低溫條件下避雷針失效狀態(tài)分析與仿真模擬

胡潔梓，羅宏建，廖玉龍，周宇通，林鈞

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州310008；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315010）

低溫條件下避雷針失效狀態(tài)分析與仿真模擬

胡潔梓1，羅宏建1，廖玉龍2，周宇通1，林鈞3

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州310008；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315010）

針對(duì)低溫環(huán)境下發(fā)生的多起避雷針斷裂倒塌事故，以避雷針結(jié)構(gòu)和材質(zhì)為主要研究對(duì)象，通過(guò)宏觀檢查、金相分析、力學(xué)分析等實(shí)驗(yàn)，結(jié)合強(qiáng)度模擬計(jì)算手段，綜合分析失效原因。結(jié)果表明，此次事故主要原因是避雷針內(nèi)部積水在低溫狀況下發(fā)生冰凍，致使焊接法蘭上的未熔合角焊縫在冰體積膨脹產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用下開(kāi)裂。同時(shí)指出，目前所用的Q235B材質(zhì)隱患也不容忽視。最后，對(duì)避雷針的結(jié)構(gòu)、選材、檢驗(yàn)和監(jiān)督管理提出相應(yīng)的措施和建議。

避雷針；低溫；斷裂；模擬

0 引言

入冬以來(lái)，浙江省內(nèi)某變電站220 kV構(gòu)架避雷針發(fā)生多起斷裂倒塌事故，結(jié)構(gòu)均為鋼管避雷針，每根有4節(jié)鋼管，鋼管與法蘭間通過(guò)角焊縫焊接而成，法蘭之間直接用螺栓連接。避雷針設(shè)計(jì)風(fēng)壓500 N/m2，可承受28 m/s（11級(jí)）以下的風(fēng)力。發(fā)生斷裂的為避雷針上往下數(shù)第3節(jié)法蘭與第4節(jié)鋼管間的角焊縫，導(dǎo)致避雷針第3節(jié)以上部分整體倒塌。根據(jù)廠家提供的原材料質(zhì)保書，倒塌的避雷針材質(zhì)為Q235B。

以下通過(guò)宏觀檢查、金相分析、力學(xué)分析、成分鑒定等常規(guī)失效分析手段，結(jié)合強(qiáng)度模型和模擬計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，從避雷針的設(shè)計(jì)、選材、檢驗(yàn)和監(jiān)督多個(gè)方面，提出預(yù)防、預(yù)控、預(yù)測(cè)的對(duì)策，為相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)廠家以及電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)維單位提供參考。

1 宏觀檢查

圖1是避雷針焊接法蘭開(kāi)裂的宏觀照片，整圈開(kāi)裂的焊縫伴有銹蝕、撕裂和未熔合的痕跡。焊縫在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)區(qū)域的斷面非常平整，從內(nèi)壁到外壁均有未熔合情況。Ⅳ區(qū)的局部放大照片中顯示焊縫位置有明顯撕裂痕跡，判斷該處是最后撕開(kāi)的位置；Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間存在銹蝕痕跡，分析認(rèn)為該處開(kāi)裂時(shí)間較久，加之焊縫Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)都存在鋼管和法蘭間角焊縫未熔合、強(qiáng)度不足，該處應(yīng)該是起裂位置。

圖1 避雷針開(kāi)裂焊接法蘭宏觀照片

2 金相組織分析

取法蘭焊縫位置鑲嵌樣做金相分析，圖2是焊縫斷口金相照片，可見(jiàn)斷面不平整，邊緣尖端呈撕扯痕跡，邊緣內(nèi)部孔洞有明顯取向，應(yīng)是焊縫斷開(kāi)撕裂導(dǎo)致。圖3是焊接板熔合線金相照片，左邊是熱影響區(qū)，右邊是焊縫區(qū)，焊縫區(qū)域面積較小，與圖1部分母材未熔合的宏觀照片相對(duì)應(yīng)，證實(shí)該處角焊縫有效焊接面積小且不均勻。金相組織經(jīng)放大后觀察發(fā)現(xiàn)：焊縫組織索氏體清晰正常；熱影響組織內(nèi)部有粗晶和細(xì)晶之分，都是鐵素體+索氏體；母材組織鐵素體+珠光體，屬于Q235B材料的正常組織。

