輸電線路耐張線夾鋁管斷裂原因分析

荊象陽(yáng)，高明德，李曉宇，楊東旭，尚國(guó)強(qiáng)

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

耐張線夾是輸電線路的重要金具之一，用于將導(dǎo)線或避雷線固定在非直線桿塔的耐張絕緣子串上，起錨固作用，亦可用于固定拉線桿塔的拉線，其可靠性是影響電網(wǎng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。隨著電網(wǎng)的迅猛發(fā)展，電壓等級(jí)升高，對(duì)輸電線路耐張線夾的性能要求也在不斷提高。由于電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)過程中線夾監(jiān)督檢驗(yàn)量較大、檢驗(yàn)手段相對(duì)欠缺，部分已安裝的輸電線路線夾在不同運(yùn)行條件下會(huì)發(fā)生不同情況的組織老化、內(nèi)部腐蝕及性能劣化，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致耐張線夾斷裂失效，從而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。耐張線夾損壞的常見原因有：制造加工質(zhì)量存在問題［1-2］，壓接質(zhì)量差［3-4］以及耐張線夾發(fā)熱［5-6］等。雖然，疲勞和材質(zhì)缺陷造成的耐張線夾失效事件時(shí)有發(fā)生，但耐張線夾鋁管內(nèi)鋼芯斷裂失效事件發(fā)生較少，也缺乏相關(guān)分析。針對(duì)一起耐張線夾鋁管斷裂失效事件進(jìn)行分析，并提出了合理可行的解決措施。

1 耐張線夾鋁管斷裂事件描述

某500 kV 線路于2002 年底投入運(yùn)行，2019 年綜合性檢修全線排查時(shí)發(fā)現(xiàn)29 號(hào)塔中相小號(hào)側(cè)2號(hào)子導(dǎo)線耐張線夾鋁管（以下稱為1 號(hào)耐張線夾鋁管）和96 號(hào)塔中相大號(hào)側(cè)4 號(hào)子導(dǎo)線耐張線夾鋁管（以下稱為2 號(hào)耐張線夾鋁管）斷裂，耐張線夾型號(hào)均為NY-400／35（B），材質(zhì)為6063 鋁合金，化學(xué)成分如表1 所示。耐張線夾鋁管的彎頭采用冷彎工藝彎制，并在外弧側(cè)制孔后穿鋼錨。2 個(gè)耐張線夾所處環(huán)境均為山風(fēng)口，斷裂形貌基本相同，如圖1 所示。

表1 6063 鋁合金的化學(xué)成分

圖1 耐張線夾鋁管斷裂部位

2 原因分析

2.1 宏觀檢查

1 號(hào)和2 號(hào)耐張線夾鋁管的斷口均為脆性斷口，無明顯塑性變形，耐張線夾外弧側(cè)制孔表面加工粗糙，有多處加工刀痕和擠壓磨損的痕跡，如圖2 所示。加工刀痕形成于制造階段，擠壓磨損的痕跡則是在外弧側(cè)制孔穿鋼錨時(shí)操作不當(dāng)造成的。在冷彎過程中，由于擠壓變形，耐張線夾鋁管的內(nèi)弧區(qū)域內(nèi)布滿了類似于龜裂的大量褶皺，沿軸線成對(duì)稱分布，經(jīng)切割打磨發(fā)現(xiàn)，該褶皺并未擴(kuò)展為裂紋。斷口并未完全斷開，斷開部分主要在中、右側(cè)，約占整個(gè)連接面的3／4，如圖3 所示。圖4 為1 號(hào)耐張線夾斷口照片，可以看出斷口最右側(cè)近制孔表面處存在一個(gè)尖角，肉眼可見以該尖角為放射源點(diǎn)的放射狀條紋，初步可判斷該尖角即為裂紋源。耐張線夾鋁管的斷口大致垂直于軸向，可將斷口劃分為3 個(gè)區(qū)：疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)、未斷區(qū)。疲勞源區(qū)位于外弧側(cè)制孔表面，疲勞擴(kuò)展區(qū)內(nèi)可見由右向左凸的貝殼狀條紋及臺(tái)階樣貌。

圖2 耐張線夾鋁管表面形貌

圖3 檢修時(shí)鋁管斷裂部位

圖4 1 號(hào)耐張線夾鋁管斷口

據(jù)此可初步推斷，疲勞裂紋發(fā)源于外弧右側(cè)制孔表面，沿與軸向垂直的方向中間、左側(cè)擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展面基本與軸向垂直，至檢修發(fā)現(xiàn)時(shí)仍余下左側(cè)約1／4 的連接部分未斷裂。

2.2 掃描電鏡及能譜分析

利用掃描電鏡對(duì)1 號(hào)斷口進(jìn)行分析，從斷口的微觀形貌可以清楚地看到，宏觀檢測(cè)中所看到的尖角區(qū)域?yàn)槠谠磪^(qū)，疲勞裂紋從位于外弧右側(cè)制孔表面的裂紋源沿著內(nèi)弧呈放射狀向左擴(kuò)展，放射狀條紋之間形成臺(tái)階，如圖5 所示。隨著疲勞擴(kuò)展的持續(xù)進(jìn)行，可以觀察到相鄰兩道放射狀條紋之間形成一個(gè)解理臺(tái)階，如圖6 所示。每個(gè)解理臺(tái)階內(nèi)均可見貝殼狀的同心平行弧線，即疲勞條紋，疲勞條紋線與放射條紋線相互垂直，疲勞條紋間距較為均勻，從右向左擴(kuò)展，如圖7 所示。經(jīng)放大倍數(shù)觀察，可見條紋與條紋之間分布著較多的黑色圓點(diǎn)，如圖8 所示，對(duì)疲勞條紋微區(qū)內(nèi)的元素進(jìn)行能譜分析，主要元素為Al、Si、Fe、S，可以確定黑色圓點(diǎn)為Si、S 等非金屬夾雜或其金屬化合物夾雜，如圖9 所示。

