龍會國，曾垂旺，劉云龍

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007；2. 湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，長沙 410007；3. 湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，長沙 410007）

0 引言

緊固件具有受力性能好、耐疲勞、抗震性能好、連接剛度高、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)，已成為電網(wǎng)設(shè)備最主要的連接方式之一。電網(wǎng)設(shè)備通過緊固件連接成一個整體，一旦緊固件失效，可能導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失及社會影響[1-7]。本文通過對電網(wǎng)設(shè)備緊固件典型失效形式進(jìn)行統(tǒng)計歸納，研究其典型失效原因，并提出處理措施，為電網(wǎng)設(shè)備緊固件設(shè)計、選材、制造、安裝、檢修、運(yùn)行提供參考。

1 設(shè)計不當(dāng)

1.1 缺陷類型

緊固件連接設(shè)計主要存在設(shè)計不合理、設(shè)計裕度不充分、現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)與設(shè)計不相符等問題。設(shè)計不合理主要包括未考慮施擰空間、膨脹空間受阻、螺孔配合間隙過大等；設(shè)計裕度不充分主要體現(xiàn)在可變載荷（如風(fēng)載荷或雪載荷造成的諧振）考慮不充分等；現(xiàn)場實(shí)際結(jié)構(gòu)與設(shè)計不符主要體現(xiàn)在現(xiàn)場未按設(shè)計制造或施工。

1.2 案例分析

1.2.1 故障情況

某750 kV 變電站主變進(jìn)線側(cè)采用法蘭式變截面鋼管構(gòu)架避雷針，連接法蘭采用有勁肋板剛性螺栓連接。構(gòu)架柱高度27.1 m，構(gòu)架避雷針頂標(biāo)高55.0 m，共2根構(gòu)架避雷針，材質(zhì)為Q235C，設(shè)計平均最大風(fēng)速36.1 m/s，對應(yīng)的基本風(fēng)壓為0.81 kN/m2。該站2號主變壓器750 kV側(cè)進(jìn)線構(gòu)架避雷針斷裂傾倒，造成構(gòu)架嚴(yán)重變形損壞。故障時，最高風(fēng)速為24 m/s，未超過設(shè)計風(fēng)速。

緊固螺栓采用8.8 級M20 雙帽單墊高強(qiáng)度螺栓，底座緊固螺栓為20 個，第二節(jié)緊固螺栓為16個。故障發(fā)生后檢查發(fā)現(xiàn)36個螺栓全部斷裂脫落，其中有11個螺栓斷面有超過80%的銹蝕痕跡，斷口無明顯塑性變形，呈脆性斷裂，屬典型的疲勞斷裂特征（如圖1所示）。

圖1 螺栓斷面宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of bolt section

1.2.2 原因分析

對螺栓進(jìn)行化學(xué)成分、硬度及金相組織分析，均未發(fā)現(xiàn)異常。

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》中對風(fēng)載荷的要求，對于橫風(fēng)向風(fēng)振作用效應(yīng)明顯的高層建筑以及細(xì)長圓形截面構(gòu)筑物，宜考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的影響。當(dāng)雷諾數(shù)Re＜3×105且結(jié)構(gòu)頂部風(fēng)速VH大于臨界起振風(fēng)速Vcr時，可發(fā)生亞臨界的微風(fēng)共振（即渦激共振）。此時，可在構(gòu)造上采取防振措施，或控制結(jié)構(gòu)的臨界風(fēng)速Vcr≥15 m/s。根據(jù)變電站故障避雷針實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)計算，其渦激共振起振臨界風(fēng)速為9.41 m/s。對避雷針的結(jié)構(gòu)分析表明，避雷針處于風(fēng)場迎風(fēng)側(cè)最上游，橫向擾流后在避雷針背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生周期性脫落的旋渦，當(dāng)旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)自身的固有頻率接近時，就會引起結(jié)構(gòu)的渦激共振，從而導(dǎo)致螺栓疲勞斷裂。