圖2 焊接法蘭斷面金相照片

3 力學(xué)性能分析

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，Q235A不作沖擊韌性要求；Q235B做常溫（20℃）沖擊試驗(yàn)；Q235C做0℃沖擊試驗(yàn)；Q235D做-20℃沖擊試驗(yàn)；Q235E做-40℃沖擊韌性試驗(yàn)。沖擊韌性試驗(yàn)采用夏比V形缺口試件，要求上述B，C，D級(jí)鋼在不同溫度條件下，KV2（V型缺口試樣在2 mm擺錘刀刃下的沖擊吸收功）應(yīng)不小于27 J。

圖3 焊接法蘭熔合線金相照片

從原料廠提供的鋼板上取樣，并分別在20℃，10℃，0℃，-10℃，-20℃和-30℃下做KV2的沖擊試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1。圖4沖擊吸收功分布曲線表明：20℃，10℃和0℃下KV2的沖擊吸收功離散度很大；20℃下6個(gè)試樣最低沖擊吸收功只有28 J，最高達(dá)246 J；10℃下最低沖擊吸收功18 J，最高達(dá)212 J；0℃最低和最高沖擊吸收功分別是8 J和202 J。低溫下所有試樣沖擊吸收功急速下降，數(shù)據(jù)的離散性好于0℃以上的沖擊吸收功數(shù)據(jù)。-30℃下的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性是所有數(shù)據(jù)中最好的，集中在10 J以下。

表1 不同溫度下Q235B沖擊吸收功

圖5（a）—（c）的斷口宏觀照片，分別是20℃下2個(gè)沖擊試樣和-30℃下的1個(gè)沖擊試樣斷口。圖5（a）是典型的韌性斷口，纖維狀位于中間區(qū)域，呈現(xiàn)凹凸不平的宏觀外貌；剪切唇形貌區(qū)域在斷口邊緣出現(xiàn)，呈現(xiàn)傾斜斷面。圖5（b）是典型的脆性斷裂形貌，斷口平齊而發(fā)亮。圖5（c）斷口與圖5（b）類似，也是脆性斷口，幾無(wú)纖維區(qū)和剪切唇，斷口平滑，呈結(jié)晶狀。

圖4 Q235B在不同溫度下沖擊吸收功的分布曲線

沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，0℃以上沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，同一溫度下沖擊吸收功大的（246 J）如圖5（a）斷口呈現(xiàn)韌性斷裂，沖擊吸收功小的（28 J）如圖5（b）斷口呈現(xiàn)脆性斷裂，說(shuō)明材料的力學(xué)性能存在不均勻的特點(diǎn)，因?yàn)镼235B允許采用F沸騰鋼（沸騰鋼成本要遠(yuǎn)低于鎮(zhèn)靜鋼），而沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，材料的塑性和均勻性較差，很有可能出現(xiàn)同一試樣在同一溫度下沖擊值相差巨大，離散嚴(yán)重的問(wèn)題。-30℃下的沖擊斷口如圖5（c）所示，都是脆性斷口，結(jié)合沖擊數(shù)據(jù)，可以證實(shí)此時(shí)的Q235B已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變成脆性材料[1]。

4 模擬計(jì)算

失效時(shí)避雷針受自重、風(fēng)載、覆冰重力、冰膨脹力等作用，其中自重與風(fēng)載均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，覆冰重力由于避雷針自身橫截面較小可以忽略，因此造成避雷針斷裂倒塌的主要應(yīng)力是內(nèi)部積水結(jié)冰產(chǎn)生的附加應(yīng)力。避雷針?shù)摴芄軓綇南峦现饾u變小，管徑小的管相對(duì)表面積較大，極端低溫天氣下會(huì)先結(jié)冰，封住法蘭中心的通孔，使下部避雷針?shù)摴苄纬梢粋€(gè)密閉容器，冰的體積膨脹受到限制，產(chǎn)生附加應(yīng)力。水在結(jié)成冰后，體積由單位“1”增至“1.09”，且在溫度0～-4℃區(qū)間內(nèi)體積隨溫度的下降而膨脹，與此相反鋼的體積則隨著溫度的下降而縮小。在冰體積遞增的過(guò)程中，避雷針?shù)摴艹惺艿母郊討?yīng)力也在增加[2]。

4.1 鋼管內(nèi)積水結(jié)冰模擬計(jì)算

構(gòu)建有限元模型，外殼里面充滿水，模擬水結(jié)冰過(guò)程對(duì)外殼的影響。從圖6軸向應(yīng)力可以看出，在上端板與避雷針?shù)摴艿慕呛缚p處，應(yīng)力達(dá)到915 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Q235B的許用應(yīng)力（235 MPa）。因此當(dāng)水結(jié)冰后，產(chǎn)生的應(yīng)力過(guò)大是避雷針角焊縫失效的主要原因。

