馬龍濤 ，鄭樹會，祝永坤，李祥杰，高樹永

(1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 102401；3.國網(wǎng)科右前旗供電公司，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400；4.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

導線是架空輸電線路的核心組成部分，承擔傳導電流和輸送電能的關(guān)鍵任務(wù)。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的穩(wěn)步提高，全社會對電力的需求迅速攀升，同時對供電可靠性和供電質(zhì)量提出了更高要求[1-2]。導線在正常運行過程中受到風荷載作用會產(chǎn)生高頻振動現(xiàn)象[3]。持續(xù)的微風振動現(xiàn)象會造成導線斷股和金具磨損，對架空輸電線路的安全可靠運行造成嚴重威脅。

目前我國架空輸電線路采用的護線條、防振錘、阻尼線3種防振金具中，以防振錘使用得最多、最普遍。防振錘是為減少導線微風振動而設(shè)計的，它由一定質(zhì)量的重錘、具有高彈性和高強度的鍍鋅鋼絞線以及線夾組成[4]。防振錘懸掛在導線上，能產(chǎn)生與導線振動相位相反的運動，從而使導線振動消除或減弱[5-6]。防振錘在運行過程中依靠鋼絞線線股間的摩擦消耗能量，且通過鋼絞線承受疲勞載荷，因而對鋼絞線及其與錘頭、線夾的連接性能要求很高。結(jié)構(gòu)和性能良好的防振錘一般可使導線由于微風振動引起的應力減少90%以上，防振效果非常顯著[7]。

2016年12月，蒙東地區(qū)220 kV庫扣1、2號線和220 kV奈紅1號線在運行過程中發(fā)生了錘頭本體異常斷裂事故,防振錘的型號為FFH2428，適用導線型號為JL/GIA-400-48/7。本文針對此次發(fā)生斷裂的防振錘，開展了錘頭斷裂原因分析，包括化學成分分析、金相分析、斷口微觀形貌分析和沖擊斷口微觀形貌分析，能夠為防振錘運行狀態(tài)的評估提供可靠依據(jù)。

1 斷口外觀檢查

防振錘的斷裂位置如圖1所示。在正常運行過程中，防振錘的1個錘頭發(fā)生斷裂并從高空墜落。取錘頭未銹蝕的新鮮斷口進行外觀檢查，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看到，錘頭斷口平整，無明顯凹凸，斷口表面有金屬光澤，整體呈亮灰色，未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形和撕裂的痕跡。

為了進一步分析錘頭的斷裂形式，在圖2所示的斷口附近處，采用線切割方法截取下整個斷口。在截取斷口的過程中發(fā)現(xiàn)斷口截面一側(cè)尺寸明顯縮小，如圖3所示。這表明錘頭斷口處可能存在較大的內(nèi)應力，可能是在鑄造凝固過程中由于各部分的冷卻速度差異、收縮受阻以及組織轉(zhuǎn)變引起體積變化等因素導致內(nèi)部產(chǎn)生鑄造應力。如果鑄造應力未得到釋放，將會以殘余應力的形式保留在防振錘錘頭內(nèi)。鑄造殘余應力的存在會使結(jié)構(gòu)件尺寸精度降低，在使用過程中容易產(chǎn)生變形，嚴重時會發(fā)生開裂。在斷面被截取的過程中，由于新表面的引入使內(nèi)應力得到釋放，導致斷口截面縮小。

圖1 發(fā)生斷裂的防振錘外觀

圖2 防振錘錘頭斷口宏觀形貌

圖3 截取的斷口與防振錘的截取面對比

2 錘頭化學成分分析

從斷口附近處的錘頭本體上切取試樣，采用火花直讀光譜儀(型號為SPECTROMAXx)進行化學成分分析，結(jié)果見表1。從表1中可以看到，試樣的含碳量為4.59wt.%，鋼和鐵以碳含量區(qū)分，含碳量低于2.11wt.%為鋼，含碳量大于2.11wt.%為鐵[8]，成分分析結(jié)果表明錘頭本體所用材質(zhì)為鑄鐵。目前，工程上防振錘常用灰鑄鐵或者鑄鋼材料制造。

表1 防振錘錘頭試樣的化學成分分析結(jié)果

3 錘頭金相組織分析

從斷口附近處的錘頭本體上截取試樣，經(jīng)砂紙打磨后拋光，采用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，將得到的金相樣品采用蔡司光學顯微鏡進行金相組織觀察，如圖4可以看出錘頭的金相組織為少量的鐵素體、珠光體和石墨，其中石墨為粗大、片狀形態(tài)，相當于在基體上嵌入大量的石墨片，石墨的邊緣形成缺口,導致應力集中，材料的脆性傾向增大。根據(jù)鑄鐵以石墨形態(tài)的分類，可知防振錘錘頭所用材質(zhì)為灰鑄鐵。

(a)×100

(b)×1 000圖4 錘頭金相組織

4 斷口微觀形貌分析

將截取的斷口采用掃描電子顯微鏡進行微觀形貌分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看到，斷口處存在小刻面，未出現(xiàn)明顯可見的韌窩，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征。脆性斷裂機制包括解理斷裂、沿晶斷裂和穿晶斷裂。其中解理斷裂很少是沿一個晶面發(fā)生開裂的，多數(shù)情況下，解理裂紋跨越若干個相互平行的解理面，并以不連續(xù)的方式開裂，如果解理裂紋是沿兩個互相平行的解理面擴展，則在兩個平行的解理面之間可能產(chǎn)生解理臺階[9]。從圖5中可以看到，斷口處存在解理臺階但不明顯，故確定斷裂機制為解理斷裂。

