鋼芯鋁絞架空導(dǎo)線微動(dòng)疲勞斷口形貌

王 煦，陳國(guó)宏，王家慶，張建堃，張 濤，徐光青，湯文明

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2. 安徽省電力科學(xué)研究院 材料所，合肥 230601)

鋼芯鋁絞架空導(dǎo)線微動(dòng)疲勞斷口形貌

王 煦1，陳國(guó)宏2，王家慶2，張建堃1，張 濤2，徐光青1，湯文明1

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2. 安徽省電力科學(xué)研究院 材料所，合肥 230601)

在自制的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)裝置上進(jìn)行鋼芯鋁絞導(dǎo)線 (ACSR) 的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，采用掃描電子顯微鏡觀察分析內(nèi)、外層鋁股線斷口特征，研究其微動(dòng)疲勞斷裂機(jī)制。結(jié)果表明：鋁股線的斷股大多發(fā)生于導(dǎo)線與線夾的最后接觸點(diǎn)處。微動(dòng)振幅為1.0 mm時(shí)，在較低循環(huán)周次下(1.6×107)，鋁股線只發(fā)生正斷；隨著循環(huán)次數(shù)增加，鋁股線斷股數(shù)量增加，且發(fā)生45°及“V”形斷裂。鋁股線疲勞斷口由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)構(gòu)成，呈現(xiàn)彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)疲勞兩種不同的斷裂方式。

鋼芯鋁絞導(dǎo)線；微動(dòng)疲勞；疲勞斷裂

架空導(dǎo)線是高壓輸電線路的主體，目前，國(guó)內(nèi)外高壓輸配電網(wǎng)架空導(dǎo)線主要是鋼芯鋁絞導(dǎo)線(Aluminium conductor steel reinforced，ACSR)。世界范圍的架空導(dǎo)線已服役 25～40年，處于其壽命的中期[1]。由于架空導(dǎo)線長(zhǎng)期處于野外露天之下，經(jīng)受風(fēng)、雨、冰雪等惡劣的自然條件，容易發(fā)生各種事故，在役架空導(dǎo)線的維護(hù)和更新任務(wù)繁重[2-3]。如何對(duì)在役架空導(dǎo)線的運(yùn)行狀況進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，成為輸電工程及管理的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

一般認(rèn)為，風(fēng)致振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)線內(nèi)部股線之間、導(dǎo)線與線夾之間的微幅滑移和交變應(yīng)力，由此產(chǎn)生微動(dòng)磨損，繼而引發(fā)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展是造成導(dǎo)線損傷，降低導(dǎo)線使用壽命的主要原因[4]。在線夾接觸區(qū)附近，ACSR導(dǎo)線彎曲程度最大，且承受導(dǎo)線自身質(zhì)量產(chǎn)生的軸向載荷及線夾的夾緊力作用，導(dǎo)致微動(dòng)磨損；同時(shí)，導(dǎo)線的微動(dòng)疲勞裂紋從微動(dòng)磨損斑內(nèi)形核、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致線股斷裂、失效[5-7]。