圖5 疲勞源區(qū)到疲勞擴(kuò)展區(qū)的放射狀條紋

圖6 放射狀條紋之間的解理臺(tái)階

微觀檢測(cè)的結(jié)果與宏觀檢測(cè)的結(jié)果相一致，進(jìn)一步證實(shí)了該耐張線夾鋁管的斷裂性質(zhì)為典型的脆性疲勞斷裂。

圖7 解理臺(tái)階內(nèi)的疲勞條紋

圖8 分布在疲勞條紋之間的Si、S 等非金屬夾雜物或其金屬化合物夾雜（圖中黑色圓點(diǎn)）

圖9 疲勞條紋微區(qū)的能譜分析結(jié)果

2.3 金相分析

對(duì)1 號(hào)和2 號(hào)耐張耐張線夾鋁管進(jìn)行金相分析，如圖10 和圖11 所示。發(fā)現(xiàn)金相組織中有較多點(diǎn)狀非金屬夾雜物或Si、S 等元素的金屬化合物夾雜，除此之外無裂紋、氣孔等異常組織，該結(jié)果與掃描電鏡及能譜分析的結(jié)果一致。

圖10 1 號(hào)耐張耐張線夾鋁管金相組織

圖11 2 號(hào)耐張耐張線夾鋁管金相組織

通過宏觀、微觀形貌、能譜、金相等項(xiàng)目的檢測(cè)，可以確定耐張線夾鋁管斷裂性質(zhì)為典型的脆性疲勞斷裂。在金相檢測(cè)和微觀形貌檢測(cè)中，雖然都發(fā)現(xiàn)了黑點(diǎn)狀的Si、P 等非金屬夾雜或其金屬化合物夾雜，但這些夾雜并未形成疲勞源。

耐張線夾鋁管斷裂的原因及大致過程為：疲勞裂紋源產(chǎn)生于耐張線夾外弧右側(cè)的制孔表面，沿與軸向垂直的截面向中間、左側(cè)擴(kuò)展，外弧制孔表面粗糙，有多處加工刀痕，冷彎過程中，此處變形量最大，易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，加工刀痕、磨損痕跡等都可能成為疲勞源。耐張線夾所處環(huán)境為山風(fēng)口，在遇到風(fēng)時(shí)，引流板所連接的弓子線將發(fā)生擺動(dòng)，產(chǎn)生對(duì)耐張線夾鋁管的交變載荷。由于結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中，疲勞裂紋首先在耐張線夾鋁管的制孔表面的缺陷處形成。在交變應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，部件有效截面積不斷減小，單位面積上承載的應(yīng)力進(jìn)一步加大，疲勞擴(kuò)展加速，當(dāng)剩余鋁管截面不足以承受交變載荷作用時(shí)將會(huì)產(chǎn)生瞬間斷裂。

3 解決措施

耐張線夾鋁管斷裂的主要原因?yàn)橹瓶妆砻嫣幋嬖诩庸と毕?，該缺陷在交變載荷的持續(xù)作用下不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生疲勞斷裂。疲勞耐張線夾鋁管的疲勞斷裂隱蔽性較強(qiáng)，若未能提早在檢修中發(fā)現(xiàn)，將導(dǎo)致耐張線夾鋁管的完全斷裂，極易造成停電事故。因此，為了更好地防止耐張線夾鋁管的斷裂事故的發(fā)生，提出如下建議措施：

1）耐張線夾應(yīng)在安裝前進(jìn)行嚴(yán)格的外觀質(zhì)量檢驗(yàn)，尤其應(yīng)注意對(duì)內(nèi)、外弧側(cè)制孔表面處的檢測(cè)；

2）對(duì)處于山風(fēng)口的老舊輸電線路耐張線夾，建議采用無人機(jī)等手段加強(qiáng)巡視力度，采用紅外熱成像儀對(duì)其進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某綜合性檢修中發(fā)現(xiàn)的2 個(gè)斷裂耐張線夾鋁管的斷裂原因進(jìn)行分析，研究方法包括：對(duì)耐張線夾鋁管的宏觀檢查；采用掃描電鏡對(duì)耐張線夾鋁管斷口進(jìn)行斷面形貌分析及微區(qū)元素能譜分析；在斷口附近截取適當(dāng)尺寸的金相試樣，經(jīng)過磨制、拋光、浸蝕后放置于光學(xué)金相顯微鏡下對(duì)其進(jìn)行金相觀察與分析。發(fā)現(xiàn)耐張線夾鋁管斷裂的主要原因?yàn)橹瓶妆砻嫣幋嬖诩庸と毕荩撊毕菰诮蛔冚d荷的持續(xù)作用下不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生疲勞斷裂。對(duì)此，提出了安裝前質(zhì)量檢驗(yàn)和運(yùn)行中定期巡檢的對(duì)策。所提分析方法和解決措施可為類似事件的分析與處理提供參考。