李曉宇，馬永泉，趙永寧，張華愷，，田利

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250003；3.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

電力金具在電力線路中起到連接、支撐和保護(hù)的作用，是線路的重要組成，電力金具的安全可靠是電力線路安全運(yùn)行的重要前提［1-2］。電力金具的斷裂失效會(huì)直接造成線路跳閘停電等事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。連接金具主要用于絕緣子之間，絕緣子串與金具之間，線夾與絕緣子串之間，避雷線與桿塔之間的連接。直角掛板是使用螺栓組裝而成的板形連接件，是一種改變連接方向的轉(zhuǎn)向連接金具，由于其連接方向互成直角，因此變換靈活，適應(yīng)性強(qiáng)。直角掛板一般采用中厚鋼板經(jīng)沖壓彎曲而成。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)直角掛板可采用鋼板進(jìn)行加工，對(duì)于載荷等級(jí)較大的直角掛板可采用球磨鑄鐵或鑄鋼制造，但不允許采用可鍛鑄鐵鑄造。

近年來，隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，輸電線路越來越密集，金具的用量也隨之大幅增加，對(duì)金具的質(zhì)量要求越來越高。然而電力金具結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于制造，對(duì)制造廠家的要求低，導(dǎo)致廠家數(shù)量眾多，加工制造水平參差不齊，且往往將其作為一種簡(jiǎn)易的電器進(jìn)行粗放型生產(chǎn)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制不夠嚴(yán)格，在材質(zhì)和制造工藝方容易存在問題，造成電力金具帶“病”入網(wǎng)，發(fā)生失效斷裂事故。近年來因金具質(zhì)量問題導(dǎo)致斷裂掉線而引發(fā)的線路停電事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行［3-5］。金具的質(zhì)量問題應(yīng)該引起足夠的重視。

在金具斷裂而引發(fā)的線路停電事故的調(diào)查分析中發(fā)現(xiàn)，很多金具失效發(fā)生的原因是金具的材質(zhì)存在問題。據(jù)報(bào)道，某220 kV線路的直角掛板因彎制部位存在大量脆性的硅酸鹽和鋁硅鈣夾雜物而最終導(dǎo)致掛板完全斷裂［6］；某線路的直角掛板因在加工成型時(shí)板材的最大彎處已經(jīng)存在裂紋，隨后在腐蝕介質(zhì)和周期性風(fēng)偏振動(dòng)的共同作用下，裂紋不斷擴(kuò)展最終發(fā)生腐蝕疲勞斷裂［7］；某110 kV 變電站耦合電容器引流線夾斷裂線夾檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其金相組織中存在大量針狀、纖維狀共晶硅組織，為鑄造缺陷［8］。

對(duì)某220 kV輸電線路的直角掛板斷裂原因進(jìn)行討論，通過宏觀檢測(cè)、掃描電鏡微觀形貌分析、能譜分析、金相檢測(cè)等方法分析研究其失效原因，并提出改進(jìn)建議，為廠家的規(guī)范生產(chǎn)提供借鑒，避免此類事故的再次發(fā)生。

1 事故概況

2021 年7 月，某220 kV 輸電線路新建工程的一批型號(hào)為Z-12 的直角掛板，到貨存放1 個(gè)月后進(jìn)行安裝，安裝完成7 天后，工作人員發(fā)現(xiàn)1 個(gè)直角掛板發(fā)生斷裂，隨后拆除，此時(shí)該線路尚未投運(yùn)。該批次Z-12直角掛板為Q235板材加工成型，表面采用熱鍍鋅工藝處理。

對(duì)斷裂直角掛板以及該220 kV輸電線路使用的同批次直角掛板，進(jìn)行宏觀檢查、掃描電鏡微觀形貌檢測(cè)以及能譜分析、金相分析等，分析失效原因，并提出改進(jìn)建議，以避免此類事故的再次發(fā)生。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 宏觀分析

斷裂的直角掛板現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1 所示，掛板在安裝到線路上后在拉力作用下出現(xiàn)了明顯的斷口。拆卸后發(fā)現(xiàn)斷裂直角掛板上有兩個(gè)斷口，如圖2 所示，一個(gè)已經(jīng)完全斷開，編號(hào)為斷口1，另有一個(gè)尚未完全開裂的斷口，編號(hào)為斷口2。