雖然國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞研究[1-7]，但通過(guò)對(duì)鋁股線微動(dòng)疲勞斷口及受力狀態(tài)分析，研究鋁股線微動(dòng)疲勞斷裂機(jī)制的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文作者采用自制設(shè)備開(kāi)展導(dǎo)線微動(dòng)疲勞試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線鋁股線微動(dòng)疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察分析，結(jié)合鋁股線斷股前后的受力狀態(tài)分析，探討ACSR導(dǎo)線的微動(dòng)疲勞斷裂機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究選用LGJ150/20型ACSR導(dǎo)線，該導(dǎo)線是由24股直徑為2.78 mm的 LY9硬鋁線(鋁含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))≥99.5%，抗拉強(qiáng)度170 MPa)[8]和7股直徑 1.8 mm的A級(jí)鍍鋅鋼絞線(抗拉強(qiáng)度大于1 270 MPa)[9]絞制而成；鋁線分兩層纏繞，外層15股、內(nèi)層9股鋁線，中心為7股鋼芯線。自制的導(dǎo)線微動(dòng)疲勞裝置如圖1(a)所示。導(dǎo)線采用帶U型螺栓的XGU-3型可鍛鑄鐵懸垂線夾夾持，線夾上方由壓板固定，2個(gè)U 型螺栓通過(guò)壓板將導(dǎo)線夾持在線夾中，施加在U型螺栓上的扭矩為常數(shù)。該導(dǎo)線、線夾系統(tǒng)如圖 1(b)所示。導(dǎo)線 2個(gè)固定端間的水平距離為5 m，導(dǎo)線與水平方向夾角為10°(與導(dǎo)線的實(shí)際架設(shè)角度一致)，導(dǎo)線振動(dòng)由固定在電動(dòng)機(jī)軸上的偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)懸垂線夾上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。懸垂線夾處導(dǎo)線的振幅由偏心輪的偏心距大小調(diào)節(jié)，振動(dòng)頻率由電機(jī)變頻器調(diào)節(jié)。導(dǎo)線的軸向靜載荷通過(guò)微動(dòng)裝置端部彈簧加載系統(tǒng)施加，靜載拉力由拉力傳感器測(cè)量。試驗(yàn)參數(shù)參照相關(guān)文獻(xiàn)[10]，設(shè)定為：導(dǎo)線軸向靜載荷為51 MPa(導(dǎo)線額定抗拉強(qiáng)度的25%)，振動(dòng)頻率為10 Hz，振幅1.0 mm。導(dǎo)線微動(dòng)循環(huán)振動(dòng)周次依次為 1.6×107、2.0×107和 2.6×107。采用Zeiss EVO MA15型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)鋁股線疲勞斷口及其微動(dòng)磨損區(qū)進(jìn)行觀測(cè)；同時(shí)，在鋁股線的磨損區(qū)域取樣，其截面經(jīng)研磨、拋光后用10% NaOH水溶液腐蝕，用SEM觀察截面形貌。

圖1 ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞試驗(yàn)設(shè)備及懸垂線夾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic illustrations of fretting fatigue equipment and structure of suspension clamp system: (a) Fretting fatigue equipment; (b) Structure of suspension clamp system (unit: mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞斷裂狀態(tài)

一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)線的微動(dòng)磨損區(qū)域分為微動(dòng)粘著區(qū)、微動(dòng)滑移區(qū)和微動(dòng)混合區(qū)，各微區(qū)的位置關(guān)系見(jiàn)圖1(b)。鋁股線間及鋁股線與鋼芯線微動(dòng)接觸斑的形貌與結(jié)構(gòu)見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，在此不再贅述。注意到ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果的分散性，經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，總結(jié)研究結(jié)果表明：ACSR導(dǎo)線微動(dòng)1.6×107周次后，鋁股線斷股位置一般位于導(dǎo)線與線夾最后接觸點(diǎn)處。不同微動(dòng)周次下鋁股線斷股的數(shù)量、形態(tài)及分布情況如表1所列。經(jīng)歷2.6×107周次微動(dòng)，出現(xiàn)多根內(nèi)外層鋁股線的斷裂(見(jiàn)圖 2(a))，各斷口在截面上所處位置見(jiàn)圖2(b)和2(c)。

2.2 鋁股線微動(dòng)疲勞斷口特征

內(nèi)外層鋁股線斷口分別呈現(xiàn)正斷、45°斷及“V”形斷 3種不同形態(tài)特征(見(jiàn)圖 3)。但不論呈何種斷口形態(tài)，內(nèi)外層鋁股線都具有典型的微動(dòng)疲勞斷口特征，即由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)3個(gè)微區(qū)構(gòu)成，如圖3(a)的微區(qū)A、B和C所示。

表1 鋁股線的斷股及斷裂類型Table1 Code and type of fractural Al strands

2.2.1 疲勞源區(qū)

圖3(a)中的微區(qū)A為疲勞源區(qū)。疲勞源區(qū)是疲勞裂紋的萌生區(qū)，由局部應(yīng)力集中引起。在導(dǎo)線微動(dòng)過(guò)程中，已接觸區(qū)與未接觸區(qū)邊界是高應(yīng)力區(qū)[12]，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)線微動(dòng)混合區(qū)的最后接觸點(diǎn)位置(見(jiàn)圖 1(b))。此處的微動(dòng)磨損表面分布大量徑向裂紋，是最容易發(fā)生鋁線股疲勞斷裂的區(qū)域[11]。

