顯微結(jié)構(gòu)對瓷絕緣子鋼腳力學(xué)性能及運行可靠性的影響

王萬里， 繆春輝， 王若民, 陳國宏, 李堅林, 湯文明

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥230009； 2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601； 3.國網(wǎng)安徽省電力有限公司，合肥230022)

0 引言

2018年1月，安徽全省遭遇大范圍雨雪冰凍災(zāi)害天氣，皖南地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)凍雨、低溫和大風(fēng)氣象，導(dǎo)致多起絕緣子掉串、掉線等輸電事故的發(fā)生。盤形懸式瓷絕緣子鋼腳球頭部位的疲勞斷裂是造成上述輸電事故的主要原因之一[1]。盤形懸式絕緣子由鐵帽、鋼腳和瓷件組成，金具和絕緣件之間用水泥膠合，在高壓架空輸配電線路中起到電氣絕緣和機(jī)械支撐作用[2]。其中，鋼腳是重要的連接與承載件。同時，受到風(fēng)力作用，絕緣子串在導(dǎo)線帶動下產(chǎn)生橫向擺動，因此鋼腳球頭部位常會承受交變應(yīng)力作用。

研究表明，絕緣子鋼腳的冶金質(zhì)量、鍛造工藝及熱處理工藝對其力學(xué)性能影響很大。徐旋旋等[3]對強(qiáng)度等級為530 MPa的絕緣子鋼腳拉伸破壞負(fù)荷不合格的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋼腳在鍛造時球頭與桿部交界處產(chǎn)生了折疊缺陷，導(dǎo)致鋼腳斷裂。趙輝等[4]分析了φ32 mm高壓輸電鋼腳疲勞性能不合格的原因。結(jié)果表明，鋼腳在調(diào)質(zhì)處理過程中存在網(wǎng)狀鐵素體和塊狀鐵素體，降低了鋼腳的疲勞強(qiáng)度。數(shù)值仿真方法的發(fā)展使得對服役條件下鋼腳的力學(xué)環(huán)境分析研究更為便利，獲得一些有益的結(jié)論。劉國特等[5]對絕緣子進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力仿真研究，發(fā)現(xiàn)鋼腳外露部分在運行過程中所承受的機(jī)械應(yīng)力較大。徐偲達(dá)[6]采用ANSYS軟件對拉伸破壞負(fù)荷為160 kN的鋼腳進(jìn)行靜力學(xué)分析。結(jié)果表明，在鋼腳桿部靠近球頭部位應(yīng)力最大，若對鋼腳進(jìn)行破壞負(fù)荷試驗，鋼腳會沿應(yīng)力集中處發(fā)生斷裂。值得一提的是，上述研究對鋼腳施加的載荷均未根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出的安全系數(shù)進(jìn)行換算，且其數(shù)值模擬結(jié)果中也并未給出應(yīng)力集中處的應(yīng)力大小。

目前，國內(nèi)市場上瓷絕緣子鋼腳質(zhì)量參差不齊，存在顯微組織結(jié)構(gòu)異常，力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)等質(zhì)量問題，一旦應(yīng)用于高壓輸變電線路，在極端天氣條件下，無疑會存在嚴(yán)重的輸電安全隱患，甚至?xí)?dǎo)致掉線、掉串等事故的發(fā)生。筆者從絕緣子鋼腳顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能關(guān)系研究入手，結(jié)合有限元數(shù)值模擬，探討在內(nèi)在質(zhì)量(由冶金質(zhì)量、熱處理工藝決定)及外在因素(導(dǎo)線覆冰、舞動)共同影響下的瓷絕緣子鋼腳的運行狀態(tài)，為瓷絕緣子鋼腳的制造、質(zhì)量管理及高壓輸變電線路運行管理提供借鑒。

1 理化檢驗

1.1 成分檢測

隨機(jī)挑選國內(nèi)規(guī)模較大，較有代表性的A、B兩家電瓷生產(chǎn)廠家采用的強(qiáng)度等級為300 kN(編號為：A1、B1)及強(qiáng)度等級為160 kN和70 kN(編號為：A2、B2)4種鋼腳產(chǎn)品，采用Niton XL3t980型光譜分析儀，測量鋼腳的成分，對照J(rèn)B/T 9677-1999[7]，確定鋼腳的牌號(見表1)。結(jié)果表明，所測鋼腳材質(zhì)均為中碳鋼或中碳低合金鋼，符合瓷絕緣子鋼腳選材要求。