(a)×100

(b)×500圖5 防振錘錘頭斷口形貌

5 材料沖擊試驗分析

防振錘錘頭的斷口微觀形貌分析表明其斷裂方式為脆性解理斷裂。為了進一步對防振錘的材料特性和斷裂形式進行分析和驗證，開展了夏比擺錘沖擊試驗。

在發(fā)生斷裂的防振錘錘頭上，采用線切割方法加工3個V型缺口沖擊試樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。根據(jù)標準GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對試樣進行室溫沖擊試驗(20 ℃)，試驗結(jié)果列于表2。從表2中可以看到，3個平行試樣的沖擊吸收功值分別為1.98 J、1.83 J和1.98 J，平均值為1.93 J，表明試樣發(fā)生斷裂前吸收的沖擊能量很少，呈現(xiàn)脆性材料特征。

表2 防振錘錘頭試樣的室溫沖擊試驗結(jié)果

防振錘錘頭試樣沖擊斷口的宏觀形貌與圖2中相似，斷口平整，表面有金屬光澤，整體呈現(xiàn)亮灰色，無明顯的塑性變形特征。

利用掃描電子顯微鏡對沖擊斷口進行微觀形貌分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看到，斷口處存在小刻面，未出現(xiàn)韌窩，這與圖5中所示形貌相似，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂特征。此外，斷口處存在明顯的解理臺階，故確定斷裂機制為解理斷裂。

(a)×100

(b)×200圖6 防振錘錘頭試樣沖擊斷口形貌

將防振錘錘頭的斷口與試樣的沖擊斷口對比分析發(fā)現(xiàn)，兩者的斷口形貌基本一致。沖擊韌性較差，其斷裂方式為脆性斷裂。

6 分析討論

綜合上述對斷裂防振錘的成分和金相分析，可知防振錘本體材料為灰鑄鐵。國標中對于灰鑄鐵材料的成分沒有具體要求，但是ISO185中給出了灰鑄鐵材料的碳當量范圍，碳當量最高的是ISO185/JL/100和ISO185/JL/150兩種牌號灰鑄鐵為4.0～4.2，通常要退火處理，碳當量的計算公式為

CEL=w(C)+w(Si)/4+w(P)/2

(1)

式中:CEL為碳當量，鋼鐵中各種合金元素折算成碳的含量；w(C)為碳元素的質(zhì)量分數(shù)；w(Si)為硅元素的質(zhì)量分數(shù)；w(P)為磷元素的質(zhì)量分數(shù)。

根據(jù)式(1)計算得到防振錘材料的碳當量為4.87，遠高于ISO185給出的碳當量范圍[10-11]。許多資料的研究指出，灰鑄鐵的強度隨碳當量的增加而降低[12]。此外，試樣的含硫量達到0.39%，進一步增加了錘頭本體的脆性。硫是鑄鐵材料中的有害元素，與鐵形成低熔點化合物硫化鐵，使鑄鐵材料產(chǎn)生熱脆性并降低鐵液的流動性，進而導致鑄件內(nèi)應力增大。因此，在防振錘的制備工藝中，需要對材料的成分進行適當控制，以保證防振錘的強度和材料的鑄造性能。

通過沖擊試驗結(jié)果可知，斷裂防振錘的沖擊性能較差，斷裂方式為典型的脆性解離斷裂，再一次證明防振錘的斷裂方式為脆性斷裂。

鑒于上述分析得到的防振錘斷裂的原因，在今后的防振錘設(shè)計制造工作中，應對材料成分進行適當控制，根據(jù)需要進行去應力熱處理，還可采用沖擊韌性良好的材料如鑄鋼或者低碳鋼代替鑄鐵材料。此外，可在保證防振效果的基礎(chǔ)上，增大錘頭根部的曲率半徑，減小應力集中，同時增大錘頭橫截面尺寸。

7 結(jié)論

a. 蒙東地區(qū)發(fā)生斷裂的防振錘本體材料的碳當量較高，導致強度降低，硫含量高，導致材料脆性增加，在防振錘的制備工藝中，應對化學成分進行合理控制。

b. 防振錘本體材料的微觀組織為珠光體、石墨以及少量的鐵素體，石墨為粗大、片狀形態(tài)，相當于在基體上嵌入大量的石墨片，石墨的邊緣形成缺口,導致應力集中，材料的脆性傾向增加。

c. 防振錘錘頭采用灰鑄鐵材料制造，沖擊韌性較差，且內(nèi)部存在較大殘余應力，建議鑄件后期采取熱處理工藝進行去應力處理。

d. 防振錘錘頭斷裂機制為脆性解理斷裂，在今后的設(shè)計和制造中建議采用具有良好沖擊性能的鑄鋼或低碳鋼材料代替，此外，可在保證防振效果的基礎(chǔ)上，增大錘頭根部的曲率半徑，減小應力集中，同時增大錘頭橫截面尺寸。

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