圖2 微動(dòng)斷股ACSR導(dǎo)線的整體和橫截面示意圖Fig.2 General and cross-sectional illustrations of fretted ACSR conductor: (a) General illustration; (b) Cross-sectional illustration at fracture 1; (c) Cross-sectional illustration at fracture 2

圖3 鋁股線斷口的SEM像Fig.3 SEM images showing three typical fractographies of Al strands: (a) Plane fracture of external 6# strand; (b) 45°fracture of internal 5# strand; (c) V-type fracture of internal 6#strand

在圖 4(a)中導(dǎo)線微動(dòng)混合區(qū)磨損表面以下，依次為磨屑層、微動(dòng)暗層及塑性變形層。通常白(暗)層是構(gòu)件摩擦磨損過(guò)程重要的組織特征，在鋼的磨損中稱為白層；而對(duì)于鋁材來(lái)說(shuō)，在常規(guī)侵蝕劑下一般呈暗色，稱之為暗層[10,13]。暗層具有非侵蝕性、高硬度等特征，其中的高密度微裂紋促使磨屑的形成[14]；部分較大裂紋則穿過(guò)暗層和塑性變形層，深入到鋁股線中，形成擴(kuò)展裂紋。圖 4(a)中箭頭所示的擴(kuò)展裂紋長(zhǎng)度約為50 μm，微動(dòng)疲勞裂紋已萌生[10,15]。

圖 4(b)所示為疲勞源區(qū)Ⅰ型裂紋[4]。在表面摩擦力(切向載荷)和外加載荷(正向載荷)共同作用下，Ⅰ型裂紋沿45°方向擴(kuò)展，擴(kuò)展深度達(dá)到40 μm。因表面摩擦力隨深度增加逐漸衰減，并逐漸衰減為 0；此時(shí)，在外加載荷單獨(dú)作用下該裂紋偏轉(zhuǎn)，促使Ⅱ型裂紋的形成[12]。

圖4 微動(dòng)磨損面下亞表層形貌Fig.4 Cross-sectional images of sublayer under fretting wear surface: (a) Dark layer; (b) Fatigue crack

2.2.2 裂紋擴(kuò)展區(qū)

在導(dǎo)線微動(dòng)過(guò)程中，鋁股線經(jīng)歷高周次的應(yīng)力循環(huán)，疲勞裂紋經(jīng)過(guò)反復(fù)閉合與張開(kāi)，緩慢向?qū)Ь€內(nèi)部擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展區(qū)(圖3中的微區(qū)B)是鋁股線斷口最重要的特征區(qū)域，其典型特征是貝紋線和疲勞輝紋(見(jiàn)圖5(a)和 5(b))。

貝紋線是疲勞斷口的主要宏觀特征。一般認(rèn)為，貝紋線是疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中線股承受載荷劇烈變化引起的[16]。因本研究中ACSR導(dǎo)線的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)是由固定在電動(dòng)機(jī)軸上的偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)懸垂線夾做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)線與線夾運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線所受載荷最大；相反，當(dāng)導(dǎo)線與線夾運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)線所受載荷最小(即為外加載荷)。這造成導(dǎo)線中的鋁股線所受載荷發(fā)生周期性的變化，導(dǎo)致在鋁股線微動(dòng)疲勞斷口上出現(xiàn)貝紋線(見(jiàn)圖5(a))。

疲勞輝紋是疲勞斷口的主要微觀特征，表現(xiàn)為一系列彎曲呈波浪形并基本相互平行的條紋(見(jiàn)圖5(b))，其彎曲凸面指向裂紋擴(kuò)展方向，如圖5(b)中箭頭所示。

圖5 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌Fig. 5 SEM images of fatigue crack extension region: (a)Cowrie pattern lines; (b) Fatigue striations

2.2.3 瞬時(shí)破斷區(qū)

瞬時(shí)破斷區(qū)(圖 3中微區(qū) C)是微動(dòng)疲勞鋁股線最后斷裂的區(qū)域，是疲勞裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展后形成的塑性斷口，呈現(xiàn)大量的韌窩結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6)。