表1 鋼腳試樣的成分與牌號Table 1 Compositions and grades of the steel pins

1.2 夾雜物評級

將4種鋼腳在球頭部位沿軸向取樣，研磨、拋光后，在MR-3000型金相顯微鏡下觀察其中夾雜物的分布特征，見圖1。根據(jù)GB/T 10561-2005[8]，采用A法，即選擇與所檢驗面上最惡劣視場相符合的標(biāo)準(zhǔn)圖片的級別，進(jìn)行硫化物、球狀氧化物的評級，評級結(jié)果列于表2中。鋼腳A1、A2、B1冶金質(zhì)量較差，鋼腳B2冶金質(zhì)量較好。

圖1 4種鋼腳的非金屬夾雜物分布Fig.1 Optical images showing the distributions of the nonmetallic inclusions in the steel pins

表2 4種鋼腳的非金屬夾雜物評級Table 2 Grades of the nonmetallic inclusions in the steel pins

1.3 顯微組織結(jié)構(gòu)

將4種鋼腳在球頭部位沿軸向取樣，研磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕。采用MR-3000型金相顯微鏡及JSM-6490型掃描電鏡(SEM)觀察其顯微組織特征，Oxford INCA能譜儀(EDS)測試微區(qū)成分。

由圖2(a)可見，鋼腳A1內(nèi)含鐵素體及珠光體兩種組織。其中，鐵素體沿原奧氏體晶界分布，在珠光體區(qū)域內(nèi)可見片狀珠光體團(tuán)結(jié)構(gòu)見(圖2(a)上箭頭1所示)，但不明顯。由圖2(b)的SEM圖像上可見，該鋼主體的組織形態(tài)為回火索氏體，且粒狀滲碳體顆粒尺寸十分細(xì)小(見圖2(b)上箭頭2所示)。圖2(b)上箭頭3所示為圖2(a)上的片狀珠光體團(tuán)區(qū)域，但該區(qū)域內(nèi)的滲碳體片并不連續(xù)。也就是說，該組織形態(tài)應(yīng)為該中碳低合金鋼奧氏體化加熱過程中，碳化物溶解不完全后殘留的組織。在珠光體區(qū)內(nèi)部分布著塊狀鐵素體(見圖2(b)上箭頭4所示)?？梢哉J(rèn)為，鋼腳A1經(jīng)鍛造后空冷，形成了細(xì)的片狀珠光體正火組織，再采用不完全奧氏體化加熱，鋼中原來的鐵素體和片狀珠光體中的滲碳體都未完全溶入奧氏體中，最終經(jīng)淬火加高溫回火處理(調(diào)質(zhì)處理)，回火組織中仍保留相當(dāng)多的殘余鐵素體片和滲碳體顆粒。根據(jù)GB/T 13320-2007[9]，鋼腳A1的調(diào)質(zhì)組織評級為5級。此外，在圖2(b)中箭頭5所示的夾雜物，經(jīng)EDS測試，含10～20 wt，% S，為鋼中的硫化物夾雜。

圖2 4種鋼腳的顯微組織結(jié)構(gòu) Fig.2 Optical images an SEM images of the steel pins

鋼腳A2的顯微組織為鐵素體和片狀珠光體，片狀珠光體團(tuán)非常細(xì)小，應(yīng)為鋼腳模鍛成形后空冷形成的正火態(tài)組織，無后續(xù)熱處理(見圖2(c), 圖2(d))。該鋼腳試樣中的珠光體團(tuán)分布呈明顯的帶狀組織特征，這是因為亞共析鋼在熱鍛(軋)等大變形量高溫塑性變形時，變形溫度處于鐵素體+奧氏體兩相區(qū)內(nèi)，鐵素體沿軋制方向呈帶狀分布，將奧氏體分割成帶狀，奧氏體冷卻時轉(zhuǎn)變?yōu)閹钪楣怏w，根據(jù)GB/T 13299-1991[10]，鋼腳A2中的帶狀組織評級為2級。

鋼腳B1的顯微組織特征與鋼腳A1的基本相同，鐵素體沿原奧氏體晶界分布，在原奧氏體晶內(nèi)為珠光體區(qū)(見圖2(e))。結(jié)合圖2(f)的SEM圖像，可以確定該鋼腳主要組織組成為回火索氏體(見圖2(f)中箭頭6)+游離鐵素體(圖2(f)中箭頭7)+珠光體(圖2(f)中箭頭8)。該鋼腳經(jīng)鍛造后空冷，形成極細(xì)的片狀珠光體，隨后的不完全奧氏體化加熱導(dǎo)致鋼中原來的鐵素體和滲碳體都未完全溶入奧氏體中，最終經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后組織中仍保留相當(dāng)多的鐵素體和顆粒狀殘余滲碳體。根據(jù)GB/T 13320-2007[9]，鋼腳試樣B1的調(diào)質(zhì)組織評級為5級。此外，在圖2(f)中還檢測到條狀分布的硫化物夾雜，對該鋼腳的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響(見圖2(f)中箭頭9所示)。

