鋼芯鋁絞線接續(xù)管風(fēng)振疲勞響應(yīng)試驗(yàn)研究

李冠群，鄭 宇，張金波，高 峰，趙洪丹，朱皓然，尚殿波，王金山

(國(guó)網(wǎng)遼源供電公司，吉林 遼源 136200)

接續(xù)管在使用時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱、腐蝕、磨損等現(xiàn)象，輸電線路會(huì)因?yàn)榻永m(xù)損傷發(fā)生倒塔、斷線等事故，如貴州省荷鴨II回線、野水線均發(fā)現(xiàn)接續(xù)管接續(xù)處受微風(fēng)振動(dòng)的影響出現(xiàn)裂紋損傷，山西7回500 kV輸電線路出現(xiàn)了因應(yīng)力集中引起的接續(xù)管斷裂[1-2].輸電線路中多采用材料特殊的鋼芯鋁絞線，而液壓接續(xù)后的鋼芯鋁絞線，因?yàn)椴牧习l(fā)生不同的塑性形變而導(dǎo)致其易出現(xiàn)疲勞源[3-4]，造成接續(xù)管服役壽命大大降低，容易在下一步的運(yùn)行過程中出現(xiàn)事故[5-6].國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于輸電線疲勞損傷研究較少[7]，并且其研究?jī)?nèi)容大多圍繞輸電線，忽略了對(duì)連接金具、輸電線接續(xù)脆弱性的研究.且學(xué)者們認(rèn)為輸電線的疲勞損傷是復(fù)雜損傷狀態(tài)[8-9]，其受力狀態(tài)為復(fù)合應(yīng)力狀態(tài).文獻(xiàn)[10]對(duì)復(fù)合交變應(yīng)力狀態(tài)下輸電線疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了研究，并通過Waller安全邊界曲線及Mises準(zhǔn)則，總結(jié)得到估算疲勞壽命的方法.文獻(xiàn)[11]通過對(duì)導(dǎo)線在微風(fēng)振動(dòng)作用下的疲勞壽命的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得出導(dǎo)線在不同環(huán)境下的損傷特性.文獻(xiàn)[12]通過對(duì)導(dǎo)線的振幅進(jìn)行試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上得到一種計(jì)算輸電線振動(dòng)量級(jí)的方法.文獻(xiàn)[13]以輸電線疲勞損傷機(jī)理為基礎(chǔ)，提出了輸電線路的疲勞損傷的防護(hù)措施.綜上學(xué)者對(duì)微風(fēng)振動(dòng)條件下導(dǎo)線的疲勞損傷進(jìn)行了研究[14]，然而對(duì)疲勞壽命的一切研究?jī)H注重線夾的出口端，而忽略了接續(xù)管的影響.而事實(shí)證明無繼續(xù)點(diǎn)檔距的疲勞壽命其實(shí)遠(yuǎn)大于含有接續(xù)點(diǎn)的檔距，所以對(duì)接續(xù)管和管口導(dǎo)線的疲勞損傷進(jìn)行試驗(yàn)研究是十分必要的[15].因此本文進(jìn)行鋼芯鋁絞線接續(xù)管風(fēng)振疲勞試驗(yàn)，研究鋼芯鋁絞線接續(xù)管微風(fēng)振動(dòng)作用下的疲勞壽命[16].

1 試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)方法

以LGJ-240/30鋼芯鋁絞線和YJD-240/30鋼芯鋁絞線接續(xù)管為試驗(yàn)對(duì)象，總長(zhǎng)50 m，主要由固定裝置，傳感器、懸垂線夾、鋼芯鋁絞線、張力機(jī)組成，試驗(yàn)布置圖及現(xiàn)場(chǎng)圖分別如圖1和圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)壓接圖如圖3所示.

圖3 接續(xù)管現(xiàn)場(chǎng)壓接圖

試驗(yàn)過程為首先要遵循《架空輸電線路導(dǎo)線及避雷線液壓施工工藝規(guī)程》使用液壓裝置對(duì)兩段鋼芯鋁絞線進(jìn)行壓接[17]，接著在已架設(shè)壓接好的鋼芯鋁絞線一端施加25%的導(dǎo)線額定拉斷力，再將應(yīng)變片粘貼在接續(xù)管及管口絞線處，粘貼應(yīng)變儀再接好計(jì)算機(jī)以便收取結(jié)果.為使得輸電線疲勞振動(dòng)，通過高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)所連接的鋼芯鋁絞線的中心區(qū)域輸入振動(dòng)波[18].其接續(xù)管管體及管口絞線應(yīng)變的吸收頻率為每一百萬(wàn)次收取一次[19]，每500萬(wàn)次收集接續(xù)管及管口絞線損傷情況整理數(shù)據(jù)，并且為更好的觀察并記錄裂紋情況應(yīng)使用SEM電鏡對(duì)接續(xù)管管口及管體絞線進(jìn)行掃描[20].本次試驗(yàn)采取的加載方式為直接在輸電線上施加振動(dòng)荷載[21].