圖6 瞬時(shí)斷裂區(qū)斷口上的韌窩Fig. 6 Dimples in instant fracture region

2.3 鋁股線微動(dòng)疲勞斷裂機(jī)制

由表1和圖3可見(jiàn)，在較低的循環(huán)周次下(1.6×107)，鋁股線只發(fā)生正斷；隨循環(huán)次數(shù)增加，鋁股線斷股數(shù)量增加，并出現(xiàn)了45°及“V”形斷口。鋁股線正斷斷口的疲勞源區(qū)都位于內(nèi)外層鋁股線接觸點(diǎn)處或最外層鋁股線與線夾的接觸點(diǎn)處；而45°及“V”形斷口疲勞源都位于同層鋁線股的側(cè)接觸處，該結(jié)果與文獻(xiàn)[17]的結(jié)論相吻合。當(dāng)內(nèi)外層鋁股線斷裂后，剩余鋁股線的受力狀態(tài)發(fā)生改變，引起其疲勞斷裂方式的改變。微動(dòng)狀態(tài)下，鋁股線的疲勞斷裂具有彎曲疲勞斷裂及扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂[16]兩種類型。

2.3.1 彎曲疲勞斷裂

ACSR導(dǎo)線承受微動(dòng)載荷時(shí)，導(dǎo)線與線夾最后接觸點(diǎn)處的鋁股線承受彎曲疲勞載荷[4]，其中外層鋁股線表面的疲勞應(yīng)力最大，疲勞源在磨損表面形成，然后沿垂直于軸向應(yīng)力的方向擴(kuò)展，當(dāng)疲勞裂紋尺寸達(dá)到臨界尺寸后，鋁股線發(fā)生瞬時(shí)破斷，形成彎曲疲勞斷口。鋁股線彎曲疲勞又可分為單向彎曲、雙向彎曲以及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞3種。

如圖2(b)所示，外層6#鋁股線在與線夾接觸處受到較大的彎曲拉應(yīng)力，疲勞源在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生，因先前微動(dòng)磨損產(chǎn)生較深磨損坑，磨損坑底部應(yīng)力集中大，疲勞裂紋迅速擴(kuò)展，形成如圖 3(a)圖所示的單向彎曲疲勞斷口，其瞬時(shí)破斷區(qū)在疲勞源正對(duì)側(cè)，所占面積達(dá)到整個(gè)斷口面積的40%。

圖7 鋁股線彎曲疲勞斷口的SEM像Fig. 7 SEM images showing bending fatigue fractographies of Al strands after fretting for 2.0×107 cycles: (a) Dual bending fatigue (internal 9# strand); (b) Rotating bending fatigue (external 8# strand)

雙向彎曲疲勞斷口如圖7(a)所示。內(nèi)層9#鋁股線因距離最后接觸點(diǎn)位置較遠(yuǎn)，兩側(cè)面與外層 14#及鋼芯線股接觸(見(jiàn)圖 2(b))，在微動(dòng)過(guò)程中的拉、壓交變應(yīng)力作用下，在接觸面間發(fā)生微動(dòng)磨損，形成疲勞源；因兩側(cè)面的受力狀態(tài)基本相同，兩側(cè)疲勞裂紋同時(shí)萌生，并向鋁股線內(nèi)部擴(kuò)展，發(fā)生正斷，瞬時(shí)破斷區(qū)在斷裂面中部。

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口如圖7(b)所示。當(dāng)ACSR導(dǎo)線微動(dòng)2.0×107次后，外層8#鋁股線在外層5#鋁股線斷裂之后發(fā)生斷裂(見(jiàn)圖2及表1)。當(dāng)外層5#鋁股線斷裂之后，導(dǎo)線的整體受力平衡被打破，導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)生一定角度旋轉(zhuǎn)。在隨后的微動(dòng)過(guò)程中，外層8#鋁股線在彎曲載荷和導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)共同作用下，發(fā)生疲勞斷裂，瞬時(shí)破斷區(qū)不在疲勞源正對(duì)面，而是偏轉(zhuǎn)了一個(gè)角度，形成旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口。

2.3.2 扭轉(zhuǎn)疲勞斷口

當(dāng)ACSR導(dǎo)線微動(dòng)2.6×107次后，內(nèi)層5#、6#鋁股線在外層6#、內(nèi)層4#鋁股線斷裂之后發(fā)生斷裂。因此時(shí)已有較多鋁股線斷裂，導(dǎo)線整體受力狀態(tài)發(fā)生了大的變化，剩余鋁股線承受較大扭矩作用[1]，鋁股線承受沿徑向線性分布的剪應(yīng)力，且在與軸線成 45°的斜面上有最大拉應(yīng)力[18]。