1.2.3 應(yīng)對措施

（1）合理確定起振風(fēng)速的臨界值，更改避雷針長細(xì)比。

（2）優(yōu)化避雷針結(jié)構(gòu)形式。圓形截面容易引起鋼管塔發(fā)生微風(fēng)振動，改變圓截面的形狀，就能夠增大微風(fēng)振動產(chǎn)生的難度。因此建議采用破壞渦激共振條件的構(gòu)架鋼管避雷針。

（3）加強(qiáng)變電站避雷針運(yùn)行管理，定期檢查構(gòu)架避雷針的固定螺栓以及法蘭焊接部位等薄弱點(diǎn)，采用防松等措施[8]。

2 制造質(zhì)量缺陷

制造質(zhì)量典型缺陷主要為裂紋、折疊、分層、用材錯誤、材質(zhì)不合格、尺寸偏差過大、鍍鋅層質(zhì)量缺陷、鍍鋅層厚度不夠等。

2.1 螺栓制造質(zhì)量缺陷

某新建鋼管塔地腳螺栓在預(yù)埋現(xiàn)場施工時未采用螺栓固定方式，而是采用地腳螺栓與上下固定板直接焊接的施工方式，導(dǎo)致螺栓斷裂，螺栓材質(zhì)為45號鋼。對斷裂螺栓、尚未安裝的地腳螺栓進(jìn)行金相分析，組織均為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體（如圖2 所示），鐵素體沿原奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布，強(qiáng)度偏低，使沖擊韌性顯著降低，缺口敏感性高。制造工藝不當(dāng)造成組織不合格是導(dǎo)致螺栓斷裂的主要原因[9]。因此，應(yīng)加強(qiáng)螺栓制造工藝過程質(zhì)量控制，螺栓組織應(yīng)為正常調(diào)質(zhì)處理組織；加強(qiáng)安裝過程質(zhì)量控制，對于高強(qiáng)螺栓，施工或安裝時不得對其進(jìn)行焊接，不宜采用錘擊等方式校正；高強(qiáng)螺栓應(yīng)抽樣進(jìn)行光譜、硬度、機(jī)械性能及金相組織檢驗(yàn)。

圖2 地腳螺栓金相組織Fig.2 Metallographic structures of the anchor bolt

2.2 螺孔制造質(zhì)量缺陷

某在建110 kV 輸電線路耐110B-JG3-15 型轉(zhuǎn)角塔在D 腿塔腳向上5 cm 處角鋼背部發(fā)生橫向開裂。角鋼材質(zhì)為Q355B，規(guī)格為∠140 mm×10 mm，長度為6467 mm，螺孔采用沖孔加工。

開裂螺孔斷口未見明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征，螺孔部位存在宏觀可見的微裂紋。金相分析表明，組織為珠光體+鐵素體，螺孔表面覆蓋有約100 μm厚鍍鋅層，在螺孔內(nèi)壁鍍鋅層下面存在微裂紋，可見微裂紋為鍍鋅前或鍍鋅過程中形成的；螺孔內(nèi)壁表面約300 μm 厚晶粒明顯細(xì)化，且晶粒均勻，該區(qū)域?yàn)槊黠@的加工塑性變形區(qū)域（見圖3）。

圖3 螺孔金相組織Fig.3 Metallographic structures of the screw hole

綜上所述，角鋼塔在制造過程中，因沖孔工藝不當(dāng)，導(dǎo)致螺孔內(nèi)壁存在塑性變形區(qū)域或擠壓變形微裂紋，在熱浸鍍鋅過程、安裝過程中造成脆性區(qū)域裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致開裂。制造工藝不當(dāng)造成螺孔內(nèi)壁缺陷是角鋼塔開裂的主要原因[10]。

