±800kV直流輸電線路耐張線夾內(nèi)鋼芯斷裂原因分析

±800kV直流輸電線路耐張線夾內(nèi)鋼芯斷裂原因分析（2、中國(guó)電建成都電力金具有限公司，四川成都，610100）摘要：針對(duì)某土800kV直流輸電線路運(yùn)行過(guò)程中耐張線夾內(nèi)導(dǎo)線鋼芯斷裂事故，通過(guò)外觀檢查、材質(zhì)成分分析、金相組織分析、掃描電鏡（SEM）、強(qiáng)度測(cè)試、壓接模擬試驗(yàn)等對(duì)事故原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明該鋼芯斷裂失效類型屬于拉伸過(guò)載斷裂；不當(dāng)?shù)膲航庸に噷?dǎo)致的鋼芯殘余有拉伸預(yù)應(yīng)力，在服役載荷和低頻交變的風(fēng)載和覆冰載荷的共同作用下，導(dǎo)致鋼芯發(fā)生斷裂。針對(duì)問(wèn)題提出相應(yīng)的預(yù)防措施，避免類似情況發(fā)生。關(guān)鍵詞：直流輸電；耐張線夾；鋼芯斷裂；預(yù)防措施0引言耐張線夾是輸電線路中常見(jiàn)的金具之一，用來(lái)將導(dǎo)線或避雷線固定在非直線桿塔的耐張絕緣子串上，對(duì)輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行起重要作用。本文針對(duì)一起耐張線夾內(nèi)導(dǎo)線鋼芯斷裂事故進(jìn)行分析，找出事故原因，提出相應(yīng)的預(yù)防措施，避免類似的事故發(fā)生。1事故概況某土800kV特高壓直流輸電工程于2018年5月投入運(yùn)營(yíng)。在2019年3月的一次定期巡檢過(guò)程中，使用便攜式X射線機(jī)檢測(cè)到某基塔大號(hào)側(cè)的四根上揚(yáng)耐張線夾的鋁管內(nèi)鋼芯發(fā)生斷裂，斷裂處均位于耐張線夾鋁管的不壓接區(qū)。事故點(diǎn)為六分裂導(dǎo)線。導(dǎo)線采用鋁包鋼芯鋁絞線JL/LB1A-720/50，導(dǎo)線外徑為①36.20mm，導(dǎo)線額定拉斷力為167kN。耐張線夾采用注脂型耐張線夾NYZ-720-50BG，為非標(biāo)金具產(chǎn)品。該耐張線夾為鋤頭型，引流板環(huán)焊在鋁管上；鋼錨為整體鍛造，材質(zhì)為Q235A,鋼芯壓接區(qū)設(shè)計(jì)外徑為622mm；鋁管為型材擠壓管，材質(zhì)為1050A，鋁管設(shè)計(jì)尺寸為660/638mm。該塔掛線點(diǎn)海拔高度為167.3m，無(wú)特殊氣象工況。2工程樣品檢驗(yàn)2.1外觀檢驗(yàn)工程樣品的鋁管無(wú)明顯扭曲、彎曲變形，表面無(wú)裂紋；鋁管出口處導(dǎo)線表面無(wú)局部受損或縮徑；引流板與鋁管焊接部位細(xì)密平整，焊接質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。2.2尺寸檢驗(yàn)2.2.1對(duì)邊尺寸檢測(cè)根據(jù)文獻(xiàn)［1］中要求，耐張線夾壓接區(qū)六邊形對(duì)邊距S的最大允許值為：S=0.866KD+0.2(1)式中：D為鋁管或鋼錨鋼管外徑；K為壓接管六邊形壓接系數(shù)，鋼芯、鍍鋅鋼絞線、720mm2及以下導(dǎo)地線壓接管的K值取0.993；720mm2以上導(dǎo)地線壓管的k值取0.997。根據(jù)耐張線夾NYZ-720/50BG尺寸設(shè)計(jì)值計(jì)算，鋁管壓接后的對(duì)邊距的最大允許尺寸為S=51.80mm，鋼錨鋼管壓接后對(duì)邊距的最大允許尺寸為S=19.12mm。