內(nèi)層 5#鋁股線與鄰近的同層鋁股線間發(fā)生側(cè)接觸磨損，疲勞源形成于長(zhǎng)條形磨損斑下(見(jiàn)圖 3(b))。裂紋在此次處萌生后沿最大拉應(yīng)力方向擴(kuò)展，形成與軸線成 45°夾角的傾斜斷口，瞬斷區(qū)位于疲勞源對(duì)側(cè)(見(jiàn)圖8(a))。而內(nèi)層6#鋁股線在反復(fù)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，在與鄰近的同層鋁股線間側(cè)接觸位置形成多個(gè)疲勞源，在拉應(yīng)力作用下，各疲勞源的疲勞裂紋都沿與軸線成 45°角的方向，以螺旋狀向中心擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)，鋁股線在中心部位發(fā)生瞬時(shí)斷裂，形成具有棘輪狀花樣的放射形斷口，或“V”形斷口(見(jiàn)圖8(b))。

3 結(jié)論

1) ACSR導(dǎo)線微動(dòng)疲勞過(guò)程中，內(nèi)外層鋁股線斷股都發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)，即導(dǎo)線與線夾的最后接觸點(diǎn)處，該處鋁股線嚴(yán)重的微動(dòng)磨損易促使疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋁股線斷裂。

2) 導(dǎo)線斷口呈現(xiàn)正斷口、45°斷口和”V”形斷口3種形態(tài)，斷口由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)3個(gè)特征區(qū)域構(gòu)成。

3) 外層鋁股線與線夾最后接觸點(diǎn)處微動(dòng)磨損最為嚴(yán)重，疲勞裂紋最早萌生，在反復(fù)彎曲應(yīng)力下較早發(fā)生單向彎曲疲勞斷裂、雙向彎曲疲勞斷裂及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。彎曲疲勞斷裂形成正斷斷口。

圖8 鋁股線扭轉(zhuǎn)疲勞斷口的SEM像Fig. 8 SEM images showing torsional fatigue fractographies of Al strands after fretting for 2.6×107 cycles: (a) Internal 5#strand; (b) Internal 6# strand

4) 大量鋁股線斷股后，ACSR導(dǎo)線受力發(fā)生變化，導(dǎo)線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭矩，在微動(dòng)載荷和扭矩力偶作用下，內(nèi)層鋁股線易發(fā)生扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，形成 45°斷口和”V”形斷口。

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Fretting fatigue fractographies of aluminum conductor steel reinforced overhead conductor

WANG Xu1, CHEN Guo-hong2, WANG Jia-qing2, ZHANG Jian-kun1,ZHANG Tao2, XU Guang-qing1, TANG Wen-ming1
(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Materials Department, Anhui Electric Power Research Institute, Hefei 230601, China)

Fretting fatigue experiment of the aluminum conductor steel reinforced (ACSR) conductor was carried out using a conductor fretting fatigue testing equipment. The fractographies of the external and internal Al strands of the ACSR conductor were analyzed using scanning electron microscope (SEM), and the fracture mechanisms of the Al strands after fretting fatigue were also discussed. The results show that the Al strands mostly rupture at the last contact points of the conductor on the suspension clamp. Under the condition of the fretting amplitude equal to 1.0 mm, only the plane fracture of the Al strands takes place at low fretting cycles of 1.6×107. As the fretting cycles increasing from 1.6×107to 2.6×107, the number of the broken Al strands increases, and new facture modes, i.e. the 45° and “V”-type fractures, are detected. All fatigue fracture surfaces of the Al strands consist of three regions, e.g. the fatigue source region, the fatigue crack extension region and the instant fracture region, respectively. Two fatigue fracture mechanisms of the Al strands, such as the bending fatigue and the torsional fatigue, are also revealed.

aluminum conductor steel reinforced conductor; fritting fatigue; fatigue fracture

TH117.3

A

1004-0609(2012)1-0194-07

國(guó)家電網(wǎng)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2009144)

2011-03-29；

2011-09-20

湯文明，教授，博士；電話：0551-2901373; E-mail: wmtang69@126.com

(編輯 何學(xué)鋒)