某500 k V輸電線路球頭掛環(huán)斷裂原因分析

田 澤，潘 星，熊 宇，葉建鋒

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

0 引言

球頭掛環(huán)是輸電線路關(guān)鍵受力部件之一，在架空輸電線路中主要用于導(dǎo)線絕緣子串與桿塔掛點(diǎn)的連接，球頭掛環(huán)的球頭、球腳與桿部連接處存在明顯截面變化，截面突變處不僅應(yīng)力集中水平很高，而且在振動(dòng)載荷下極易產(chǎn)生疲勞裂紋［1-10］。相關(guān)研究表明，球頭掛環(huán)斷裂是引發(fā)線路掉線故障的最主要原因之一［11-18］。球頭掛環(huán)斷裂的原因主要有球頭掛環(huán)制造過程產(chǎn)生原始缺陷導(dǎo)致斷裂、安裝工藝不合理導(dǎo)致金具卡澀和受力不合理、惡劣氣候下受到過大的動(dòng)載荷［19-28］和長期運(yùn)行后腐蝕和磨損導(dǎo)致開裂［29-32］。本文通過對(duì)斷裂的球頭掛環(huán)進(jìn)行尺寸檢查、硬度檢驗(yàn)、光譜分析、金相分析和斷口分析，總結(jié)了球頭掛環(huán)斷裂的原因，并提出了檢測球頭掛環(huán)缺陷的手段和避免同類故障發(fā)生的建議。

1 試驗(yàn)與分析

1.1 現(xiàn)場分析

球頭掛環(huán)斷裂故障線路為某500 kV超高壓輸電線路，于2002年4月22日正式投運(yùn)，線路全長161.444 km，設(shè)計(jì)最大風(fēng)速27 m/s，故障段始于313號(hào)桿塔，止于324號(hào)桿塔，故障點(diǎn)為一回322號(hào)，桿塔型號(hào)為ZB3-39，絕緣子采用單串28片，導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJ-400/50，球頭掛環(huán)型號(hào)為QP16，與之配合使用的金具掛點(diǎn)側(cè)為UB掛板，導(dǎo)線側(cè)為絕緣子碗頭鋼帽。

故障發(fā)生于2020年01月12日，故障當(dāng)天現(xiàn)場天氣情況為晴天，氣溫在0℃～13℃，氣象局風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)為26.2 m/s，達(dá)到10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，巡檢人員現(xiàn)場風(fēng)速測量數(shù)據(jù)為21.28 m/s。依據(jù)湖北電網(wǎng)2019年版舞動(dòng)區(qū)域分布圖，該區(qū)域?yàn)镮級(jí)舞動(dòng)區(qū)，此前未觀測到線路舞動(dòng)的情況。

故障發(fā)生后，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，322號(hào)桿塔的中相絕緣子串球頭掛環(huán)斷裂，導(dǎo)線掉落在桿塔瓶口處，導(dǎo)線掉落情況如圖1-圖2所示。

圖1 斷裂球頭掛環(huán)懸掛點(diǎn)Fig.1 Suspension point of broken ball-eye

圖2 斷裂球頭掛環(huán)絕緣子Fig.2 Insulator string of broken ball-eye

登塔檢查發(fā)現(xiàn)，中相導(dǎo)線絕緣子串懸掛點(diǎn)連接形式為：直角掛板—球頭掛環(huán)—絕緣子鋼帽。掛板受懸掛點(diǎn)附近鐵塔鋼結(jié)構(gòu)（如圖1紅圈所示）的限制，不能沿橫線路方向（即垂直于線路方向）自由擺動(dòng)，只能在順線路方向（即平行于線路方向）上活動(dòng)，導(dǎo)致球頭掛環(huán)受限制，當(dāng)導(dǎo)線沿橫線路方向舞動(dòng)幅度較大時(shí)，金具會(huì)與鋼構(gòu)架發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較大沖擊載荷。

通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該連接形式的球頭掛環(huán)擺動(dòng)幅度受限，當(dāng)導(dǎo)線受到舞動(dòng)載荷而擺動(dòng)幅度較大時(shí)，球頭受到的來自絕緣子串的載荷無法通過自由擺動(dòng)釋放，在球頭掛環(huán)內(nèi)產(chǎn)生很大的沖擊載荷。這點(diǎn)可以從球頭和碗頭結(jié)合（如圖3）處擠壓痕跡得到驗(yàn)證。

圖3 球頭掛環(huán)斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of broken ball-eye

1.2 宏觀檢查

斷裂的球頭掛環(huán)型號(hào)為QP16，斷裂位置為球頭和桿部連接位置，球頭掛環(huán)（如圖4）圓環(huán)上方有明顯的擠壓變形痕跡，球頭與碗頭接觸面有約3/5的面積磨損，其中兩個(gè)位置磨損嚴(yán)重，未磨損部位應(yīng)為碗頭的開口方向（碗頭開口處球頭和碗頭無接觸，如圖5）。

