葉建鋒，馮紅武，周學(xué)明，李楚涵

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

0 引言

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

球頭掛環(huán)是金具的一種，其受力復(fù)雜，在輸電線(xiàn)路金具故障中比例較高［11-21］。參考文獻(xiàn)［22］中提到，對(duì)于特高壓工程的球頭掛環(huán)，國(guó)家電網(wǎng)有限公司要求廠(chǎng)家在出廠(chǎng)前對(duì)其進(jìn)行100%的磁粉檢測(cè)，可見(jiàn)球頭掛環(huán)的重要性。

1 概況

運(yùn)維人員在巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某500 kV輸電線(xiàn)路工程的導(dǎo)線(xiàn)某個(gè)球頭掛環(huán)存在形態(tài)疑似裂紋的表面開(kāi)口缺陷，該線(xiàn)路處于1級(jí)舞動(dòng)區(qū)，大小號(hào)側(cè)檔距比例為2.18，與大號(hào)側(cè)高差為70.9 m，所在線(xiàn)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(hào)為QP16。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 宏觀(guān)檢查及尺寸測(cè)量

對(duì)球頭掛環(huán)進(jìn)行尺寸測(cè)量，如圖1所示。

對(duì)球頭掛環(huán)進(jìn)行宏觀(guān)檢查，發(fā)現(xiàn)表面存在一處長(zhǎng)為20 mm的表面開(kāi)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(xué)成分分析

對(duì)球頭掛環(huán)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，對(duì)照《GB/T 699-2015 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，其牌號(hào)為60Mn。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699-2015，60Mn 的抗拉強(qiáng)度為不小于690 MPa，而球頭掛環(huán)的直徑為20.10 mm，計(jì)算得到其破壞載荷為不小于218.94 kN，滿(mǎn)足該型號(hào)球頭掛環(huán)的標(biāo)稱(chēng)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(yàn)

對(duì)球頭掛環(huán)進(jìn)行拉力試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)力達(dá)到222 kN時(shí)，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(yàn)力滿(mǎn)足該型號(hào)球頭掛環(huán)的標(biāo)稱(chēng)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(xiàn)對(duì)樣品進(jìn)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(guān)察并測(cè)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(duì)樣品腐蝕后進(jìn)行金相組織觀(guān)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(jiàn)，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(duì)缺陷附近的化學(xué)成分分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7 所示，由此可見(jiàn)，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(huì)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(duì)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(jiàn)，缺陷產(chǎn)生于鍛造過(guò)程中，圖8為某廠(chǎng)家的球頭掛環(huán)制造工藝，其鍛造過(guò)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(guò)程中產(chǎn)生了缺陷，鍍鋅過(guò)程中由于毛細(xì)現(xiàn)象，熔融的鋅液滲入缺陷中，導(dǎo)致缺陷中富含鋅元素。

最后，根據(jù)裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，裂紋沿著表面擴(kuò)展的同時(shí)，也會(huì)朝深度方向擴(kuò)展，目前該球頭掛環(huán)缺陷在表面的長(zhǎng)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(zhǎng)度也為20 mm，而深度則達(dá)到6 mm，這表明該缺陷并非為運(yùn)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(shí)際上為鍛造過(guò)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(yàn)總結(jié)

在進(jìn)行金具斷裂分析時(shí)，當(dāng)金具的斷口有一部分腐蝕嚴(yán)重?zé)o法分辨是否存在原始缺陷時(shí)，可以先選擇一個(gè)與斷口平行的平面進(jìn)行金相分析，測(cè)量金具表面脫碳層厚度，再使用車(chē)床將斷面附近的金具表面脫碳層去除，最后對(duì)去除了脫碳層的表面（曲面）進(jìn)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(yǔ)

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)有限公司要求，特高壓交直流線(xiàn)路的金具出廠(chǎng)前需做100%的磁粉檢測(cè)，而500 kV 線(xiàn)路無(wú)此規(guī)定，建議在采購(gòu)招標(biāo)時(shí)，將磁粉檢測(cè)作為驗(yàn)收條件。此外，在入網(wǎng)抽檢過(guò)程中，建議增加磁粉檢測(cè)項(xiàng)目［26-31］。