線路柱式瓷絕緣子螺栓尺寸偏差對(duì)載荷值的影響

熊 宇，沈祎儂，潘 星，田 澤，葉建鋒

（1.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

線路柱式絕緣子作為一種絕緣控件［1-2］，在架空輸電線路中得到廣泛的應(yīng)用［3-6］。在運(yùn)行過程中，線路柱式絕緣子不僅要滿足絕緣性能要求［7-8］，還要滿足機(jī)械性能的要求［9-10］。在實(shí)際運(yùn)行中，線路柱式絕緣子經(jīng)常發(fā)生因受機(jī)械載荷而斷裂的事故［3］，［11］。為此，國(guó)家電網(wǎng)有限公司要求配網(wǎng)線路柱式絕緣子（以下簡(jiǎn)稱“絕緣子”）要按照《GB/T 21206-2007 線路柱式絕緣子特性》的要求進(jìn)行入網(wǎng)抽檢［12］，在抽檢過程中發(fā)現(xiàn)絕緣子機(jī)械性能不合格的主要原因集中在瓷件和底部金屬附件連接處水泥膠裝開裂及底部金屬附件中心孔處螺桿松動(dòng)［13-15］。

在本次絕緣子抽檢過程中，發(fā)現(xiàn)絕緣子機(jī)械性能不合格，試驗(yàn)后檢查認(rèn)為底部金屬附件中心孔處螺桿和螺母滑絲脫落是導(dǎo)致不合格的原因。螺栓連接是一種常見的連接方式，因其拆卸方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接可靠，被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)各種工程結(jié)構(gòu)中［16］。螺栓連接件的破壞，主要是由于螺栓機(jī)械強(qiáng)度不滿足要求及運(yùn)行中發(fā)生疲勞破壞或應(yīng)力腐蝕開裂［17］，但在本案例中，在抽檢試驗(yàn)中不存在疲勞破壞和應(yīng)力腐蝕開裂的問題，為探究螺栓連接脫落的原因，本文做了進(jìn)一步的試驗(yàn)和分析［18］。

1 概況

此次送檢的絕緣子型號(hào)為R5ET105L，125，283，360，標(biāo)準(zhǔn)要求最小彎曲破壞負(fù)荷為5 kN，對(duì)抽樣的4個(gè)絕緣子進(jìn)行彎曲破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別為3.42 kN、2.56 kN、2.80 kN、2.76 kN，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)后檢查發(fā)現(xiàn)絕緣子底部金屬附件中心孔配套螺桿絲扣破壞［19］、螺桿從螺母中拔出，絕緣子底部金屬部件未破壞（如圖1和圖2所示）。

2 試驗(yàn)與分析

由于螺桿絲扣發(fā)生破壞，首先對(duì)螺桿和螺母進(jìn)行材質(zhì)、硬度、金相和力學(xué)性能分析，分析結(jié)果如下。

圖1 絕緣子宏觀圖Fig.1 Drawing of insulator

圖2 螺桿脫扣圖Fig.2 Drawing of screw damage

2.1 化學(xué)成分分析

螺桿、螺母的材質(zhì)經(jīng)分析結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，螺桿和螺母材質(zhì)符合《GB/T 700-2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼》中Q235 鋼的要求，硫、磷含量未超標(biāo)，即螺桿螺母不存在材料誤用或材質(zhì)不合格的問題。

表1 螺桿、螺母化學(xué)成分表Table 1 Chemical composition of screw and nut

2.2 硬度分析

選取螺桿橫截面和螺母?jìng)?cè)面分別進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。螺桿和螺母的硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 3098.1-2010 緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》、《GB/T 3098.2-2015 緊固件機(jī)械性能螺母》的要求，說明螺桿和螺母在熱處理和機(jī)加工過程中未發(fā)生硬度升高而塑韌性下降的情況。

表2 硬度試驗(yàn)結(jié)果（HB）Table 2 Hardness test results（HB）

2.3 螺桿、螺母金相組織分析

選取螺桿橫截面、螺母外側(cè)面進(jìn)行顯微組織分析，金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明螺桿、螺母金相組織為珠光體+鐵素體，鐵素體未發(fā)生球化，這表明螺桿和螺母在熱鍍鋅過程中未發(fā)生過熱而導(dǎo)致材料性能下降的情況。

圖3 螺桿金相組織Fig.3 Microstructure of screw

圖4 螺母金相組織Fig.4 Microstructure of nut

2.4 螺桿和螺母加工精度及配合檢查分析

在對(duì)螺桿、螺母進(jìn)一步檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，螺母在旋入螺桿后，存在明顯松動(dòng)的情況，于是對(duì)螺桿和螺母的尺寸進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5、圖6 和表3、表4所示。在絕緣子現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范中，并未對(duì)絕緣子中的螺桿和螺母做出詳細(xì)規(guī)定，故本文參照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 197-2003 普通螺紋公差》中最普通的公差等級(jí)來對(duì)該鐵附件的螺桿和螺母進(jìn)行分析。

圖5 螺桿示意圖Fig.5 Screw diagram

圖5、圖6中，D為內(nèi)螺紋的基本大徑（公稱直徑）；d為外螺紋的基本大徑（公稱直徑）；D1為內(nèi)螺紋的基本小徑；d1為外螺紋的基本小徑；h為螺栓螺紋頂部寬度；P為螺距。