鋼腳B2的顯微組織為鐵素體+珠光體，鐵素體沿原奧氏體晶界分布，奧氏體晶粒尺寸大小較均勻，但也存在個別過大的奧氏體晶粒，晶粒尺寸大于80 μm，可能發(fā)生了個別奧氏體晶粒的異常長大(見圖2(g)中箭頭10所示)。珠光體區(qū)中滲碳體片極其細(xì)小，在珠光體團(tuán)內(nèi)部及界面處有長條形的鐵素體，部分鐵素體幾乎連續(xù)分布(見圖2(h))。根據(jù)GB/T 13320-2007[9]，鋼腳B2的正火組織評級為5級。

1.4 力學(xué)性能

根據(jù)GB/T 228.1-2010[11]，沿鋼腳軸向線切割制備矩形截面非比例試樣，表面打磨后，在AG-X PLUS型微機(jī)控制電子萬能材料實驗機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測試，拉伸速率為2 mm/min[12]；采用HBV-30A型布(維)硬度計測試鋼腳樣品的布氏硬度，載荷294 N。根據(jù)GB/T 229-2007[13]，在NI300C型儀器化金屬擺錘沖擊試驗機(jī)上測量4種鋼腳的沖擊韌性，采用55 mm×10 mm×10 mm的標(biāo)準(zhǔn)矩形試樣，拉制V型缺口。上述所有的力學(xué)性能測試，每種鋼腳樣品至少測量3次，取平均值，結(jié)果見表3及圖3。

圖3 4種鋼腳樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of four types of the steel pin samples

表3 4種鋼腳的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of four types of the steel pin samples

從表3和圖3可以看出，調(diào)質(zhì)態(tài)鋼腳A1、B1的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度分別高于正火態(tài)鋼腳A2、B2，而其延伸率及沖擊韌性則要小于后者。GB/T 3077-2015[14]和GB/T 699-2015[15]推薦的4種鋼腳對應(yīng)鋼材的熱處理規(guī)范及其力學(xué)性能見表4。將表3的4種鋼腳的力學(xué)性能測試值與表4的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，鋼腳A1的硬度偏高，強(qiáng)度卻未達(dá)標(biāo)；鋼腳B1強(qiáng)度、硬度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但塑性未達(dá)標(biāo)；鋼腳A2、B2的力學(xué)性能均達(dá)到國標(biāo)的要求。而對比正常熱處理狀態(tài)下，采用夏比“V”型缺口的45Mn2、40鋼、45鋼(調(diào)質(zhì)態(tài))和45鋼(正火態(tài))的沖擊韌性依次為94 J/cm2、65 J/cm2、77 J/cm2、26 J/cm2[16-19]，發(fā)現(xiàn)只有鋼腳B2的沖擊韌性是比較合理的，其余3種鋼腳的沖擊韌性大幅偏低。

表4 國標(biāo)中4種鋼腳用金屬材料的力學(xué)性能要求(最小值)Table 4 Mechanical properties of four types of the steel pins, according to the China national standards(minimum value)

1.5 斷口分析

A1、A2和B1、B2 4種鋼腳試樣的拉伸斷口形貌見圖4(a)-圖4(d)。鋼腳A1形成杯錐狀斷口，主體呈細(xì)的韌窩聚集型斷口特征，對應(yīng)于該鋼腳中的回火索氏體區(qū)。同時，圖4(a)中箭頭1所示為鋼腳中鐵素體的準(zhǔn)解理斷口，斷面平整，塑性變形量小，有輕微撕裂。鋼腳A2的顯微組織為鐵素體+細(xì)小的珠光體。在其斷口上，鐵素體斷裂面平整，晶界處有輕微的撕裂痕跡，細(xì)小珠光體區(qū)斷面呈典型韌窩聚集型斷口特征。圖4(b)中箭頭2所指為直徑約為50 μm的非金屬夾雜物，EDS測試表明，其主要成分為Al2O3。鋼腳B1主體呈韌窩聚集性斷口特征，斷面上有被拉斷的長條形的硫化物夾雜，見圖4(c)上箭頭3。鋼腳B2的顯微組織組織結(jié)構(gòu)與鋼腳試樣A2的基本相同，因而其斷口形貌也與A2的基本相同，但在斷面上未觀察到夾雜物顆粒(見圖4(d))。圖4(d)中箭頭4所指為細(xì)小珠光體區(qū)的斷口，韌窩密度大，尺寸小，塑性變形量較小。

圖4 4種鋼腳試樣的拉伸斷口形貌；；Fig.4 SEM images showing the tensile fracture surfaces of four types of the steel pin samples

