輸電線路用U型環(huán)失效分析及預(yù)防

孫賀斌，周治伊，呂巖婷

(1.甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

受西北地區(qū)風(fēng)沙大、氣候多變等自然環(huán)境的影響，輸電線路的工作環(huán)境相對(duì)比較惡劣，連接金具的失效會(huì)給輸電線路造成較大的安全隱患；同時(shí)連接金具的更換困難，會(huì)造成大量的人力和財(cái)力的浪費(fèi)，因此對(duì)輸電線路連接金具的失效分析顯得至關(guān)重要。

下面借助一起U 型環(huán)斷裂事故分析案例，通過(guò)各種檢測(cè)方法，總結(jié)并整理了U 型環(huán)斷裂失效預(yù)防措施，為西北地區(qū)輸電線路安全運(yùn)行提供參考。

1 事故概況

某線路改造施工過(guò)程中，施工人員在新3 號(hào)塔下相導(dǎo)線緊線時(shí)發(fā)現(xiàn)1 只U 型環(huán)斷裂，見(jiàn)圖1。工作負(fù)責(zé)人發(fā)現(xiàn)這一情況后立即通知施工單位停工。隨后對(duì)某生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的型號(hào)為U-0770 的U 型環(huán)進(jìn)行了拉力試驗(yàn)，在拉力達(dá)到5 t 時(shí)，發(fā)現(xiàn)該型號(hào)U 型環(huán)出現(xiàn)裂縫并出現(xiàn)穿心螺栓彎曲現(xiàn)象。據(jù)核實(shí)，該U 型環(huán)原材質(zhì)為Q235，φ16 mm 圓棒，經(jīng)鍛造后熱彎成型。

圖1 已斷裂失效U 型環(huán)

2 試驗(yàn)檢測(cè)

2.1 取樣部位說(shuō)明

本次分析共收到已斷裂U 型環(huán)1 個(gè)(為下相、下子線、調(diào)節(jié)板連接處)，已開(kāi)裂U 型環(huán)1 個(gè)(5 t拉力試驗(yàn))，完好U 型環(huán)4 個(gè)。化學(xué)成分分析、斷口分析、金相檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)試樣編號(hào)及取樣部位見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目及取樣部位對(duì)照表

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)編號(hào)HF-1 已斷裂U 型環(huán)、編號(hào)HF-3 開(kāi)裂U 型環(huán)及編號(hào)HF-5 完好U 型環(huán)進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

由表2 看出，編號(hào)HF-1，3，5 的U 型環(huán)的化學(xué)成分符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 磁粉檢測(cè)

對(duì)試樣編號(hào)WS-4，WS-5，WS-6，WS-7完好U 型90°內(nèi)弧度處進(jìn)行磁粉檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 磁粉檢測(cè)

檢測(cè)結(jié)果表面編號(hào)WS-5，WS-6，WS-7 完好U 型環(huán)試樣在90°內(nèi)弧度處存在原始表面缺陷，不符合GB/T 2314—2016《電力金具通用技術(shù)條件》相關(guān)要求。

2.4 顯微組織分析

對(duì)編號(hào)HF-3 試樣主要裂紋附近區(qū)域進(jìn)行金相檢驗(yàn)，試樣表面與裂紋周邊存在同樣的珠光體及鐵素體組織，無(wú)局部魏氏體組織，另外珠光體帶狀組織并不十分嚴(yán)重，且裂紋的走向與珠光體的條帶大致呈垂直關(guān)系，裂紋穿晶內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋源周邊存在細(xì)微的小裂紋，呈典型的穿晶斷裂特征，如圖2 所示。

圖2 裂紋尖端(100×)

2.5 斷口分析

借助影像測(cè)量?jī)x，從宏觀斷口形貌可見(jiàn)，該U型環(huán)存在開(kāi)口型環(huán)向折疊缺陷，斷口存在一次斷裂區(qū)及二次斷裂區(qū)，一次斷裂區(qū)起源位于90°內(nèi)弧部位近表面1.404～1.568 mm 之間，表面存在紅褐色的腐蝕產(chǎn)物并存在鋅液滲入痕跡；二次斷裂區(qū)潔凈且平齊，無(wú)明顯塑性變形，斷口表面呈結(jié)晶顆粒狀。

3 失效原因及預(yù)防措施

由以上檢驗(yàn)結(jié)果表明，由于彎制過(guò)程中90°內(nèi)弧部位產(chǎn)生表面缺陷，導(dǎo)致U 型環(huán)受力承載面積變小并產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著原始缺陷的深度增加，應(yīng)力集中系數(shù)從1.0 增加至4.0。有效承載面積的變小、應(yīng)力集中系數(shù)的增加造成U 型環(huán)承載能力可能最大下降至設(shè)計(jì)值的四分之一。結(jié)合U 型環(huán)運(yùn)行環(huán)境等因素綜合分析，失效主要原因?yàn)樵O(shè)計(jì)、制造把控不嚴(yán)，檢驗(yàn)不到位等因素。為避免U 型環(huán)失效，可采取以下措施進(jìn)行預(yù)防控制[1-3]。

(1) 對(duì)U 型環(huán)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，避免存在90°內(nèi)弧及其他部位由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生原始裂紋的U型環(huán)進(jìn)入安裝工序

(2) 由于U型環(huán)大部分材質(zhì)為Q235，耐磨性差，考慮西北地區(qū)風(fēng)沙大、氣候多變等特點(diǎn)，可采用耐磨性較好的45Mn2 或35CrMo[4]。

(3) U 型環(huán)表面一般為鍍鋅層，而鍍鋅層的抗腐蝕性、耐磨性較弱，可通過(guò)噴涂耐磨性高的高碳鋼、鍍鋁或鋁鋅合金進(jìn)行表面強(qiáng)化等來(lái)改善連接金具的耐磨性和耐腐蝕性。

(4) 改變接觸方式，增大接觸面積，從而降低局部應(yīng)力集中。如用直接掛板替代U 型環(huán)[5-6]。

(5) 縮短對(duì)在役U 型環(huán)的檢查周期及增加檢查頻率。

4 結(jié)論

針對(duì)這起U 型環(huán)斷裂事故，總結(jié)了幾種預(yù)防U 型環(huán)斷裂失效的措施，為U 型環(huán)設(shè)計(jì)提供參考，也為電網(wǎng)在役U型環(huán)連接金具運(yùn)行、檢查提供參考。