陳家慧,趙興虹,劉 曦,馮 杰,林德源
(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041;2.四川蜀能電力有限公司高新分公司,四川 成都 610041;3.國網(wǎng)福建省電力公司電力科學(xué)研究院,福建 福州 350007)
耐張線夾是用于在耐張、轉(zhuǎn)角、終端桿塔的絕緣子串上固定導(dǎo)線或避雷線,并承受導(dǎo)線張力的金具。壓縮型耐張線夾作為機(jī)械和電氣負(fù)荷的傳遞者,是輸電線路最常見的工具之一[1-6]。本體由鋼錨和鋁管組成,鋼錨用來接續(xù)和錨固鋼芯鋁絞線的鋼芯,通過壓力使鋁管產(chǎn)生塑性變形,從而使線夾與導(dǎo)線結(jié)合在一起。線夾的裝配、設(shè)計(jì)和壓接缺陷以及惡劣運(yùn)行環(huán)境均有可能造成線夾斷裂[7-11],直接威脅高壓輸電線路的安全運(yùn)行。
下面以一起500 kV輸電導(dǎo)線耐張線夾內(nèi)鋼芯斷裂事故為研究對(duì)象,對(duì)失效線夾進(jìn)行解剖,借助材料表征手段綜合分析線夾斷裂原因,并提出科學(xué)、可行的防護(hù)措施,對(duì)防止類似事故發(fā)生、提高耐張線夾可靠性有一定的警示、借鑒意義。
2018年6月, 500 kV某輸電線路發(fā)生非計(jì)劃停運(yùn)跳閘,選相為AC相(無負(fù)荷損失),故障巡視發(fā)現(xiàn)140號(hào)塔小號(hào)側(cè)四分裂導(dǎo)線C相(中相)的左下導(dǎo)線耐張線夾斷裂,導(dǎo)致子導(dǎo)線掉落,與A相(下相)距離不足,如圖1所示。140號(hào)塔型為SJ 453,同塔雙回路架設(shè),小號(hào)側(cè)檔距為148 m,掛線點(diǎn)高差為48.5 m,氣象區(qū)為10 mm輕冰,27 m/s風(fēng)速。導(dǎo)線型號(hào)為JL/GIA-500/45-48/7鋼芯鋁絞線,耐張線夾型號(hào)為NY-500/45,鋁管材質(zhì)為1050A。
圖1 導(dǎo)線耐張線夾失效現(xiàn)場(chǎng)形貌
結(jié)合失效耐張線夾外部(見圖2)和內(nèi)部情況(見圖3),線夾存在兩處斷口。鋁管斷裂位置為接續(xù)板附近的未壓接區(qū)(近鋼錨側(cè)),斷口具有明顯拉伸頸縮特征,屬于韌性斷裂。導(dǎo)線鋼芯斷裂在距端口34 mm的鋼錨內(nèi)部,整體看7根鋼芯斷口高低不平,拉邊與軸線幾乎成45°,斷口處均存在明顯的頸縮現(xiàn)象,宏觀上顯示一定的塑性變形特征,如圖4所示。鋼芯的表面和斷面均覆蓋有大量的黑色產(chǎn)物,局部位置有明顯的擠壓和磨損痕跡,表明鋼芯在運(yùn)行時(shí)承受拉伸、擠壓和摩擦多種應(yīng)力。
圖2 耐張線夾鋁管斷裂位置
圖3 鋼錨內(nèi)鋼芯斷裂位置
圖4 鋼芯斷裂的宏觀形貌
對(duì)失效耐張線夾的壓接質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)鋁管和鋼管的壓后最大對(duì)邊距均符合《輸變電工程架空導(dǎo)地線(800 mm2以下)及地線液壓壓接工藝規(guī)程》(DL/T 5285-2018)的相關(guān)要求。但鋼錨的外觀形貌顯示,鋼錨存在明顯的彎曲變形,且表面有較深的壓接痕跡(見圖5)。經(jīng)測(cè)量,鋼錨彎曲點(diǎn)與鋼芯斷裂位置一致,可知鋼錨壓接工藝不合格導(dǎo)致內(nèi)部鋼芯在變形處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。
圖5 鋼錨外觀形貌