圖6 水結(jié)冰后對(duì)外殼產(chǎn)生的軸向應(yīng)力

圖7模擬的是鋼管上端設(shè)置加強(qiáng)筋后的軸向應(yīng)力情況，上端板承受應(yīng)力急劇增大，達(dá)到2 329 MPa。這是由于上端板設(shè)置加強(qiáng)筋，會(huì)增大上端板剛度，使其不易變形。但冰的膨脹依然存在，上端板不易變形，會(huì)限制冰的膨脹量，冰對(duì)上端板推力急劇增大。盡管上端板角焊縫結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)，但應(yīng)力依然存在，將率先在管子薄弱部位破裂。設(shè)置加強(qiáng)筋無(wú)法從根本上解決積水結(jié)冰產(chǎn)生的應(yīng)力，但若角焊縫斷裂，加強(qiáng)筋對(duì)防止避雷針倒塌能起到一定作用[3]。

圖5 沖擊試樣斷口宏觀照片

圖7 上端板設(shè)置加強(qiáng)筋后的應(yīng)力分布

4.2 角焊縫未焊透滲水結(jié)冰模擬計(jì)算

根據(jù)DL/T 646-2012《輸變電鋼管結(jié)構(gòu)制造技術(shù)條件》，此次避雷針?shù)摴芘c平面法蘭的角焊縫屬于外觀二級(jí)，無(wú)須進(jìn)行內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)。由于焊縫不打坡口，可能存在的未焊透滲入積水結(jié)冰后，也會(huì)對(duì)焊縫強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

鋼管與平面法蘭的角焊縫具有軸對(duì)稱特點(diǎn)，可以通過(guò)一個(gè)截面展示此類問(wèn)題特點(diǎn)。以此次避雷針?shù)摴芙呛缚p尺寸為原型，建立圖8模型。該模型給出了角焊縫的一個(gè)截面，焊縫根部存在1 mm寬、2.5 mm深的未焊透。模擬未焊透中滲進(jìn)了水，結(jié)冰產(chǎn)生附加應(yīng)力的情況。

圖8 鋼管角焊縫有限元模型

從圖9的計(jì)算結(jié)果可以看出，水變成冰后膨脹，在角焊縫內(nèi)側(cè)產(chǎn)生附加應(yīng)力，根部應(yīng)力最大，可達(dá)246.33 MPa，與Q235B的許用應(yīng)力相當(dāng)。未焊透滲入水后，在極寒天氣下水結(jié)成冰，會(huì)給角焊縫根部一個(gè)較大的膨脹力，使角焊縫極易誕生初始裂紋。裂紋產(chǎn)生后，滲入水的二次結(jié)冰，會(huì)對(duì)角焊縫產(chǎn)生更大的膨脹力導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最后失效斷裂。

圖9 模擬計(jì)算結(jié)果

5 分析與討論

通過(guò)有限元計(jì)算模型和焊縫檢查，認(rèn)為此次事故主要是由于避雷針內(nèi)積水在結(jié)冰過(guò)程中膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力使避雷針在未熔合的角焊縫位置開(kāi)裂，擴(kuò)展后導(dǎo)致倒塌，但是Q235B材質(zhì)隱患也不容忽視[4]。

材質(zhì)Q235質(zhì)量分為A，B，C，D，E不同等級(jí)，其雜質(zhì)含量依次減少，以A級(jí)質(zhì)量較差，E級(jí)質(zhì)量最高。因?yàn)殡s質(zhì)元素S，P，As，Sn，Sb等在晶界偏聚，會(huì)降低晶界表面能，易沿晶擴(kuò)展，發(fā)展為脆性斷裂，致使鋼的韌性下降。A級(jí)和B級(jí)鋼各有F（沸騰鋼）、b（半鎮(zhèn)靜鋼）和Z（鎮(zhèn)靜鋼）3種脫氧方法，C級(jí)鋼只有鎮(zhèn)靜鋼，D級(jí)鋼只有特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，塑性和韌性較差，用這種材料制成的焊接結(jié)構(gòu)，受動(dòng)力載荷作用時(shí)接頭容易出現(xiàn)裂縫，低溫下又會(huì)產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。相比之下，鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)優(yōu)而勻，塑性和韌性都好。