2.5 尺寸測(cè)量和計(jì)算

圖6 螺母示意圖Fig.6 Schematic diagram of nut

絕緣子底部金屬附件中心孔配套螺栓為公稱直徑M16 的普通C 級(jí)六角螺栓，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 197-2003普通螺紋公差》和電力生產(chǎn)實(shí)際情況，該規(guī)格的六角螺栓螺母公差帶位置為H，螺桿公差帶位置為g，旋合長(zhǎng)度為中等組，應(yīng)選用的公差帶組合為Hg，公差精度宜采用6 級(jí)，由于本批次螺栓螺母技術(shù)文件中未規(guī)定具體公差精度和公差等級(jí)，本文按標(biāo)準(zhǔn)推薦等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)允許最大公差等級(jí)分別進(jìn)行評(píng)定。由標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 197-2003 普通螺紋公差》可知，螺桿的外徑公差Td和基本偏差如表3 所示，螺母的小徑公差和基本偏差如表4 所示。對(duì)送檢的螺桿及螺母的實(shí)際尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3和表4所示。

表3 螺桿尺寸測(cè)量結(jié)果（單位：mm）Table 3 Screw size measurement results（Unit：mm）

表4 螺母尺寸測(cè)量結(jié)果（單位：mm）Table 4 Nut size measurement results（Unit：mm）

由測(cè)量結(jié)果可知，該批次送檢的螺栓組件中，螺桿大徑的實(shí)際尺寸不僅明顯小于標(biāo)準(zhǔn)推薦的最小值，也小于標(biāo)準(zhǔn)最粗糙級(jí)別的最小值，螺母小徑的實(shí)際尺寸不僅大于標(biāo)準(zhǔn)推薦的最大值，也大于標(biāo)準(zhǔn)最粗糙級(jí)別允許的最大值，二者均不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。這種情況下，當(dāng)螺桿和螺母在受力時(shí)，螺桿和螺母嚙合面的面積減小，且嚙合面的螺牙厚度變小，導(dǎo)致螺栓的承載能力下降。

為驗(yàn)證該批次螺栓組件加工偏差是否導(dǎo)致螺栓和螺母承載能力的下降及下降幅度，本文對(duì)存在偏差的螺桿和螺母進(jìn)行了楔負(fù)載和保載試驗(yàn)，試驗(yàn)方式和試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。因該批次送檢的螺栓組件未提供性能等級(jí)和技術(shù)要求，本次試驗(yàn)均按照《GB/T 3098.2-2015緊固件機(jī)械性能螺母》中最低等級(jí)的要求進(jìn)行評(píng)定。

表5 不合格螺桿和螺母楔負(fù)載和保載試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Unqualified screw and nut wedge load and holding test results

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，由于大徑偏小的螺桿和小徑偏大（以下所述的偏大或偏小，均特指本文中尺寸偏差超出標(biāo)準(zhǔn)允許值的情況）的螺母配合使用時(shí)，螺栓螺母組件的保載力降低至標(biāo)準(zhǔn)要求的57.5%。當(dāng)小徑偏大的螺母和標(biāo)準(zhǔn)螺桿配合使用時(shí)，螺栓螺母組件保載力降至標(biāo)準(zhǔn)要求的80.7%。

3 結(jié)論

本次送檢的絕緣子機(jī)械性能不合格的原因是其配套的螺栓和螺母尺寸不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，螺栓大徑偏小，螺母小徑偏大，從而導(dǎo)致螺栓螺母匹配后的保證載荷不合格，在絕緣子未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)彎曲破壞負(fù)荷前螺栓和螺母即發(fā)生脫扣。

4 結(jié)語

通過上述的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)支柱絕緣子的緊固件是該類產(chǎn)品的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，既沒有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可以執(zhí)行，也沒有相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者技術(shù)文件用于參考。根據(jù)多年的抽檢經(jīng)驗(yàn)和近幾年發(fā)生的多起由于緊固件配合不當(dāng)導(dǎo)致電網(wǎng)事故的教訓(xùn)，強(qiáng)烈建議制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范配電網(wǎng)設(shè)備緊固件的生產(chǎn)、采購(gòu)、抽檢和安裝運(yùn)行［20］，從而避免由于緊固件質(zhì)量不合格導(dǎo)致的配網(wǎng)設(shè)備事故［21-29］。

此次絕緣子緊固件螺母高度實(shí)測(cè)值為12.20 mm，屬于0型薄螺母，依據(jù)《GB/T 3098.2-2015 緊固件機(jī)械性能螺母》的要求，薄螺母作為鎖緊螺母使用時(shí)，不應(yīng)單獨(dú)使用，應(yīng)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)螺母或高螺母配對(duì)使用。安裝時(shí)，應(yīng)先將薄螺母擰緊到裝配零件上，然后再將標(biāo)準(zhǔn)螺母或高螺母擰緊到薄螺母上。建議支柱絕緣子金屬附件用螺栓連接件應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)螺母或高螺母，采用薄螺母時(shí)必須采用雙螺母的裝配方式［30］。

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