GB/T 2694—2018《輸電線路鐵塔制造技術(shù)條件》規(guī)定：當(dāng)角鋼材質(zhì)為Q235且厚度大于16 mm、材質(zhì)為Q355 且厚度大于14 mm、材質(zhì)為Q420 且厚度大于12 mm、材質(zhì)為Q460的所有厚度及掛線孔均應(yīng)采用鉆孔方式，建議主材或材質(zhì)為Q355、Q420、Q460 所有厚度螺孔及掛線孔均應(yīng)采用鉆孔方式。因此，應(yīng)加強(qiáng)角鋼制造過程質(zhì)量控制，優(yōu)化加工工藝，螺孔推薦采用鉆孔方式，加強(qiáng)出廠前質(zhì)量檢驗(yàn)，杜絕不合格產(chǎn)品出廠。

3 施工工藝不當(dāng)

3.1 緊固件連接未采取防松措施

某500 kV 輸電線路融冰過程中，當(dāng)電流升至4500 A 時，某塔存在電弧放電、導(dǎo)線脫出及多個間隔棒受損情況。檢查發(fā)現(xiàn)存在以下主要問題：大號側(cè)6 個耐張線夾引流板均燒損嚴(yán)重，引流板表面存在大量白色粉末；2 號子導(dǎo)線引流板上的螺栓未安裝平墊片+彈簧墊片，其余引流板螺栓連接均為平墊片+彈簧墊片（如圖4 所示）。對應(yīng)的小號側(cè)有拉桿斷裂，2個斷裂拉桿斷裂面為錐形，尖端有電弧灼傷痕跡，屬于典型的高溫拉伸斷裂。

圖4 引流板部分螺栓未采取防松措施Fig.4 Some bolts of the drainage plate haven′t taken locking measures

由于燒損側(cè)2號子導(dǎo)線引流板上連接螺栓未安裝平墊片+彈簧墊片，未采取防松措施，造成2 號子導(dǎo)線引流板螺栓松動產(chǎn)生間隙放電燒損，接觸電阻顯著增加，導(dǎo)致分流進(jìn)一步加劇，從而造成其他螺栓連接處和金具連接處發(fā)熱，在大電流融冰過程中熔融燒損。

3.2 緊固件不齊全、預(yù)緊力矩未達(dá)到設(shè)計要求

某220 kV 變電站于2012 年3 月投產(chǎn)，2013 年3月進(jìn)行第一次例行試驗(yàn)及檢修時發(fā)現(xiàn)主變壓器漏油問題：1 號主變壓器鐵心及夾件螺栓螺母未緊固或緊固力矩未滿足設(shè)計或標(biāo)準(zhǔn)要求，造成滲漏；安裝于變壓器本體上的排油充氮裝置斷流閥由于部分螺栓未安裝墊片、未采取防松措施等原因漏油（如圖5 所示）；有載調(diào)壓開關(guān)部分螺栓單側(cè)安裝墊片達(dá)4個，超過單邊不宜超過2個墊片的要求，且未緊固，大蓋滲漏（如圖6所示）。

圖5 主變壓器斷流閥緊固件部分附件缺失Fig.5 Some accessories of main transformer block valve fasteners are missing

圖6 調(diào)壓開關(guān)緊固件部分附件超裝、未緊固Fig.6 Some accessories of the fasteners are over installed and not tightened

經(jīng)分析認(rèn)為，設(shè)備螺栓連接未按要求施工導(dǎo)致螺栓松動或未緊固等是造成設(shè)備故障的主要原因。

4 運(yùn)行檢修維護(hù)不當(dāng)

4.1 緊固件松動、附件不齊全

螺栓安裝過程中存在未緊固、預(yù)緊力矩未達(dá)到設(shè)計或標(biāo)準(zhǔn)要求、附件缺失或未采取防松措施等，運(yùn)行過程中受到運(yùn)行應(yīng)力、風(fēng)雨等外力的影響會發(fā)生振動，如未及時檢查并采取措施，可能導(dǎo)致緊固件松動、脫落，最終造成嚴(yán)重的設(shè)備故障。