圖1 直角掛板現(xiàn)場(chǎng)情況

圖2 拆卸后的斷裂直角掛板

對(duì)斷裂的直角掛板進(jìn)行宏觀檢查，該直角掛板型號(hào)為Z-12，主要尺寸符合廠家提供的技術(shù)參數(shù)。如圖3 所示，斷口1 斷裂發(fā)生在U 型彎起彎處。斷裂表面有一層鐵銹，經(jīng)過超聲清洗處理后，表層黃鐵銹可以清除，另外約占斷裂面4/5的面積表面仍然覆蓋著難以清除的黑褐色鐵銹；靠近內(nèi)弧面約2 mm 厚度區(qū)域呈金屬光澤。結(jié)合受力情況分析，斷口1 裂紋由外弧面沿30°～40°角度向內(nèi)發(fā)展，發(fā)展到板厚的2/5左右后沿板厚方向垂直向內(nèi)發(fā)展，靠近內(nèi)弧面呈金屬光澤區(qū)域最后發(fā)生斷裂。

圖3 斷裂直角掛板

斷口2 由內(nèi)弧面向外發(fā)展；用手掰開斷口2，僅僅連接了很小部分，斷面已生黃鐵銹，經(jīng)超聲清洗后，黃鐵銹可以清除，斷口呈金屬光澤，該斷口為斷口1斷裂后受力過載造成的二次斷裂。

2.2 微觀形貌分析

對(duì)該直角掛板的斷口1 進(jìn)行超聲清洗后，使用掃描電子顯微鏡（型號(hào)Zeiss EVO 18）進(jìn)行微觀形貌檢查。圖4 中可以觀察到，斷裂面起始位置的部分表面被一層銹蝕產(chǎn)物覆蓋。繼續(xù)觀察，在該斷口表面上發(fā)現(xiàn)了冰糖狀的形貌，如圖5 所示，是典型的沿晶斷裂特征。沿晶斷裂是材料中的裂紋沿晶界擴(kuò)展而產(chǎn)生的一種斷裂，屬于脆性斷裂［7］。

圖4 斷口起始位置微觀形貌

圖5 斷口微觀形貌

2.3 能譜分析

使用Oxford能譜儀對(duì)2個(gè)斷口進(jìn)行能譜分析，斷口1、2 各取2 點(diǎn)1a、1b、2a、2b，取樣點(diǎn)的能譜分析結(jié)果如表1所示，表1 中，取樣點(diǎn)的位置如圖6 中框選區(qū)域，能譜分析如圖7所示。在斷口1檢測(cè)出鋅元素，距斷裂面外端面2～3 mm 區(qū)域兩點(diǎn)的鋅含量分別為18.8%、11.0%，在斷口2 的斷面中則沒有檢測(cè)出鋅元素的存在。對(duì)斷口1 進(jìn)行能譜的面掃描分析，如圖8所示，發(fā)現(xiàn)鋅元素在斷口表面分布均勻。這證明了斷口1 的裂紋在直角掛板加工成型之后，熱鍍鋅工藝之前已經(jīng)存在，為原始裂紋，進(jìn)行熱鍍鋅時(shí)鋅元素滲透到了裂紋中［7］。另外斷口的元素成分較為復(fù)雜，Si、S等其他元素可能是來自環(huán)境污染物。

圖6 能譜分析取樣位置

圖7 斷口的能譜分析譜圖

圖8 斷口1的面掃描結(jié)果

表1 斷口的能譜分析結(jié)果 單位：%

2.4 金相分析

為了進(jìn)一步探究原始裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)斷裂直角掛板和同批次另一掛板分別取樣進(jìn)行金相組織分析。對(duì)樣品進(jìn)行機(jī)械拋光后，使用4%硝酸酒精溶液侵蝕，用Axio Vert A1金相顯微鏡進(jìn)行觀察。