將7根鋼芯線中的2根鋼芯線斷口置于掃描電子顯微鏡下觀察,結(jié)果見圖6。由圖6(a)和6(c)可知,鋼芯斷口凹凸不平,C區(qū)存在剪切唇特征,斷口有明顯的徑縮現(xiàn)象,符合韌性斷裂特征。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn),斷口A區(qū)域附近的表面磨損處存在很多互相平行且垂直于鋼芯徑向的裂紋,最大裂紋寬度達(dá)100 μm,如圖6(c)和6(d)所示。由此可知,裂紋在A區(qū)域萌生,B區(qū)域快速擴(kuò)展,C區(qū)域瞬時(shí)斷裂。由圖6(b)可知,2號(hào)樣斷口覆蓋有大量的堆積物,經(jīng)能譜儀分析為氧化腐蝕產(chǎn)物,占據(jù)約1/3斷面,表明其斷裂時(shí)間早于1號(hào)樣。對(duì)圖6(d)中鋼芯表面進(jìn)行能譜分析,結(jié)果以Zn、Fe、O三種元素為主,可推斷鋼芯表面的黑色物質(zhì)為鍍鋅層氧化后產(chǎn)物。觀察斷口外緣形貌,發(fā)現(xiàn)原圓弧形外表面局部已變形成為邊角狀,即本應(yīng)為圓周形狀的鋼芯線外周表面變?yōu)槎噙呅渭皥A弧形的混合形狀,且擠壓變形區(qū)域與裂紋源位置一致。
圖6 鋼芯微觀形貌
由此推斷,原鋼芯線斷口位置曾經(jīng)受外力擠壓后變形,變形部位機(jī)械強(qiáng)度較低,可成為裂紋萌生點(diǎn)。
選取1根鋼芯進(jìn)行切割、鑲嵌、拋磨,在金相顯微鏡下觀察其徑向截面,鋼芯內(nèi)部無異常的金屬夾雜物,如7(a)所示。經(jīng)硝酸酒精浸蝕后,基體組織顯示為鐵素體+索氏體,表明顯微組織正常,如7(b)所示。
圖7 鋼芯橫向顯微形貌
從遠(yuǎn)離斷口的失效鋼芯和鋁管上分別選取3段試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),鋼芯和鋁管的最小抗拉強(qiáng)度分別為1580 MPa和87 MPa,鋁管斷后平均伸長率為46%,分別滿足《導(dǎo)地線采購標(biāo)準(zhǔn) 第2部分:鋼芯鋁絞線專用技術(shù)規(guī)范 》(Q/GDW 13236.2-2014)和《鋁及鋁合金熱擠壓管 第1部分:無縫圓管》(GB/T 4437.1-2015)標(biāo)準(zhǔn)要求。
對(duì)耐張線夾鋁管進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》(GB/T 3190-2008)中對(duì)牌號(hào)1015A的要求。鋼芯線的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果顯示,鋼材中有害元素P和S的含量分別為0.015%和0.008%,均滿足相關(guān)要求。
通過上述分析可知,耐張線夾中鋼芯和鋁管的顯微組織、力學(xué)性能及材質(zhì)均滿足相關(guān)要求。鋼錨上有較深壓接痕跡且存在明顯彎曲現(xiàn)象,內(nèi)部鋼芯在變形處產(chǎn)生應(yīng)力集中。這極有可能是壓接過程中出現(xiàn)鋼錨彎曲,然后試圖通過反復(fù)壓接將鋼管彎曲部位復(fù)原所致。多次壓接過程導(dǎo)致鋼芯產(chǎn)生擠壓變形,機(jī)械強(qiáng)度降低。運(yùn)行時(shí),鋼芯和鋼錨在變形處產(chǎn)生較大的接觸摩擦使鋼芯表面被磨損,其力學(xué)性能進(jìn)一步降低。鋼芯在表面受損處產(chǎn)生裂紋源,使耐張線夾承受載荷的有效面積減小。在導(dǎo)線張力作用下,受損較嚴(yán)重的鋼芯在應(yīng)力集中處首先發(fā)生斷裂,剩余鋼芯和鋁管承受的載荷急劇增大,且鋼芯斷口較為鋒利,會(huì)對(duì)周邊的鋼芯造成持續(xù)的摩擦損傷,形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致剩余鋼芯和鋁管斷裂。
該導(dǎo)線耐張線夾斷裂屬于韌性斷裂事故,主要是由線夾壓接質(zhì)量不佳引起的。鋼錨彎曲變形導(dǎo)致鋼芯在變形處產(chǎn)生應(yīng)力集中,壓接過程中的擠壓變形和運(yùn)行過程中的摩擦損傷使鋼芯力學(xué)性能顯著降低,在導(dǎo)線張力作用下鋼芯相繼被拉斷,從而使鋁管拉伸斷裂,最終導(dǎo)致耐張線夾失效。
為提高耐張線夾的運(yùn)行可靠性,建議對(duì)同批次壓接耐張線夾進(jìn)行X射線探傷檢測(cè),排查壓接時(shí)存在的安全隱患,防止類似事故再次發(fā)生。在新建、改造及擴(kuò)建的線路工程中,應(yīng)提升耐張線夾壓接工藝,加強(qiáng)對(duì)線夾壓接質(zhì)量的抽檢,以確保線路安全。