某變電站復(fù)合式組合電器（HGIS）型號為ZHW-145，2011 年12 月投運(yùn)。2012 年10 月發(fā)生由于5023 隔離開關(guān)W 相隔離開關(guān)外拐臂處緊固件螺栓松動（如圖7所示），外拐臂與傳動軸夾緊力不足，導(dǎo)致動觸頭不能有效插入靜觸頭，隔離開關(guān)合閘不到位，造成動觸頭、靜觸頭燒蝕，506 斷路器跳閘。螺栓松動是導(dǎo)致故障的主要原因，因此，結(jié)構(gòu)件緊固件投運(yùn)前應(yīng)全部進(jìn)行緊固力矩復(fù)核，投運(yùn)1 年后應(yīng)全部進(jìn)行緊固力矩復(fù)核；運(yùn)行檢修期間，應(yīng)定期檢查緊固件是否齊全、無松動，以確保設(shè)備安全。

圖7 W相隔離開關(guān)外拐臂螺栓松動宏觀形貌Fig.7 Macro-morphology of loose disconnector on outer crank arm bolt of phase W

圖8 為某220 kV 變電站602 間隔與604 間隔之間的Ⅱ母V相支柱絕緣子與托架之間的固定螺栓脫落，造成支柱絕緣子傾斜，托架與支柱絕緣子錯位，管母上下錯位。

4.2 腐蝕、磨損

電網(wǎng)設(shè)備緊固件受自然條件、附近污染環(huán)境等影響，其腐蝕程度不一。在海洋氣候及大氣污染環(huán)境的影響下，腐蝕更為嚴(yán)重。腐蝕的主要原因有電解腐蝕、電化學(xué)腐蝕、氧化及銹蝕等[11]。

圖9為某500 kV線路緊固連接部位腐蝕磨損情況，磨損與銹蝕相結(jié)合，在磨損過程中，銷孔已經(jīng)變形，上線夾銷子也明顯磨損減薄?？梢?，緊固件腐蝕、磨損會使零件接觸區(qū)擴(kuò)口，導(dǎo)致其工作截面減小和強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致設(shè)備故障。

圖9 某500 kV線路金具腐蝕磨損宏觀形貌Fig.9 Macro-morphology of corrosion and wear of metal fittings of a ±500 kV transmission line

應(yīng)加強(qiáng)電網(wǎng)設(shè)備緊固件腐蝕磨損與防護(hù)，對于腐蝕或磨損減薄小于原設(shè)計值80%的應(yīng)及時更換，確保設(shè)備安全。

5 建議

（1）加強(qiáng)緊固件連接設(shè)計復(fù)核，螺栓設(shè)計應(yīng)充分考慮實(shí)際載荷、可變載荷等作用，連接處應(yīng)留出必要的螺栓施擰空間、膨脹空間，每一連接件一端永久性的螺栓數(shù)不宜少于2 個，螺栓連接宜采用緊湊布置。

（2）加強(qiáng)設(shè)備入網(wǎng)質(zhì)量抽檢及安裝過程質(zhì)量監(jiān)督，緊固件應(yīng)全部進(jìn)行宏觀檢查，緊固件連接力矩應(yīng)符合要求；螺孔應(yīng)無明顯變形、裂紋等；螺栓與導(dǎo)流件緊固面間均應(yīng)有平墊片，螺母側(cè)應(yīng)裝有彈簧墊片或鎖緊螺母；緊固面單側(cè)墊片不應(yīng)超過2個；對于合金鋼螺栓應(yīng)進(jìn)行100%光譜復(fù)核，高強(qiáng)螺栓按批次抽查金相組織、力學(xué)性能。

（3）加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理。承載為主的緊固件連接投運(yùn)1年后，必須對緊固件緊固1次，以后每次檢修時視情況緊固；載流為主的緊固件連接，每次檢修時測試緊固力矩；加強(qiáng)緊固連接外觀檢查，緊固件附件應(yīng)齊全，無明顯腐蝕、磨損、裂紋、變形、松動等。