斷裂直角掛板的母材組織如圖9 所示，為等軸狀鐵素體和沿晶界分布的網(wǎng)狀滲碳體。斷裂直角掛板的U 型彎處的金相組織如圖10 所示，為變形的鐵素體和網(wǎng)狀滲碳體，金相組織在加工時(shí)被彎曲拉長(zhǎng)，符合加工工藝特征。掛板U 彎內(nèi)弧面?zhèn)鹊慕鹣嘟M織如圖11 所示，最外為鍍鋅層，厚度約21 μm，與鍍鋅層相鄰的是受到熱鍍鋅工藝影響的晶粒長(zhǎng)大層，此部分區(qū)域厚度約100 μm，內(nèi)側(cè)是鐵素體和沿晶界分布的網(wǎng)狀滲碳體。

圖9 斷裂直角掛板的母材

圖10 斷裂直角掛板U彎處

圖11 斷裂直角掛板U彎內(nèi)弧面

斷口橫截面的金相組織如圖12 所示，為鐵素體和沿晶界分布的網(wǎng)狀滲碳體，可以觀察到二次裂紋和破碎的晶粒，斷裂面是沿著晶界的表面發(fā)展，具有沿晶斷裂的特征。

圖12 斷口橫截面

作為對(duì)比，另取一同批次完好直角掛板進(jìn)行觀察，如圖13 所示，其金相組織為等軸狀鐵素體和珠光體，與斷裂掛板金相組織不同，表明斷裂掛板的板材組織存在異常。與圖9 相比，其金相組織和晶粒大小都存在差異，鋼材熱處理時(shí)的溫度、保溫時(shí)間和降溫速度都會(huì)對(duì)晶粒大小產(chǎn)生影響。

圖13 同批次直角掛板金相組織

2.5 常溫機(jī)械性能拉伸檢測(cè)

取同批次完好直角掛板3 件，加載到標(biāo)稱破壞載荷，保持60 s，然后加載到標(biāo)稱破壞載荷的1.2 倍，未斷裂，破壞荷重符合技術(shù)參數(shù)要求。

3 分析與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)宏觀檢查、斷口的掃描電鏡微觀形貌和能譜檢測(cè)等結(jié)果進(jìn)行分析，該直角掛板斷口1 的斷裂發(fā)生在U 型彎起彎處，由外弧面沿30°～40°角度向內(nèi)發(fā)展，發(fā)展到板厚的2/5左右沿板厚方向垂直向內(nèi)發(fā)展，斷口表面覆蓋著難以清除的黑褐色鐵銹；對(duì)該斷口進(jìn)行能譜分析時(shí)，在取樣兩點(diǎn)和進(jìn)行面掃描分析均檢測(cè)出鋅元素的存在，表明在加工成型后已經(jīng)存在此裂紋，在表面熱浸鍍鋅處理時(shí)滲進(jìn)鋅元素。斷口2 的裂紋由內(nèi)弧面向外發(fā)展，表面黃鐵銹可以清除，斷口呈金屬光澤，且對(duì)該斷口進(jìn)行能譜分析時(shí)未檢出鋅元素，該斷口應(yīng)為斷口1 失效斷裂后，受力過載造成的二次斷裂。綜上可以得出，該直角掛板斷口1 為起始裂紋斷口，且原始裂紋在加工成型后，表面熱浸鍍鋅處理進(jìn)行之前已經(jīng)存在。

通過金相檢測(cè)進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，送樣斷裂直角掛板的金相組織與隨機(jī)抽樣完好直角掛板不同，送樣斷裂直角掛板的板材存在明顯異常。完好掛板母材金相組織為等軸狀鐵素體和珠光體，而斷裂掛板母材金相組織為等軸狀鐵素體和沿晶界分布的網(wǎng)狀滲碳體。滲碳體會(huì)導(dǎo)致材料的晶界脆化，在外力的作用下形成應(yīng)力集中，硬而脆的滲碳體破碎產(chǎn)生微裂紋，并使裂紋沿晶界擴(kuò)展，最終造成試樣沿晶界斷裂［9-10］。這與掃描電鏡微觀形貌檢測(cè)中得到的結(jié)果，斷口具有冰糖狀的沿晶斷裂形貌相吻合。故掛板母材中網(wǎng)狀滲碳體的存在應(yīng)該是導(dǎo)致該掛板發(fā)生斷裂的根本原因。