工程樣品1-3#壓接后六邊形對(duì)邊尺寸測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，由測(cè)量結(jié)果可知，個(gè)別對(duì)邊尺寸存在極小超差，考慮測(cè)量誤差，壓接對(duì)邊尺寸基本合格。2.2.2壓接長(zhǎng)度尺寸檢測(cè)工程樣品1-3#壓接后鋁管長(zhǎng)度尺寸的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2,其中耐張線夾不壓區(qū)的設(shè)計(jì)尺寸為220mm，而實(shí)際工程樣品1-3#的測(cè)量尺寸為198-202mm之間。由此可以推斷，在施工過(guò)程中，環(huán)箍處實(shí)際壓接長(zhǎng)度略超過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)壓接長(zhǎng)度。表1工程樣品1-3#壓接區(qū)六邊形對(duì)邊尺寸測(cè)量結(jié)果mm由官坪瓠授區(qū)f昭跋住區(qū)櫥曲％徵1挨區(qū)_L程曲M.51.63-51.11-51.35i8.eaaftMi9.oo工倒粽盎31.59/5117^13351.OT--5L[1.51.81工超杵畋51.1^1.43/51.53092%S4,1S.^2表2工程樣品1-3#壓接后鋁管長(zhǎng)度尺寸測(cè)量結(jié)果mmnrh錯(cuò)跳壓探區(qū)If瑾接區(qū)發(fā)度貴莒不壓按度感3詢的■220倒工程樣品1#403：51%:]a4554193--.741117.4%工IPS72：工程礎(chǔ)M408,56%10130%202T'42.3解剖觀察為觀察鋼芯斷口情況并取樣，沿著耐張線夾鋁管的軸向方向剖開(kāi)鋁管，露出鋼錨、剝開(kāi)的鋼芯和鋁絞線部分。宏觀觀察解剖后的耐張線夾，觀察到以下現(xiàn)象：（1）耐張線夾內(nèi)防腐油脂未注滿空腔，不符合施工規(guī)范；（2）耐張線夾鋁管的鋁線壓接區(qū)內(nèi)壁以及絞線間隙內(nèi)有泥水，推斷可能是由于耐張線夾上揚(yáng)，雨水通過(guò)絞線間隙滲入鋁管內(nèi)；（3）鋼芯斷口位置均在耐張線夾不壓區(qū)，分別位于鋼錨出口處，鋼芯裸露區(qū)以及鋁管壓接區(qū)和不壓區(qū)交界處；（4）鋼芯斷口有明顯的頸縮現(xiàn)象，可初步判定為拉伸斷裂;（5）所有斷裂的鋼芯表面和部分鋼錨鋼管壓接區(qū)端面均觀測(cè)到有銹跡，但無(wú)嚴(yán)重的腐蝕坑。3鋼芯受力分析在本次事故中，鋼芯均在鋁管不壓區(qū)發(fā)生斷裂，但導(dǎo)線未從耐張線夾中滑出。對(duì)鋁管不壓區(qū)進(jìn)行受力分析，在此處由鋼芯和鋁管共同承擔(dān)載荷，最大可承受的理論載荷：'Mb%密秒內(nèi)弟骨X%耕6199.23kN計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的運(yùn)行載荷，甚至遠(yuǎn)大于導(dǎo)線的額定拉斷力。從理論計(jì)算中可以得出在正常受力情況下不可能出現(xiàn)鋼芯拉斷的情況，因此推測(cè)一下兩種可能性：（1）在掛線時(shí)耐張線夾內(nèi)的鋼芯已經(jīng)發(fā)生斷裂或者殘余有應(yīng)力，運(yùn)行過(guò)程中受到導(dǎo)線運(yùn)行載荷的作用后發(fā)生斷裂。但導(dǎo)線運(yùn)行時(shí)受到的載荷低于鋁絞線部分能承受的拉斷力，因此未發(fā)生導(dǎo)線從耐張線夾中抽出的事故。