié)果表 %

2.3 金相組織檢驗(yàn)

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》,采用型號為OLY MPUS-GX71的金相顯微鏡對斷裂試樣進(jìn)行顯微組織觀察,金相組織如圖4所示。

圖4 金相組織

對掛板中間沖孔邊緣進(jìn)行金相觀察,可見沖孔組織流線明顯,母材邊緣未見向內(nèi)裂紋,金相組織如圖5所示。

圖5 金相組織

對連接板剪切下料邊緣,進(jìn)行金相觀察,發(fā)現(xiàn)存在1處裂紋,長約0.6 mm,為下料形成,如圖6所示。其余部位未見明顯缺陷。由顯微組織圖像可以看出,斷裂試樣金相組織為鐵素體+珠光體,為正常金相組織,未見有夾雜、疊層、淬硬等不允許出現(xiàn)的組織形態(tài)。對連接板剪切下料邊緣做金相組織試驗(yàn),確認(rèn)1處裂紋存在。裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展受到溫度、過載以及應(yīng)力等多種因素的影響[9]。在實(shí)際生產(chǎn)活動中,連接金具除本身可能存在的裂紋缺陷以外,在應(yīng)力較高的表面也會隨著交變載荷的作用產(chǎn)生裂紋。裂紋的存在會加大疲勞斷裂的可能性。在架空線路交變應(yīng)力作用下運(yùn)行,裂紋會不斷發(fā)展、擴(kuò)大,直至金具斷裂[10]。

圖6 外邊緣金相組織

2.4 拉伸試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 2317.1—2008《電力金具試驗(yàn)方法 第1部分:機(jī)械試驗(yàn)》,對掛板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。均勻施加載荷至160 k N并保持60 s,未見金具破壞;施加載荷至192 k N并保持60 s,未見金具破壞,符合GB/T 2317.1—2008《電力金具試驗(yàn)方法》5.2 C款要求。取樣進(jìn)行低溫拉伸試驗(yàn),利用液氮降溫至-20℃,然后保持溫度拉伸至60 k N、80 k N、160 k N,均未發(fā)生邊緣開裂。

常溫和低溫拉伸試驗(yàn),試樣均保持了良好的力學(xué)性能,未發(fā)生斷裂破壞。低溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明直角掛板具有良好的低溫抗拉性能,在運(yùn)行溫度下不會發(fā)生低溫脆性斷裂。

在對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)中,通過觀察鍍鋅層開裂情況可判斷是否出現(xiàn)明顯的塑性變形。對一件試樣施加載荷至60 k N,發(fā)現(xiàn)肩處存在較為明顯的塑性變形。將兩件直角掛板組裝連接之后進(jìn)行拉伸試驗(yàn),載荷施加至80 k N,發(fā)現(xiàn)只有一件試樣存在兩處塑性變形,另一掛板鍍鋅層開裂不明顯。個(gè)別試樣存在一定的塑性變形情況,說明試樣個(gè)體之間的機(jī)械性能存在差異。

2.5 靜載荷有限元分析模擬

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元模擬軟件,可以模擬和解決許多相對簡單的線性分析和復(fù)雜的非線性領(lǐng)域的工程問題[11]。對52 mm尺寸和60 mm尺寸的直角掛板分別建立有限元分析模型,對直角掛板螺桿兩端固定約束。計(jì)算中直角掛板材料為Q345R,材料選用彈塑性模型,其彈性段參數(shù)見表2。塑性段通過加載40 k N、50 k N、60 k N、70 k N、80 k N、90 k N和100 k N靜載荷,使用工程應(yīng)力應(yīng)變曲線處理得到ABCD 4個(gè)等效位點(diǎn)的應(yīng)力及應(yīng)變曲線,如圖7所示。圖8與圖9分別為施加100 k N載荷時(shí)52 mm尺寸和60 mm尺寸的直角掛板應(yīng)力分布與塑性應(yīng)變分布云圖。

表2 材料參數(shù)

圖7 2種直角掛板加載過程應(yīng)力及應(yīng)變變化曲線

圖8 52 mm寬金具

圖9 60 mm寬金具

通過對比2種尺寸的直角掛板在靜載荷緩慢施加至100 k N時(shí)各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化曲線和等效塑性應(yīng)變變化曲線可以看出,52 mm金具受靜載拉力70 k N時(shí)開始發(fā)生塑性變形,60 mm金具受靜載拉力80 k N時(shí)開始發(fā)生塑性變形。這與疲勞初始時(shí)首先發(fā)生內(nèi)部滑移(外部表面表現(xiàn)為塑性變形)機(jī)理相符,即小尺寸的直角掛板更易發(fā)生疲勞破壞。由此說明,相同拉力下,52 mm寬金具塑性變形較大。輸電線路最大振動載荷為73.4 k N,達(dá)到了造成小尺寸直角掛板局部塑性變形的拉力水平。從圖8和圖9可以看到直角掛板受力時(shí)應(yīng)力集中的位置,與宏觀分析的結(jié)論相同,應(yīng)力集中在掛板圓弧肩部最為嚴(yán)重,此處也最容易產(chǎn)生疲勞破壞。

綜合以上分析可以得出,掛板材質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求,金相組織正常,且不存在低溫脆性斷裂的情況。掛板斷口具有疲勞斷裂特征,屬于低應(yīng)力疲勞破壞。圓弧肩部存在較大的彎曲應(yīng)力,尺寸偏小,造成局部應(yīng)力增高,是誘發(fā)斷裂的主要原因。部分掛板斷裂部位周圍存在裂紋,且個(gè)別試樣出現(xiàn)的塑性變形情況,說明掛板試樣的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)存在一定的問題,導(dǎo)致出現(xiàn)個(gè)體差異。因此,該直角掛板尺寸偏小、工程設(shè)計(jì)余量低,在肩部存在應(yīng)力集中,且出現(xiàn)有試驗(yàn)加工缺陷是導(dǎo)致此次低應(yīng)力疲勞破壞的內(nèi)在因素。

3 處理措施及效果

根據(jù)試驗(yàn)研究分析得出的結(jié)論,對該線路工程全部更換該廠生產(chǎn)的同批次小尺寸直角掛板,嚴(yán)格按照特高壓連接金具通用設(shè)計(jì)圖紙對ZS-1690直角掛板的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行生產(chǎn)加工。為充分保障在役設(shè)備的安全穩(wěn)定,安排到貨驗(yàn)收階段對金具進(jìn)行質(zhì)量抽檢,質(zhì)量控制條件限制為100 k N拉力拉伸試驗(yàn)不允許出現(xiàn)可測量的塑性變形以及在30倍體視顯微鏡下可觀察到的鍍鋅層開裂。經(jīng)過整改,該線路工程未出現(xiàn)因直角掛板斷裂造成的導(dǎo)線掉落故障,有效保障了輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本文通過對問題直角掛板進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分析,判定了導(dǎo)致其斷裂的直接原因,并對線路可能存在的安全隱患提出了整改措施及建議,有效保障了電網(wǎng)安全。在以后工作中,將進(jìn)一步研究可能誘發(fā)線路連接金具斷裂失效的風(fēng)險(xiǎn)隱患,避免出現(xiàn)連接金具失效引發(fā)的斷線故障,為保障電網(wǎng)安全提供有力的理論支撐。