3.2 滲碳體對(duì)鋼材的影響

3.2.1 鏈狀滲碳體的影響

在低碳鋼中，受到外力時(shí)塑性變形主要發(fā)生在鐵素體中，而滲碳體在受沖壓外力作用時(shí)幾乎不發(fā)生形變。鐵素體為鋼中的軟韌相，硬度低，伸長(zhǎng)率好，在沖壓時(shí)很容易產(chǎn)生塑性變形；而滲碳體硬度高，為脆而硬的相，變形能力差，在基體中起阻礙變形的作用［11］。從金屬學(xué)理論得知，金屬的塑性變形主要是通過滑移進(jìn)行的，而滑移是靠位錯(cuò)在滑移面上的運(yùn)動(dòng)來發(fā)生的，因此，當(dāng)鐵素體的變形受到滲碳體的阻礙時(shí)，位錯(cuò)在滑移面的障礙前塞積起來，造成高度應(yīng)力集中［12］。當(dāng)滲碳體呈鏈狀分布時(shí)，就形成了鐵素體中位錯(cuò)滑移的阻礙，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，發(fā)生斷裂。

3.2.2 網(wǎng)狀滲碳體的影響

當(dāng)滲碳體沿晶界分布構(gòu)成連續(xù)或近于連續(xù)的網(wǎng)狀時(shí)，鐵素體的變形受滲碳體的限制，當(dāng)應(yīng)力集中到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)在晶界處產(chǎn)生裂紋，這是導(dǎo)致彎曲開裂甚至斷裂的原因之一。從金屬學(xué)理論的角度來講，在晶粒的晶界上存在著較多空位、位錯(cuò)等缺陷，點(diǎn)陣畸變大，存在晶界能高，并且具有原子排列的不規(guī)則性，對(duì)金屬材料的塑性變形起阻礙作用［12］。當(dāng)滲碳體沿晶界分布呈網(wǎng)狀時(shí)，其本身具有的阻礙作用與晶界的阻礙作用相疊加，在受外力作用時(shí)，位錯(cuò)就會(huì)在這個(gè)滑移面的障礙前堆積起來，運(yùn)動(dòng)受阻而產(chǎn)生高度應(yīng)力集中，使?jié)B碳體沿界面發(fā)生分離，在周圍逐漸形成顯微空洞，隨著變形量的增加，應(yīng)力也會(huì)隨之增加，這些顯微空洞不斷長(zhǎng)大、連接形成顯微裂紋，當(dāng)冷彎形變量達(dá)到一定的程度后，顯微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展成微裂紋、裂紋、裂縫甚至發(fā)生斷裂。因此網(wǎng)狀滲碳體的危害要高于鏈狀滲碳體，會(huì)使得材料在受力發(fā)生變形時(shí)更易開裂［12-14］。

綜上可知，當(dāng)滲碳體以分散的狀態(tài)在鋼中存在時(shí)，對(duì)鋼的塑性幾乎沒有影響；當(dāng)滲碳體在晶界表面聚集，連接成鏈狀甚至網(wǎng)狀包圍著鐵素體晶粒時(shí)，鋼的塑性下降，在外力作用下產(chǎn)生裂紋最終導(dǎo)致斷裂失效的發(fā)生。為了避免此種情況的發(fā)生，應(yīng)從問題產(chǎn)生的源頭，鋼材生產(chǎn)加工工藝進(jìn)行分析。

鋼材在退火或者正火時(shí)，由于加熱溫度過高或者冷卻速度過分緩慢會(huì)造成先共析相沿奧氏體晶界析出，亞共析鋼中的先共析鐵素體或過共析鋼中的二次滲碳體析出后形成網(wǎng)狀組織［15］。所以熱處理時(shí)溫度不能太高，冷卻速度不能過緩。在進(jìn)行淬火時(shí)，亞共析鋼中的網(wǎng)狀組織會(huì)自行消除，而過共析鋼中的網(wǎng)狀組織則必須進(jìn)行一次正火處理，才能使網(wǎng)狀的二次滲碳體溶入奧氏體當(dāng)中。網(wǎng)狀碳化物出現(xiàn)后，一般采用退火后提高淬火溫度重新處理。在實(shí)際的生產(chǎn)中，應(yīng)選擇合適的熱處理和降溫速度，避免網(wǎng)狀滲碳體的產(chǎn)生［15-18］。