圖4 斷裂的球頭掛環(huán)Fig.4 Macromorphology of broken ball-eye

圖5 球頭和碗頭連接示意圖Fig.5 Connection form of ball head and bowl head

對(duì)球頭磨損最嚴(yán)重的位置和其他位置進(jìn)行鍍鋅層測量，發(fā)現(xiàn)2個(gè)磨損最嚴(yán)重位置的鍍鋅層厚度分別為4.3μm和10.7μm，磨損次嚴(yán)重位置的鍍鋅層厚度為25.3μm和40.3μm，其他未磨損位置的鍍鋅層厚度為90.1μm至110μm之間，未磨損處鍍層厚度滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，磨損處鍍層厚度減薄明顯。

球頭磨損最嚴(yán)重的兩處對(duì)稱分布于未磨損部位兩側(cè)，且磨損程度基本接近，表明球頭在這兩點(diǎn)連線的方向受力平衡，且球頭和碗頭相互運(yùn)動(dòng)未收到嚴(yán)重阻礙，說明球頭在1點(diǎn)和2點(diǎn)連線方向自由度足夠。碗頭為一端開口的結(jié)構(gòu)，當(dāng)球頭以1點(diǎn)和2點(diǎn)連線為軸線擺動(dòng)且運(yùn)動(dòng)受到阻礙時(shí)，將會(huì)在球頭變截面處產(chǎn)生較大的沖擊載荷，磨損次嚴(yán)重部位存在明顯擠壓變形痕跡，說明該部位曾受到過較大沖擊載荷。

從斷口宏觀形貌可以看出，陳舊斷口處有4處順線方向的剪切唇，證明球頭掛環(huán)變徑處曾經(jīng)受到較大載荷導(dǎo)致產(chǎn)生瞬時(shí)塑性開裂。

1.3 尺寸檢查

對(duì)球桿和球頭的直徑進(jìn)行測量，球桿的平均直徑為19.42 mm，球頭的平均直徑為39.70 mm。

根據(jù)《GB/T 4056-2008絕緣子串元件的球窩連接尺寸》判斷，該球頭掛環(huán)的連接標(biāo)記為20。

使用20的通止規(guī)對(duì)球頭進(jìn)行通止規(guī)檢查，檢查結(jié)果均合格，說明球頭的連接尺寸標(biāo)準(zhǔn)要求。

使用20的通止規(guī)對(duì)與球頭相連接的絕緣子球窩進(jìn)行檢查，球窩的尺寸也標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 光譜分析

對(duì)斷裂的球頭掛環(huán)進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果如表1所示，其化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 699-2015優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45號(hào)鋼的要求。

表1 球頭掛環(huán)光譜分析結(jié)果Table 1 Spectral analysis results of ball head hanging ring

1.5 硬度測量和強(qiáng)度換算

由于球頭掛環(huán)無法進(jìn)行拉力試驗(yàn)取樣，本文通過硬度和強(qiáng)度換算法對(duì)球頭掛環(huán)的力學(xué)性能進(jìn)行校核。

對(duì)斷裂的球頭掛環(huán)進(jìn)行硬度測量，實(shí)測硬度值為197 HBW、196 HBW、197 HBW，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 1172-1999黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》換算后，該球頭掛環(huán)材料的抗拉強(qiáng)度為686 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 699-2015優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45號(hào)鋼抗拉強(qiáng)度≥600 MPa的要求。

按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 699-2015優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定，45號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度下限值為600 MPa，屈服強(qiáng)度≥355 MPa，伸長率≥16%。結(jié)合球頭掛環(huán)桿部實(shí)測桿徑（均值：19.42 mm），45號(hào)鋼球頭掛環(huán)的設(shè)計(jì)破壞載荷為≥177.7 kN，而QP16的標(biāo)稱破壞載荷為160 kN，因此選用45號(hào)鋼能滿足QP16的要求；45號(hào)鋼伸長率為≥16%，也符合標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 759-2009連接金具》第5.1.1條，“鋼及合金鋼的伸長率應(yīng)不低于12%”的要求。

綜上所述，該球頭掛環(huán)的選材滿足要求。

1.6 金相分析

對(duì)斷裂的球頭掛環(huán)進(jìn)行金相分析，如圖6所示。腐蝕前未見非金屬夾雜物，腐蝕后的金相組織為珠光體+鐵素體，未見鑄造組織，表面有約200μm的部分脫碳層（即珠光體含量比中心部位少的組織）。

圖6 斷裂球頭掛環(huán)金相組織和脫碳層Fig.6 Metallographic structure and decarburization layer of broken ball-eye

