輸電線路耐張線夾鋁管斷裂原因分析

荊象陽，高明德，李曉宇，楊東旭，尚國強

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003）

0 引言

耐張線夾是輸電線路的重要金具之一，用于將導線或避雷線固定在非直線桿塔的耐張絕緣子串上，起錨固作用，亦可用于固定拉線桿塔的拉線，其可靠性是影響電網長期安全穩定運行的重要因素之一。隨著電網的迅猛發展，電壓等級升高，對輸電線路耐張線夾的性能要求也在不斷提高。由于電網基礎建設過程中線夾監督檢驗量較大、檢驗手段相對欠缺，部分已安裝的輸電線路線夾在不同運行條件下會發生不同情況的組織老化、內部腐蝕及性能劣化，嚴重時將導致耐張線夾斷裂失效，從而影響電網的安全穩定運行。耐張線夾損壞的常見原因有：制造加工質量存在問題［1-2］，壓接質量差［3-4］以及耐張線夾發熱［5-6］等。雖然，疲勞和材質缺陷造成的耐張線夾失效事件時有發生，但耐張線夾鋁管內鋼芯斷裂失效事件發生較少，也缺乏相關分析。針對一起耐張線夾鋁管斷裂失效事件進行分析，并提出了合理可行的解決措施。

1 耐張線夾鋁管斷裂事件描述

某500 kV 線路于2002 年底投入運行，2019 年綜合性檢修全線排查時發現29 號塔中相小號側2號子導線耐張線夾鋁管（以下稱為1 號耐張線夾鋁管）和96 號塔中相大號側4 號子導線耐張線夾鋁管（以下稱為2 號耐張線夾鋁管）斷裂，耐張線夾型號均為NY-400／35（B），材質為6063 鋁合金，化學成分如表1 所示。耐張線夾鋁管的彎頭采用冷彎工藝彎制，并在外弧側制孔后穿鋼錨。2 個耐張線夾所處環境均為山風口，斷裂形貌基本相同，如圖1 所示。

表1 6063 鋁合金的化學成分

圖1 耐張線夾鋁管斷裂部位

2 原因分析

2.1 宏觀檢查

1 號和2 號耐張線夾鋁管的斷口均為脆性斷口，無明顯塑性變形，耐張線夾外弧側制孔表面加工粗糙，有多處加工刀痕和擠壓磨損的痕跡，如圖2 所示。加工刀痕形成于制造階段，擠壓磨損的痕跡則是在外弧側制孔穿鋼錨時操作不當造成的。在冷彎過程中，由于擠壓變形，耐張線夾鋁管的內弧區域內布滿了類似于龜裂的大量褶皺，沿軸線成對稱分布，經切割打磨發現，該褶皺并未擴展為裂紋。斷口并未完全斷開，斷開部分主要在中、右側，約占整個連接面的3／4，如圖3 所示。圖4 為1 號耐張線夾斷口照片，可以看出斷口最右側近制孔表面處存在一個尖角，肉眼可見以該尖角為放射源點的放射狀條紋，初步可判斷該尖角即為裂紋源。耐張線夾鋁管的斷口大致垂直于軸向，可將斷口劃分為3 個區：疲勞源區、疲勞擴展區、未斷區。疲勞源區位于外弧側制孔表面，疲勞擴展區內可見由右向左凸的貝殼狀條紋及臺階樣貌。

圖2 耐張線夾鋁管表面形貌

圖3 檢修時鋁管斷裂部位

圖4 1 號耐張線夾鋁管斷口

據此可初步推斷，疲勞裂紋發源于外弧右側制孔表面，沿與軸向垂直的方向中間、左側擴展，裂紋擴展面基本與軸向垂直，至檢修發現時仍余下左側約1／4 的連接部分未斷裂。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

利用掃描電鏡對1 號斷口進行分析，從斷口的微觀形貌可以清楚地看到，宏觀檢測中所看到的尖角區域為疲勞源區，疲勞裂紋從位于外弧右側制孔表面的裂紋源沿著內弧呈放射狀向左擴展，放射狀條紋之間形成臺階，如圖5 所示。隨著疲勞擴展的持續進行，可以觀察到相鄰兩道放射狀條紋之間形成一個解理臺階，如圖6 所示。每個解理臺階內均可見貝殼狀的同心平行弧線，即疲勞條紋，疲勞條紋線與放射條紋線相互垂直，疲勞條紋間距較為均勻，從右向左擴展，如圖7 所示。經放大倍數觀察，可見條紋與條紋之間分布著較多的黑色圓點，如圖8 所示，對疲勞條紋微區內的元素進行能譜分析，主要元素為Al、Si、Fe、S，可以確定黑色圓點為Si、S 等非金屬夾雜或其金屬化合物夾雜，如圖9 所示。