2 有限元模擬

2.1 靜力學(xué)分析

根據(jù)4種鋼腳在JB/T 9677-1999[7]中對應(yīng)型號的尺寸數(shù)據(jù)，通過UG軟件建模并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中。約束及加載方式見圖5，在箭頭1處施加固定約束，箭頭2處施加均布載荷(F)。根據(jù)GB 50545-2010[20]，選擇安全系數(shù)n=2.5，即載荷大小為國標(biāo)規(guī)定破壞載荷的40%。

圖5 鋼腳的約束及加載方式Fig.5 Restraint and loading method of steel pins

經(jīng)過劃分網(wǎng)格、定義載荷和約束后，進(jìn)行求解，得到絕緣子鋼腳等效應(yīng)力云圖(見圖6)，可以看出，4種鋼腳在球頭頸部均存在最大的應(yīng)力集中，其應(yīng)力值分別為519 MPa、376 MPa、519 MPa、268 MPa。對照表3的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)此時的鋼腳A1、B1球頭頸部的最大應(yīng)力已超過對應(yīng)鋼材的Rp0.2，鋼腳A2球頭頸部的最大應(yīng)力也已接近對應(yīng)鋼材的Rp0.2，只有鋼腳B2球頭頸部的最大應(yīng)力尚不及對應(yīng)鋼材的Rp0.2。

圖6 4種鋼腳的等效應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent stress contours of four types of steel pins

2.2 疲勞壽命計算

將2.1節(jié)的靜力學(xué)分析結(jié)果導(dǎo)入到nCode Design Life軟件中，對鋼腳進(jìn)行恒定幅值的疲勞分析計算。根據(jù)輸電線路導(dǎo)線覆冰舞動的特點，選擇應(yīng)力比(循環(huán)加載時的最小荷載與最大載荷之比)R=0.1。設(shè)置完畢后進(jìn)行求解，得到鋼腳的疲勞壽命云圖(見圖7)。結(jié)果表明，4種鋼腳的疲勞壽命最小值均存在于鋼腳的球頭頸部，分別為3.5×104、6.0×104、3.5×104、6.2×107次，可見，只有鋼腳B2達(dá)到了鋼腳疲勞性能不低于3 000萬次的要求[4]，鋼腳A1、A2、B1的疲勞壽命僅及該要求的10-3，疲勞壽命大大降低。對照本文第1部分的實驗結(jié)果，鋼腳的疲勞壽命取決于其力學(xué)性能，由其冶金質(zhì)量及熱處理規(guī)范所決定。研究表明，當(dāng)風(fēng)速為0.5 m/s～10 m/s時，導(dǎo)線最易產(chǎn)生振動，此時振動頻率為3 Hz～62 Hz，并具有較大的振幅和較長的持續(xù)時間，因此最為危險。據(jù)此，按振動頻率3 Hz保守估算，鋼腳A1及B1的球頭頸部經(jīng)受舞動的疲勞壽命只有3.2 h。因此，在持續(xù)的導(dǎo)線覆冰、舞動狀態(tài)下，鋼腳球頭部位負(fù)載加大，應(yīng)力集中大幅增加，導(dǎo)致其疲勞壽命大幅縮短，直至斷裂，導(dǎo)致絕緣子掉串、掉線事故的發(fā)生[21-24]。

圖7 4種鋼腳的疲勞壽命云圖Fig.7 Fatigue life contours of four types of steel pin

3 結(jié)論

本研究對國內(nèi)生產(chǎn)的4種絕緣子鋼腳產(chǎn)品進(jìn)行了成分、顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的測試，并對其進(jìn)行了靜力學(xué)分析及疲勞壽命計算分析。得到如下結(jié)論：

1) 4種鋼腳中硫化物、球狀氧化物等夾雜物沿軸向分布，其中鋼腳B1硫化物等級達(dá)到2.5級，使鋼腳的沖擊韌性大幅降低。4種鋼腳的顯微組織結(jié)構(gòu)不合理，均存在粗大較粗大的鐵素體晶區(qū)；此外，鋼腳A2中存在明顯的帶狀組織，沿軸向分布，也會對鋼腳的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

2) 因冶金質(zhì)量不佳，熱處理工藝不規(guī)范，鋼腳A1、A2、B1的力學(xué)性能較低，尤其是其塑性及韌性達(dá)不到國標(biāo)的要求，為惡劣天氣條件下鋼腳的斷裂失效埋下隱患。

3) 有限元模擬計算表明，4種鋼腳的球頭頸部均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中鋼腳A1、A2、B1球頭頸部的應(yīng)力接近甚至已超過其材料的Rp0.2，鋼腳的疲勞壽命大大降低。

4) 建議鋼腳金具生產(chǎn)廠家嚴(yán)格控制鋼材質(zhì)量，規(guī)范熱處理制度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，電網(wǎng)單位也應(yīng)制定相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，加強(qiáng)質(zhì)量檢驗，保證電網(wǎng)運行安全。