對(duì)同批次另一新的球頭掛環(huán)（型號(hào)同樣為QP16）進(jìn)行了金相分析，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)斷裂球頭掛環(huán)和新的球頭掛環(huán)金相組織基本相同。

圖7 同批次未斷裂球頭掛環(huán)金相組織和脫碳層Fig.7 Metallographic structure and decarburization layer of unbroken ball-eye with same lot

從金相組織可以判斷，該球頭掛環(huán)的制造方法為鍛造，滿足《電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)架空輸電線路設(shè)計(jì)（2019年版）》對(duì)球頭掛環(huán)制造方法的要求。

1.7 斷口分析

對(duì)圖8-圖9中區(qū)域1～區(qū)域4進(jìn)行能譜分析面掃描（其中區(qū)域1、2為“快速開裂區(qū)域”，區(qū)域3、4為“最終瞬間斷裂區(qū)域”），發(fā)現(xiàn)區(qū)域1、2表面鋅含量（質(zhì)量百分比）分別為32.52%和39.77%，鐵含量分別為6.42%和8.13%；而區(qū)域3、4表面鋅含量分別0.28%和0.48%，鐵含量分別為85.52%和73.51%，能譜分析記錄詳見表2，可見快速開裂區(qū)域存在大量鋅元素。

表2 球頭掛環(huán)能譜分析結(jié)果Table 2 Energy spectrum analysis result of ball head hanging ring

圖8 斷口微觀形貌及能譜分析區(qū)Fig.8 Fracture morphology and energy spectrum analysis area of broken ball-eye

圖9 斷口能譜分析區(qū)域Fig.9 Fracture morphology and energy spectrum analysis area of broken ball-eye

2 斷裂原因綜合分析

光譜分析、硬度測量和金相分析結(jié)果表明，球頭掛環(huán)的選材、材料性能和制造方法均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織中未見超標(biāo)的非金屬夾雜物，說明球頭掛環(huán)在生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)家族性的制造缺陷，制造過程滿足要求。

尺寸測量和通止規(guī)檢查結(jié)果表明球頭掛環(huán)、與球頭掛環(huán)連接的絕緣子球窩尺寸均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，球頭和球窩接觸面存在明顯磨損痕跡，鍍鋅層減薄明顯，說明球頭和球窩配合處未見明顯卡澀現(xiàn)象，這說明球頭掛環(huán)開裂不是因?yàn)榍蝾^和球窩活動(dòng)受阻導(dǎo)致。

由于橫擔(dān)懸掛點(diǎn)處塔材對(duì)金具擺動(dòng)的限制作用，當(dāng)線路舞動(dòng)幅度較大時(shí)，可能與塔材產(chǎn)生撞擊，產(chǎn)生很大的沖擊載荷。

斷面能譜分析結(jié)果顯示，陳舊性損傷區(qū)域中的快速開裂區(qū)域存在大量鋅元素，損傷區(qū)出現(xiàn)鋅元素的原因可能有兩種：

1）球頭掛環(huán)鍍鋅前即存在加工缺陷，鍍鋅時(shí)鋅滲入缺陷內(nèi)部；

2）球頭掛環(huán)運(yùn)行后開裂，球頭掛環(huán)和碗頭磨損產(chǎn)生的氧化鋅的懸濁液滲入斷口區(qū)，由于球頭和球窩接觸點(diǎn)位于斷裂區(qū)的下方，所以氧化鋅和水形成的懸濁液不會(huì)向上移動(dòng)進(jìn)入裂紋中，因此該可能性可以排除。

綜上所述，球頭掛環(huán)斷裂的原因?yàn)椋呵蝾^掛環(huán)在制造過程中產(chǎn)生偶發(fā)性裂紋缺陷，形成原始缺陷，鋅液在熱鍍鋅過程中進(jìn)入裂紋缺陷中。安裝運(yùn)行后，在某次較大、且速度較快的載荷作用下產(chǎn)生局部開裂，形成剪切唇斷面，隨后局部斷裂區(qū)在運(yùn)行載荷作用下緩慢擴(kuò)展，形成疲勞擴(kuò)展區(qū)，最后較大載荷作用下瞬間斷。

3 結(jié)語

1）建議廠家對(duì)重要的金具鍍鋅前進(jìn)行100%磁粉檢測。

2）建議在入網(wǎng)抽檢階段，對(duì)球頭掛環(huán)進(jìn)行磁粉檢測，重點(diǎn)檢測球頭和球桿連接位置。

3）建議對(duì)重要線路和工況復(fù)雜惡劣的線路，結(jié)合停電檢修計(jì)劃，不定期更換部分舊的金具串，對(duì)其性能和表面缺陷進(jìn)行檢測，檢查其力學(xué)性能是否惡化及表面是否產(chǎn)生初期裂紋。