（2）腐蝕、局部高溫或者鋼芯本身的缺陷導(dǎo)致鋼芯的抗拉強(qiáng)度低于要求值，導(dǎo)致鋼芯拉伸過(guò)載斷裂。4鋼芯成分分析和單絲強(qiáng)度試驗(yàn)鋁包鋼芯鋁絞線JL/LB1A-720/50的鋼芯材料為72A高碳盤條，化學(xué)成分要求值見(jiàn)表4，鋼芯要求金相組織為索氏體，抗拉強(qiáng)度要求＞1273MPa。4.1化學(xué)成分分析采用光譜儀對(duì)工程樣品2#中的鋼芯的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。表3鋼芯化學(xué)成分分析CSips斐束。.餌0J5-佰0.550W>2(1.6430.240徹蓮0.005&4.2金相組織分析從工程樣品2#中斷裂鋼芯上截取樣品，觀察了橫截面與縱截面金相組織，金相分析。4.3單絲強(qiáng)度試驗(yàn)選取工程樣品1#鋁線壓接處的鋼芯單絲和新導(dǎo)線的鋼芯單絲進(jìn)行了單絲強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4。表4單絲強(qiáng)度試驗(yàn)Mpa桿^單絲強(qiáng)度平切值L稻腳蚌Y-ti.fi新物I疵.卯根據(jù)試驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)果，工程樣品的鋼芯的材料成分含碳量略偏低，但金相組織和抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼芯不會(huì)因?yàn)樘己柯云鸵饠嗔选?鋁管金相組織試驗(yàn)對(duì)工程樣品2#的鋁管進(jìn)行了金相組織試驗(yàn)，取鋼芯斷裂處的鋁管進(jìn)行金相組織分析。從鋁管金相組織照片可以看出，鋁管不同位置金相組織有較小差別，鋁管的組織是不均勻的；鋁管的金相符合材料標(biāo)準(zhǔn)的要求；未觀測(cè)到再結(jié)晶顆粒，說(shuō)明運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)局部溫度過(guò)高導(dǎo)致的材料強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。6鋼芯斷口SEM微觀形貌觀測(cè)在工程樣品2#中選取了兩根斷裂鋼芯，分別編號(hào)為1號(hào)與2號(hào)；在新導(dǎo)線單絲強(qiáng)度試驗(yàn)拉斷的單絲中選取了一根斷裂鋼芯，編號(hào)為3號(hào)。1號(hào)樣品腐蝕較輕;2號(hào)樣品斷口腐蝕較為嚴(yán)重，采用清洗劑進(jìn)行清洗。在SEM下觀察斷口形貌。1號(hào)樣品基本形貌是平坦區(qū)域和顆粒堆積區(qū)域，2號(hào)樣品基本形貌是平坦區(qū)域和一定形狀分布顆粒、微裂紋。平坦區(qū)域表明拉伸斷裂過(guò)程中材料沒(méi)有發(fā)生大的塑性變形，微觀形貌為脆性斷裂形貌。1號(hào)樣邊緣為鍍鋁層，觀察到大量韌窩狀形貌，證明鋼芯是拉伸過(guò)載斷裂，這與宏觀斷口觀察分析結(jié)果吻合。2號(hào)樣品中部區(qū)域明顯微裂紋，不能排除服役前就存在。3號(hào)樣品斷口中心區(qū)域A區(qū)與1號(hào)和2號(hào)樣品形貌略有不同，3號(hào)樣品在高倍下可見(jiàn)一些韌窩形貌，而1號(hào)和2號(hào)樣品均為平滑區(qū)域，并且可見(jiàn)微裂紋。說(shuō)明工程斷裂鋼芯雖然也屬于拉伸斷裂，但與新導(dǎo)線單絲直接拉伸斷裂略有不同。