圖5 疲勞源區到疲勞擴展區的放射狀條紋

圖6 放射狀條紋之間的解理臺階

微觀檢測的結果與宏觀檢測的結果相一致，進一步證實了該耐張線夾鋁管的斷裂性質為典型的脆性疲勞斷裂。

圖7 解理臺階內的疲勞條紋

圖8 分布在疲勞條紋之間的Si、S 等非金屬夾雜物或其金屬化合物夾雜（圖中黑色圓點）

圖9 疲勞條紋微區的能譜分析結果

2.3 金相分析

對1 號和2 號耐張耐張線夾鋁管進行金相分析，如圖10 和圖11 所示。發現金相組織中有較多點狀非金屬夾雜物或Si、S 等元素的金屬化合物夾雜，除此之外無裂紋、氣孔等異常組織，該結果與掃描電鏡及能譜分析的結果一致。

圖10 1 號耐張耐張線夾鋁管金相組織

圖11 2 號耐張耐張線夾鋁管金相組織

通過宏觀、微觀形貌、能譜、金相等項目的檢測，可以確定耐張線夾鋁管斷裂性質為典型的脆性疲勞斷裂。在金相檢測和微觀形貌檢測中，雖然都發現了黑點狀的Si、P 等非金屬夾雜或其金屬化合物夾雜，但這些夾雜并未形成疲勞源。

耐張線夾鋁管斷裂的原因及大致過程為：疲勞裂紋源產生于耐張線夾外弧右側的制孔表面，沿與軸向垂直的截面向中間、左側擴展，外弧制孔表面粗糙，有多處加工刀痕，冷彎過程中，此處變形量最大，易產生較大的應力集中，加工刀痕、磨損痕跡等都可能成為疲勞源。耐張線夾所處環境為山風口，在遇到風時，引流板所連接的弓子線將發生擺動，產生對耐張線夾鋁管的交變載荷。由于結構上的應力集中，疲勞裂紋首先在耐張線夾鋁管的制孔表面的缺陷處形成。在交變應力作用下不斷擴展，部件有效截面積不斷減小，單位面積上承載的應力進一步加大，疲勞擴展加速，當剩余鋁管截面不足以承受交變載荷作用時將會產生瞬間斷裂。

3 解決措施

耐張線夾鋁管斷裂的主要原因為制孔表面處存在加工缺陷，該缺陷在交變載荷的持續作用下不斷擴展，最終發生疲勞斷裂。疲勞耐張線夾鋁管的疲勞斷裂隱蔽性較強，若未能提早在檢修中發現，將導致耐張線夾鋁管的完全斷裂，極易造成停電事故。因此，為了更好地防止耐張線夾鋁管的斷裂事故的發生，提出如下建議措施：

1）耐張線夾應在安裝前進行嚴格的外觀質量檢驗，尤其應注意對內、外弧側制孔表面處的檢測；

2）對處于山風口的老舊輸電線路耐張線夾，建議采用無人機等手段加強巡視力度，采用紅外熱成像儀對其進行定期監測。

4 結語

對某綜合性檢修中發現的2 個斷裂耐張線夾鋁管的斷裂原因進行分析，研究方法包括：對耐張線夾鋁管的宏觀檢查；采用掃描電鏡對耐張線夾鋁管斷口進行斷面形貌分析及微區元素能譜分析；在斷口附近截取適當尺寸的金相試樣，經過磨制、拋光、浸蝕后放置于光學金相顯微鏡下對其進行金相觀察與分析。發現耐張線夾鋁管斷裂的主要原因為制孔表面處存在加工缺陷，該缺陷在交變載荷的持續作用下不斷擴展，最終發生疲勞斷裂。對此，提出了安裝前質量檢驗和運行中定期巡檢的對策。所提分析方法和解決措施可為類似事件的分析與處理提供參考。