2 25%額定拉斷力下的鋼芯鋁絞線接續(xù)管疲勞響應(yīng)

2.1 鋼芯鋁絞線振動(dòng)響應(yīng)

在不安裝任何防振措施下，接續(xù)管在特定的載荷譜下的振動(dòng)響應(yīng)，改變?cè)囼?yàn)張力得出鋼芯鋁絞線接續(xù)管振動(dòng)規(guī)律，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)施加振幅時(shí)譜如圖4所示.

整個(gè)試驗(yàn)段在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)輸出載荷后振動(dòng)，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在采集線夾口處所輸出的加速度，如圖5所示.所輸出的加速度每秒為一個(gè)由先大再小的變化趨勢(shì)的波動(dòng)載荷循環(huán)，并且其最大加速度為0.53 m/s2.

在循環(huán)載荷下線夾出口處與鋼芯鋁絞線接續(xù)管處的振幅在采集完畢后，其采集結(jié)果表明兩處的振動(dòng)軌跡以及最大振幅相似.試驗(yàn)采集振幅值如圖6所示.

在25%額定拉斷力下，鋼芯鋁絞線接續(xù)管的振幅最大值為1.54 mm，與線夾出口處的鋼芯鋁絞線的振幅值1.36 mm較為接近.

2.2 25%額定拉斷力下的鋼芯鋁絞線接續(xù)管疲勞應(yīng)變分析

在設(shè)定鋼芯鋁絞線25%額定拉斷力為終端張力下，每振動(dòng)500萬(wàn)次采集一次接續(xù)管及管口絞線在疲勞試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)下的應(yīng)變值，直至接續(xù)管管口出現(xiàn)明顯斷裂，在試驗(yàn)結(jié)束后，分析接續(xù)管及管口絞線的應(yīng)變變化情況.

結(jié)構(gòu)振動(dòng)次數(shù)為500萬(wàn)次時(shí)，接續(xù)管及管口絞線在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)應(yīng)變情況如圖7所示.接續(xù)管管體應(yīng)變范圍為256.36 με～389.23 με，有效應(yīng)變值為305.32 με，接續(xù)管管口絞線應(yīng)變的范圍為458.28 με～636.25 με，有效應(yīng)變值502.54 με，管口絞線與管體應(yīng)變之間倍數(shù)為1.65倍.

結(jié)構(gòu)振動(dòng)次數(shù)為1 000萬(wàn)次時(shí)，接續(xù)管及管口絞線在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變情況如圖8所示.接續(xù)管及管口絞線未出現(xiàn)明顯裂紋，接續(xù)管管體應(yīng)變有效值為389.25 με，接續(xù)管管口絞線應(yīng)變有效值為703.56 με，為管體的1.81倍.

結(jié)構(gòu)振動(dòng)次數(shù)為1 500萬(wàn)次時(shí)的接續(xù)管及管口絞線應(yīng)變情況如圖9所示.盡管管口絞線出現(xiàn)了細(xì)微裂紋，接續(xù)管未出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋.接續(xù)管管體有效應(yīng)變值為413.8 με，管口的絞線應(yīng)變有效值為管體的2.16倍.

管口絞線與接續(xù)管在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行2 000萬(wàn)次振動(dòng)時(shí)的應(yīng)變情況，如圖10所示.在振動(dòng)1 500萬(wàn)次時(shí)接續(xù)管管口絞線出現(xiàn)裂紋，管口絞線的應(yīng)變有效值達(dá)到1 208.32 με，應(yīng)變振動(dòng)變化明顯快于前期且應(yīng)變值會(huì)產(chǎn)生跳躍.管口的絞線應(yīng)變有效值約為管體的2.4倍.

結(jié)構(gòu)振動(dòng)次數(shù)為振動(dòng)2 500萬(wàn)次時(shí)，接續(xù)管及管口絞線應(yīng)變情況如圖11所示，接續(xù)管管體也出現(xiàn)了明顯宏觀裂紋，管口絞線與管體應(yīng)變之間倍數(shù)為2.37倍.

結(jié)束試驗(yàn)后試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在振動(dòng)2 869萬(wàn)次時(shí)管口絞線出現(xiàn)明顯斷裂，達(dá)到2 032.14 με，接續(xù)管管體應(yīng)變有效值可達(dá)到816.24 με.