單絲拉斷試驗(yàn)過(guò)程中，一直施加拉力載荷直至斷裂；而在工程服役過(guò)程中，導(dǎo)線重力載荷始終加在鋼芯上，同時(shí)受到風(fēng)力載荷和覆冰載荷等其他隨時(shí)間變化的載荷，相當(dāng)于導(dǎo)線受到一個(gè)頻率很低的疲勞載荷，因此導(dǎo)致斷口微觀形貌有所不同。7壓接方式驗(yàn)證根據(jù)理論分析，若壓接時(shí)先壓接鋁管的環(huán)箍壓接區(qū)，之后從耐張線夾導(dǎo)線出口處（拔梢處）起壓，那么鋁管同鋁線的延伸方向向著耐張線夾的不壓區(qū)；然而鋁管和鋁線的延伸率大于鋼芯的延伸率，因此在壓接過(guò)程中鋼芯表面受到鋁線的延鋁管軸向向?qū)Ь€側(cè)的摩擦力f摩以及壓接時(shí)鋁線對(duì)鋼芯的正壓力F壓，這兩個(gè)力的綜合作用可能導(dǎo)致鋼芯斷裂。為驗(yàn)證此分析，設(shè)計(jì)了兩種可能導(dǎo)致鋼芯在壓接過(guò)程中預(yù)先張緊的試驗(yàn)：第一組試驗(yàn)（試驗(yàn)件2#-4#），先壓鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)，再倒壓鋁線壓接區(qū)；第二組試驗(yàn)（試驗(yàn)件5#-8#），先正壓鋁線壓接區(qū)，再倒壓鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)。7.1第一組試驗(yàn)試驗(yàn)樣品1#：先正壓鋁管的鋁線壓接區(qū)，之后正壓環(huán)箍壓接區(qū)。此壓接工藝參考文獻(xiàn)［1］，試驗(yàn)樣品1#作為對(duì)照組。試驗(yàn)樣品2#-4#:先正壓接環(huán)箍壓接區(qū)，之后倒壓鋁管的鋁線壓接區(qū)。試驗(yàn)樣品1#壓接過(guò)程無(wú)異常，試驗(yàn)樣品2#-4#均在壓接最后一模時(shí)聽(tīng)到鋁管內(nèi)部有異常的響聲，與進(jìn)行鋼芯單絲強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)拉斷單絲的響聲接近。表5試驗(yàn)件1#-4#壓接后尺寸mm踏掛壓陸治E不壓玷￡壓庇只區(qū)長(zhǎng)庭區(qū)長(zhǎng)度國(guó)長(zhǎng)待長(zhǎng)壓摟前350220806501S39025S37003B322085690385S54U220S5根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)可知，不同的壓接方式對(duì)于壓接后的鋁管尺寸影響不大;但對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可知，工程樣品未按照設(shè)計(jì)的壓接長(zhǎng)度進(jìn)行壓接。將試驗(yàn)件2#剖開(kāi)，發(fā)現(xiàn)鋼芯斷裂在鋁線壓接區(qū)最后一模處，斷面有明顯的頸縮現(xiàn)象，與工程樣品3#的斷口較為相似，可初步斷定為拉伸斷裂。根據(jù)上述試驗(yàn)可得出結(jié)論：先壓接鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)，再?gòu)膶?dǎo)線端倒壓的壓接方式會(huì)導(dǎo)致鋼芯斷裂，并且斷裂位置與工程樣品一致，斷口形貌與單絲強(qiáng)度試驗(yàn)中一致。7.2第二組試驗(yàn)試驗(yàn)樣品5#-8#:先正壓鋁線壓接區(qū)，再倒壓鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)。