輸電線路球頭掛環(huán)銹蝕模擬研究

張九凡

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443000）

引言

由于大氣環(huán)境的影響，特別是在沿海地區(qū)或者環(huán)境惡劣的工業(yè)區(qū)，輸電線路金具經(jīng)常產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，長期的銹蝕將導(dǎo)致輸電線路金具的機(jī)械性能和力學(xué)性能下降，而且對輸電線路的可靠性造成了一定影響[1‐3]。

球頭掛環(huán)作為輸電線路中關(guān)鍵的承力金具，一般用于架空導(dǎo)地線和桿塔懸掛點(diǎn)的連接，其可靠性對輸電線路有重要意義[4]。由于大氣環(huán)境的影響，球頭掛環(huán)往往會出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，尤其是球頭與桿端連接處以及掛環(huán)與桿端連接處[5]。

1 球頭掛環(huán)銹蝕模擬

本研究選取的球頭掛環(huán)型號為Q‐7，標(biāo)準(zhǔn)破壞荷載為70 kN，驗(yàn)算工況荷載為46.7 kN。球頭掛環(huán)Q‐7實(shí)物如圖1(a)所示，材質(zhì)為熱鍍鋅鋼。球頭掛環(huán)Q‐7的有限元模型如圖1(b)所示。采用實(shí)體單元模擬，單元尺寸按1.5mm大小進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.1 正常受力狀態(tài)

為了準(zhǔn)確模擬球頭掛環(huán)Q‐7的實(shí)際受力狀態(tài)，其所受荷載按球頭掛環(huán)與U型掛環(huán)接觸面積范圍進(jìn)行加載，數(shù)值按球頭掛環(huán)破壞荷載70 kN等效的均布荷載施加。在下端球頭與瓷瓶接觸面施加約束，限制其變形。加載及邊界條件如圖1(c)所示。在破壞荷載下，球頭掛環(huán)Q‐7最大應(yīng)力約為516 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在桿端與球頭連接部位，其次出現(xiàn)在掛環(huán)內(nèi)側(cè)兩邊、掛環(huán)下端與桿端連接處。

圖1 球頭掛環(huán)Q‐7實(shí)物、有限元模式及約束條件

相應(yīng)地，球頭掛環(huán)在破壞荷載下，以上部位的材料出現(xiàn)了少量的塑性應(yīng)變，截面局部進(jìn)入了塑性。這些部位也是球頭掛環(huán)的薄弱部位，有必要考慮以上部位發(fā)生銹蝕后構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。

1.2 銹蝕情況分析

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果，針對極限狀態(tài)下出現(xiàn)塑性應(yīng)變的部位，設(shè)置三種球頭掛環(huán)銹蝕的情況進(jìn)行分析：掛環(huán)內(nèi)測兩邊發(fā)生銹蝕；掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕；桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕。銹蝕部分采用殺死銹蝕單元的方式進(jìn)行移除。銹蝕深度最大約為1.5 mm。

1.2.1 掛環(huán)內(nèi)側(cè)兩邊發(fā)生銹蝕

圖2銹蝕前后的應(yīng)力圖和塑性應(yīng)變。銹蝕發(fā)生后，構(gòu)件軸向變形最大約為2.274 mm（銹蝕前約為2.146 mm）。

圖2 掛環(huán)內(nèi)側(cè)兩邊

1.2.2 掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕

圖3為掛環(huán)下端與桿端連接處銹蝕前后的應(yīng)力、應(yīng)變情況。銹蝕發(fā)生后，構(gòu)件軸向變形最大約為2.24 mm（銹蝕前約為2.146 mm）。

圖3 掛環(huán)下端與桿端連接處

1.2.3 桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕

圖4為桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕的局部應(yīng)力、應(yīng)變情況。銹蝕發(fā)生后，構(gòu)件軸向變形最大約為2.198 mm（銹蝕前約為2.146 mm）。

圖4 桿端與球頭連接部位

以上三種銹蝕情況中，掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕影響最為明顯，桿端與球頭連接部位發(fā)生銹蝕影響相對較小。

2 結(jié)論

（1）球頭掛環(huán)應(yīng)力集中部位一般為截面尺寸處。一旦這些部位發(fā)生銹蝕，對球頭掛環(huán)破壞荷載的降低有非常明顯的影響。

（2）掛環(huán)下端與桿端連接處發(fā)生銹蝕對球頭掛環(huán)的影響最顯著，球頭與桿端連接部位發(fā)生銹蝕對球頭掛環(huán)影響較小。

（3）考慮到金具的安全系數(shù)（最大使用荷載情況不應(yīng)小于2.5，斷線、斷聯(lián)、驗(yàn)算情況不應(yīng)小于1.5），實(shí)際金具受到的荷載約為破壞荷載的40%～66%。分別按破壞荷載和驗(yàn)算工況計(jì)算，后者構(gòu)件絕大部分單元處于彈性狀態(tài)，發(fā)生銹蝕后進(jìn)入塑性程度有限。

（4）根據(jù)金具的一般尺寸，發(fā)生深度為1 mm以內(nèi)的銹蝕，金具的強(qiáng)度降低不超過20%，構(gòu)件變形增加有限，對金具構(gòu)件的安全運(yùn)行影響不明顯。因此，在日常巡檢中，應(yīng)注意實(shí)際金具銹蝕的范圍和殘余剖面面積不超過相關(guān)要求，以免影響金具正常使用。