某輸電線路球頭掛環(huán)缺陷分析

葉建鋒，馮紅武，周學明，李楚涵

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

0 引言

金具是架空輸電線路中的重要受力部件，起到了連接導線、地線和鋼結(jié)構(gòu)的作用，金具一旦出現(xiàn)斷裂，將導致導線掉落，輸電線路因金具失效而產(chǎn)生的故障時有發(fā)生［1-10］。

球頭掛環(huán)是金具的一種，其受力復雜，在輸電線路金具故障中比例較高［11-21］。參考文獻［22］中提到，對于特高壓工程的球頭掛環(huán)，國家電網(wǎng)有限公司要求廠家在出廠前對其進行100%的磁粉檢測，可見球頭掛環(huán)的重要性。

1 概況

運維人員在巡視過程中發(fā)現(xiàn)某500 kV輸電線路工程的導線某個球頭掛環(huán)存在形態(tài)疑似裂紋的表面開口缺陷，該線路處于1級舞動區(qū)，大小號側(cè)檔距比例為2.18，與大號側(cè)高差為70.9 m，所在線路區(qū)段均為偏向與東西走向，球頭的上部為UB掛板，UB掛板直接與鐵塔連接，球頭下部為絕緣子串，球頭掛環(huán)的型號為QP16。

2 試驗與分析

2.1 宏觀檢查及尺寸測量

對球頭掛環(huán)進行尺寸測量，如圖1所示。

對球頭掛環(huán)進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)表面存在一處長為20 mm的表面開口缺陷，如圖2所示。

圖2 球頭掛環(huán)表面缺陷Fig.2 Defect on the surface of the ball-eye

2.2 化學成分分析

對球頭掛環(huán)進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示，對照《GB/T 699-2015 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，其牌號為60Mn。根據(jù)標準GB/T 699-2015，60Mn 的抗拉強度為不小于690 MPa，而球頭掛環(huán)的直徑為20.10 mm，計算得到其破壞載荷為不小于218.94 kN，滿足該型號球頭掛環(huán)的標稱破壞載荷不小于160 kN的要求。

表1 光譜分析結(jié)果Table 1 Spectrum analysis results

2.3 拉力試驗

對球頭掛環(huán)進行拉力試驗，當試驗力達到222 kN時，球頭掛環(huán)的圓環(huán)處發(fā)生變形，且連接球頭掛環(huán)的螺栓彎曲，但球頭掛環(huán)未在缺陷處斷裂，試驗力滿足該型號球頭掛環(huán)的標稱破壞載荷不小于160 kN 的要求，合格。

2.4 金相分析

將球頭掛環(huán)切斷后沿著圖3所示的虛線對樣品進行取樣，得到圖4所示的樣品。

圖3 取樣部位Fig.3 Sampling location

圖4 樣品Fig.4 Sample

將樣品打磨拋光后使用100 倍金相顯微鏡觀察并測量缺陷深度，如圖5 所示，缺陷與表面成45°夾角，垂直表面的深度為0.585 mm，傾斜深度為0.7 mm。

圖5 缺陷深度Fig.5 Defect depth

對樣品腐蝕后進行金相組織觀察，如圖6所示（左上角為缺陷尖端，右上角為缺陷中部，左下角為金具中心部位，右下角為金具外表面）。

金具的金相組織均為鐵素體加珠光體，從圖6 中可見，缺陷兩側(cè)及金具外表面的金相組織中鐵素體含量高于金具中心部位，表明金具缺陷兩側(cè)和金具外表面均存在脫碳。

圖6 金相組織Fig.6 Metallographic structure

2.5 能譜分析

使用掃描電鏡和能譜儀對缺陷附近的化學成分分布進行分析，結(jié)果如圖7 所示，由此可見，缺陷內(nèi)部和金具外表面均有相近含量的鋅元素（顏色越亮的部位元素含量越高）。

圖7 能譜分析結(jié)果Fig.7 Energy spectrum analysis

3 綜合分析

首先，金相分析顯示缺陷兩側(cè)金相組織存在脫碳，而鋼材需在600 ℃以上且與空氣接觸才會發(fā)生明顯的脫碳（鋼材表面的碳原子與空氣中的氧氣和水蒸氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生甲烷或CO），對于鍛造的金具而言，脫碳發(fā)生在鋼材加熱至初鍛溫度，一直至終鍛結(jié)束。由此可見，缺陷產(chǎn)生于鍛造過程中，圖8為某廠家的球頭掛環(huán)制造工藝，其鍛造過程溫度維持在850 ℃以上。

圖8 球頭掛環(huán)制造工藝Fig.8 Manufacturing technology of ball-head

其次，從Zn 元素的分布也可以判斷，球頭掛環(huán)在鍛造過程中產(chǎn)生了缺陷，鍍鋅過程中由于毛細現(xiàn)象，熔融的鋅液滲入缺陷中，導致缺陷中富含鋅元素。

最后，根據(jù)裂紋的擴展規(guī)律，裂紋沿著表面擴展的同時，也會朝深度方向擴展，目前該球頭掛環(huán)缺陷在表面的長度為20 mm，而缺陷深度僅為0.585 mm。參考另一起球頭掛環(huán)斷裂故障的斷口（如圖9 所示），該球頭掛環(huán)裂紋長度也為20 mm，而深度則達到6 mm，這表明該缺陷并非為運行后產(chǎn)生的裂紋。

圖9 另一起故障的斷口Fig.9 A fracture from another failure

綜上所述，該球頭掛環(huán)表面的缺陷實際上為鍛造過程中產(chǎn)生的折疊，為原始制造缺陷［23-25］。

4 原始缺陷查找方法的經(jīng)驗總結(jié)

在進行金具斷裂分析時，當金具的斷口有一部分腐蝕嚴重無法分辨是否存在原始缺陷時，可以先選擇一個與斷口平行的平面進行金相分析，測量金具表面脫碳層厚度，再使用車床將斷面附近的金具表面脫碳層去除，最后對去除了脫碳層的表面（曲面）進行金相分析，查找斷面附近是否存在脫碳區(qū)域，存在脫碳區(qū)域的即為原始缺陷區(qū)域，分析步驟如圖10 所示。

圖10 分析步驟Fig.10 Analysis step

5 結(jié)語

根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司要求，特高壓交直流線路的金具出廠前需做100%的磁粉檢測，而500 kV 線路無此規(guī)定，建議在采購招標時，將磁粉檢測作為驗收條件。此外，在入網(wǎng)抽檢過程中，建議增加磁粉檢測項目［26-31］。