將鋼錨環(huán)箍的壓接長(zhǎng)度從設(shè)計(jì)要求的80mm提高到推測(cè)的實(shí)際壓接長(zhǎng)度100mm。由于壓膜寬度只有70mm，因此鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)壓接了2模。壓接過(guò)程無(wú)異?，F(xiàn)象，壓接后尺寸見(jiàn)表6。表6試驗(yàn)件5#-10#壓接后尺寸mm肝隹Lk接區(qū)長(zhǎng)席區(qū)長(zhǎng)障壓質(zhì)前350200100砌1例200'10:7086#技項(xiàng)頒：10■1Z4052051107208#405205110720壓接完成后進(jìn)行握力試驗(yàn)，結(jié)果如下:（1）試驗(yàn)件5#-6#為一組，施加載荷到63.5kN保持2分鐘；之后繼續(xù)加載達(dá)到70kN左右的時(shí)候，耐張線夾內(nèi)有2次異響，聲音和壓斷鋼芯的斷裂聲幾乎一樣，繼續(xù)加載到152.84kN時(shí)無(wú)法繼續(xù)加載，握力試驗(yàn)失敗。（2）試驗(yàn)件7#-8#為一組，施加載荷到63.5kN保持2分鐘；之后繼續(xù)加載達(dá)到68.8kN和82.5kN聽(tīng)到了異響，在第二次異響時(shí)停止加載。握力試驗(yàn)結(jié)束后觀察導(dǎo)線和耐張線夾，外觀處未有明顯的斷裂和滑移，試驗(yàn)件5#的鋁管的不壓區(qū)有塑形變形，表面有明顯的韌窩，因此可以推斷在握力試驗(yàn)過(guò)程中，不壓區(qū)的鋼芯斷裂導(dǎo)致鋁管承受了全部的載荷，超過(guò)了鋁管的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。將試驗(yàn)件5#-8#進(jìn)行了解剖，觀測(cè)到試驗(yàn)件5#鋼芯斷裂，斷裂位置發(fā)生在鋼錨出口處，與工程樣品2#的斷裂位置一致。宏觀觀測(cè)到鋼芯斷口有明顯的頸縮現(xiàn)象，可推斷是拉伸斷裂。根據(jù)分析推測(cè)，在壓接過(guò)程中，鋼錨環(huán)箍壓接區(qū)壓接了2模，起壓位置是鋼錨側(cè)，環(huán)箍處鋁管延伸方向?yàn)椴粔簠^(qū)，鋼芯在壓接過(guò)程中受到鋁線的摩擦力。雖然壓接過(guò)程中未造成鋼芯斷裂，但殘余有殘余應(yīng)力，造成耐張線夾握力試驗(yàn)失敗。由此可以推斷，先順壓鋁線壓接區(qū)，再倒壓鋼芯環(huán)箍壓接區(qū)的不正確操作方式，同樣會(huì)造成導(dǎo)線鋼芯預(yù)先張緊，但不會(huì)同第一組一樣發(fā)生斷裂。8結(jié)論根據(jù)上述分析結(jié)果表明，耐張線夾中的鋁管、鋼芯、鋁絞線的材質(zhì)狀況正常。該耐張線夾斷裂失效是因?yàn)樵诓划?dāng)?shù)膲航訉?dǎo)致鋼芯內(nèi)有殘余預(yù)應(yīng)力，在運(yùn)行過(guò)程中，在服役載荷和低頻交變的風(fēng)載和覆冰載荷的共同作用下，導(dǎo)致鋼芯發(fā)生斷裂。通過(guò)對(duì)事故的深入分析，提出了防止此類事故的預(yù)防措施。針對(duì)性改進(jìn)建議：（1）向施工隊(duì)伍提供壓接工藝規(guī)程，并對(duì)施工人員進(jìn)行培訓(xùn)，在壓接過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行壓接工藝。（2）在施工現(xiàn)場(chǎng)，每類導(dǎo)線壓接好后均要進(jìn)行