2.3 接續(xù)管表面裂紋與疲勞壽命分析

接續(xù)管管口絞線與管體在結(jié)構(gòu)振動(dòng)500萬(wàn)次時(shí)均未出現(xiàn)明顯的損傷，僅有細(xì)微的裂紋源在管口絞線表面產(chǎn)生，并且在其表面萌生出磨損，不斷的循環(huán)載荷，裂紋源將會(huì)由所萌生的磨損轉(zhuǎn)化為裂紋，從而造成損傷如圖12所示.

結(jié)構(gòu)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到1 000萬(wàn)次時(shí)，管口絞線產(chǎn)生長(zhǎng)度不足1 mm的細(xì)微裂紋，斷裂損傷隨著載荷的循環(huán)而加速，磨損在纖維區(qū)變化不明顯而在摩擦區(qū)卻較為嚴(yán)重，且裂紋處會(huì)伴有剪切唇產(chǎn)生，SEM掃面圖如圖13所示.

結(jié)構(gòu)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到1 500萬(wàn)次時(shí)，接續(xù)管管口絞線產(chǎn)生長(zhǎng)度為1 mm左右的明顯裂紋，接續(xù)管沒有明顯的損傷，并出現(xiàn)的兩個(gè)放射區(qū)，不斷的循環(huán)載荷，會(huì)有放射線在放射區(qū)產(chǎn)生，從而加速結(jié)構(gòu)的損傷并會(huì)有新的斷裂紋形成，如圖14所示.

結(jié)構(gòu)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到2 000萬(wàn)次時(shí)，接續(xù)管管口絞線產(chǎn)生長(zhǎng)度為2 mm左右的兩條肉眼可見的明顯裂紋，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了韌窩，并在放射區(qū)形成兩條明顯的放射線，裂紋沿銳角向中心擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)損傷速率會(huì)因?yàn)槠涑惺茌d荷面積的減小而加快，SEM掃面如圖15所示.

當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到2 500萬(wàn)次振動(dòng)時(shí)，裂紋區(qū)的深度加深且裂紋擴(kuò)展速度加快，裂紋長(zhǎng)度可達(dá)到8 mm，垂度上下表面單個(gè)絞線出現(xiàn)了完全斷裂，結(jié)構(gòu)具有很差的穩(wěn)定性，具有短且細(xì)的放射條紋，其斷裂韌窩大小不等，并且結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生韌性斷裂，如圖16所示.

當(dāng)達(dá)到2 869萬(wàn)次振動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本發(fā)生破壞.產(chǎn)生不規(guī)則狀的裂紋斷口，斷口邊緣出現(xiàn)細(xì)微的微孔和剪切唇，并在放射區(qū)形成了不規(guī)則的放射線，斷口中心呈現(xiàn)出纖維區(qū)，此時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生韌性破壞，并且其裂紋會(huì)擴(kuò)展到中心，如圖17所示.

3 結(jié) 論

為了對(duì)鋼芯鋁絞線接續(xù)管風(fēng)振疲勞壽命進(jìn)行研究，以LGJ-240/30鋼芯鋁絞線接續(xù)管為研究對(duì)象，進(jìn)行接續(xù)管風(fēng)振疲勞試驗(yàn)，為后續(xù)鋼芯鋁絞線接續(xù)管風(fēng)振疲勞響應(yīng)研究提供理論依據(jù)，該文主要結(jié)論如下：

(1)鋼芯鋁絞線接續(xù)管振動(dòng)疲勞響應(yīng)試驗(yàn)中，線夾出口處與接續(xù)管部分振幅及應(yīng)變具有高達(dá)80%以上的數(shù)據(jù)吻合度；

(2)接續(xù)管絞線及管體會(huì)因?yàn)檩d荷循環(huán)次數(shù)的增加而上升，管口絞線應(yīng)變由振動(dòng)500萬(wàn)次增加到2 500萬(wàn)次時(shí)，應(yīng)變有效值從468.2 με增加到了1 218.3 με，接續(xù)管管體應(yīng)變由振動(dòng)500萬(wàn)次增加到2 500萬(wàn)次時(shí)，管口絞線應(yīng)變值持續(xù)為管體的2倍～3倍；

(3)根據(jù)SEM電鏡掃描中的結(jié)果，在接續(xù)管管口絞線逐步發(fā)生斷裂時(shí)，將先后出現(xiàn)斷裂源、纖維區(qū)、剪切唇等現(xiàn)象，最終絞線的斷裂屬于韌性斷裂.