此次Q235B焊接法蘭很有可能是沸騰鋼因其材質(zhì)不均勻，內(nèi)部韌性和塑性相差大，在0℃以下韌性下降明顯，開(kāi)始韌脆轉(zhuǎn)變，-30℃下完全轉(zhuǎn)變成脆性材料，幾無(wú)韌性。故用這種材料制成的焊接結(jié)構(gòu)，受動(dòng)力載荷作用時(shí)接頭易出現(xiàn)裂縫，不宜在低溫下工作[5]。

6 結(jié)論和建議

綜上所述，此次220 kV構(gòu)架避雷針斷裂倒塌事故的主要原因是：

（1）避雷針無(wú)排水孔，導(dǎo)致鋼管內(nèi)積水無(wú)法及時(shí)排除，在0℃以下發(fā)生冰凍，冰的體積膨脹產(chǎn)生附加應(yīng)力破壞焊縫。

（2）鋼管與法蘭的焊縫多處存在未熔合，導(dǎo)致實(shí)焊區(qū)面積小且焊縫寬度不均勻，在應(yīng)力作用下，未熔合區(qū)域（Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)）附近率先發(fā)生開(kāi)裂，迅速擴(kuò)展直至在Ⅳ區(qū)撕開(kāi)，焊縫完全斷開(kāi)，導(dǎo)致法蘭以上避雷針結(jié)構(gòu)整體倒塌[6]。

對(duì)此，建議設(shè)計(jì)、生產(chǎn)廠家以及電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)維單位采取以下防范措施：

（1）設(shè)計(jì)單位應(yīng)對(duì)該避雷針的積水問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整，例如預(yù)留排水孔等。

（2）制造單位應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)法蘭與鋼管角焊縫的質(zhì)量進(jìn)行管控[7]。

（3）使用單位在低溫冰凍期間應(yīng)加強(qiáng)避雷針的運(yùn)行監(jiān)控，對(duì)類似結(jié)構(gòu)的避雷針角焊縫加焊加強(qiáng)筋，對(duì)有開(kāi)裂缺陷的結(jié)構(gòu)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)或更換[8]。

[1]沈一平，蔡岳峰，王昕.架空絕緣導(dǎo)線帶電接續(xù)技術(shù)的研究[J].浙江電力，2016，35（1）∶19-22.

[2]馬崇，程明，陳韶瑜，等.風(fēng)載荷下避雷針?biāo)o態(tài)受力分析[J].河北電力技術(shù)，2015，34（1）∶52-54.

[3]張社榮，李升，彭敏瑞.冰溫度膨脹力對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)影響的有限元分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41（9）∶1096-1102.

[4]陶禮兵，張杰，陸益民.電力鋼管桿失效解析及改進(jìn)對(duì)策[J].浙江電力，2013，32（10）∶74-80.

[5]楊富堯，李現(xiàn)兵，陳新，等.輸電鐵搭用角鋼的應(yīng)用及低溫服役性能研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（1）∶117-122.

[6]范明，夏強(qiáng)峰，屠曄煒，等.一起220 kV設(shè)備引線線夾的失效故障分析[J].浙江電力，2013，32（8）∶29-32.

[7]張杰，俞培祥，王炯耿，等.GIS殼體焊縫質(zhì)量問(wèn)題分析與對(duì)策[J].浙江電力，2015，34（4）∶33-34.

[8]顧樂(lè)晉.輸電線路的故障分析及防治措施[J].江西電力，2011，35（1）∶26-30.

（本文編輯：方明霞）

Failure State Analysis and Simulation of Lightning Rod in Low-temperature Condition

HU Jiezi1，LUO Hongjian1，LIAO Yulong2，ZHOU Yutong1，LIN Jun3
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Economy Research Institute，Hangzhou 310008，China；3.State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315010，China）

In view of lightning rod fracture and collapse in low-temperature conduction，the structure and material of the lightning rod are investigated.Through macroscopical inspection，metallurgical analysis and mechanical analysis as well as strength analog calculation，the failure causes are comprehensively analyzed.The result shows that the accident comes from stagnant water in the lightning rod frozen in low temperature，making the unmelted fillet on flange cracks under the action of ice expansion.The paper also indicates that quality of Q235B can not be neglected.In the end，countermeasures and suggestions for lightning rod structure，material selection，test and intendance are brought forward.

lightning rod；low temperature；fracture；simulation

10.19585/j.zjdl.201706004

1007-1881（2017）06-0016-04

TM753

B

2017-02-08

胡潔梓（1982），女，高級(jí)工程師，從事電力設(shè)備材料類失效分析和檢測(cè)工作。