與之相似的，鋼中夾雜物的存在也是導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋乃至失效的重要因素。當(dāng)鋼板發(fā)生塑性變形時(shí)，基體首先變形，晶粒中的位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)，而夾雜物的存在，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)夾雜物與鋼的基體在物理性質(zhì)和變形能力方面存在較大差異，夾雜物使鋼基體的均勻連續(xù)性受到破壞。在加工過程中，若鋼產(chǎn)生塑性變形，夾雜物不發(fā)生變形，那么在兩者交界處便會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋便成為零件在使用過程中引起失效斷裂的隱患［6，13］。所以在生產(chǎn)中應(yīng)該提高鋼材的純凈度，避免夾雜物的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

所分析斷裂直角掛板的板材金相組織異常，組織中存在網(wǎng)狀滲碳體。掛板中的鐵素體在軋制過程中被碾成細(xì)條狀，且與鋼板表面平行分布，塑性差的網(wǎng)狀滲碳體在軋制過程中幾乎不發(fā)生形變。網(wǎng)狀滲碳體的存在，破壞了板材內(nèi)部基體的連續(xù)性。在外力作用下，韌性好的鐵素體首先變形，晶粒中位錯(cuò)的堆積導(dǎo)致網(wǎng)狀滲碳體處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其沿晶界表面發(fā)生分離，在周圍逐漸形成顯微空洞，隨著冷彎變形量的增加，應(yīng)力也會(huì)隨之增加，這些顯微空洞不斷長(zhǎng)大、連接最終形成了顯微裂紋，當(dāng)冷彎形變量達(dá)到一定的程度后，顯微裂紋進(jìn)一步生長(zhǎng)成裂紋。故原始缺陷在加工成型時(shí)受到應(yīng)力作用逐步發(fā)展成裂紋，并且在直角掛板進(jìn)行表面熱浸鍍鋅處理時(shí)，鋅元素滲入到裂紋內(nèi)部。該直角掛板在安裝到線路上后，受到外部拉應(yīng)力的作用，裂紋繼續(xù)發(fā)展至斷裂發(fā)生。

同批次的直角掛板送樣檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常，該直角掛板的斷裂具有偶然性，暴露了生產(chǎn)廠家對(duì)于金具的生產(chǎn)質(zhì)量管控存在漏洞。本次失效事故發(fā)生的主要原因在于板材出現(xiàn)問題，冷沖壓板材多為低碳鋼和低碳合金鋼，一般在原材料狀態(tài)下使用。由于廠家對(duì)原材料的熱處理狀態(tài)和顯微組織的要求不夠嚴(yán)格，導(dǎo)致在生產(chǎn)中，出現(xiàn)因板材中存在著較多沿晶界分布的網(wǎng)狀滲碳體或呈鏈狀分布的滲碳體，而造成的沖壓失效。為保證沖壓件的成材率，應(yīng)對(duì)用于沖壓鋼板的原材料組織狀態(tài)提出明確的要求。同時(shí)要避免材料的金相組織中夾雜物超標(biāo)等缺陷問題。生產(chǎn)廠家應(yīng)加大對(duì)原材料的抽檢力度，保證金具制造使用的板材質(zhì)量符合要求，力求從源頭上避免此類質(zhì)量問題的發(fā)生。

同時(shí)，供電公司應(yīng)加大對(duì)該線路同批次金具的巡檢。在安裝前，建議對(duì)金具進(jìn)行宏觀檢測(cè)或磁粉無損探傷檢驗(yàn)，確認(rèn)其是否存在原始裂紋，防止由于金具斷裂而引發(fā)線路故障。電網(wǎng)公司應(yīng)提高對(duì)線路金具質(zhì)量的重視程度，對(duì)供貨商實(shí)行嚴(yán)格的電網(wǎng)設(shè)備準(zhǔn)入制度，加強(qiáng)金屬監(jiān)督檢查項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的執(zhí)行，同時(shí)重視產(chǎn)品入網(wǎng)前的檢驗(yàn)，將質(zhì)量把控關(guān)口前移，確保入網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量過關(guān)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。