输电杆塔联接件的抗舞防松性能测试与分析

杨晓辉，吕中宾，韩宝林，傅正财

(1.上海交通大学电气工程系，上海市200030;2.河南省电力公司电力科学研究院，郑州市450052;3.河南电力器材公司，河南省漯河市462000)

0 引言

近年来输电线路舞动频繁发生，造成输电杆塔破坏的现象越来越突出，甚至还造成倒塔事故。仅河南电网，在2009—2010年冬季由于线路舞动共造成59基500 kV输电杆塔受损。对电网运行维护来说，输电杆塔破坏属于难以直接恢复的电力事故，由此造成的停电损失及其修护成本也较高。

以往在对输电线路舞动问题的研究中，主要集中在对舞动机理及其成因、舞动特性及各类防舞动措施的研究等方面［1-3］，而对输电杆塔受到的的影响及其抗舞性能却较少涉及［4］。对输电杆塔抗舞性能的研究，仅仅依靠现场调研手段开展杆塔损坏原因及对策分析已经不能满足电网安全运行的要求［5］。必须根据杆塔实际运行特点，对其舞动损坏机理和破坏模式开展系统的研究，以便采取有针对性的改造措施，来提升杆塔的抗舞性能和降低杆塔舞动受损的风险。

根据输电杆塔的运行环境及特点，杆塔联接件大多选择冷镦、热浸锌型的六角头螺栓与单螺母组合［6］。出于防松考虑，会在单螺母联接型式的基础上，选择搭配弹簧垫片、防松卡或双螺母等防松型式。在输电铁塔联接件选型及其防松性能考核方面，目前在国内还没有明确的标准规范。因此在实际使用过程中，杆塔联接件所采取的防松措施和型式有很多，经济成本和防松效果的差异也很大。在对输电线路舞动事故的现场调研中，曾多次发现杆塔联接件的防松型式失效、防松金具脱落等现象。

为了提高输电铁塔的抗舞抗振性能，减少导线舞动对输电塔材的机械损坏，本文根据输电杆塔联接件的生产工艺和施工特点，利用现有紧固件防松性能试验方法和手段，结合紧固件防松性能对振动频率、载荷大小的响应特性，对不同型式的铁塔紧固件防松性能进行系统测试和分析，并在此基础上提出相应的提升措施和改进建议，以供输电杆塔抗舞性能改造参考。

1 杆塔联接件的舞动承载特性分析

现有输电杆塔主要是由杆件通过紧固联接件在施工现场组装而成的。当输电杆塔在导线舞动作用下产生受迫振动时，杆塔构件和联接紧固件均处于舞动引起的动态交变载荷之下。对于杆塔构件来说，材料强度和大小型号在设计阶段已经确定，受现场施工因素的影响较小，杆件的舞动承载特性主要取决于初始设计选型。

前期研究表明:联接件对动态交变载荷的承受能力与其初始夹紧力有密切关系［7-8］。杆塔联接件的舞动承载特性不仅与设计选型有关，而且与现场安装施工条件密切相关。因此杆塔联接件的舞动承载特性具有很大的分散性和不确定性。

根据目前电网选择应用较多的是6.8级、M16的普通螺栓和单螺母组件，通过横向振动的试验方法［9］对其防松性能进行测试，试验时的安装扭矩遵守规程GB 50233—2005的相关要求［10］。测试结果如图1所示。

图1 M16、6.8级螺栓组件的防松性能测试Fig.1 Locking performance test for bolt joints(strength grade:6.8，scale:M16)

由图1可知:(1)被测的10组联接件，在初始预紧力相同、振动试验条件相同的情况下，其防松性能测试结果相差较大。(2)被测联接件在经历3 000次的振动后夹紧力明显下降，甚至有的丧失为0。这说明联接组件对动态交变载荷的响应特性比较敏感，容易在舞动过程中出现杆塔连接点的联接性能下降和丧失，引起紧固件的松动和脱落，造成杆塔局部受力不均匀，从而使杆塔受到机械性的破坏。

在输电线路舞动事故的现场调查中发现，舞动受损的杆塔附近，地面经常有大量脱落或折断的螺栓、螺母组件，受损杆塔连接点处螺栓脱落现象明显。在舞动造成的塔线体系损坏总量中，杆塔螺栓松动占到总量的45%，明显高于其他损坏特征，具体统计结果见图2。

图2 2009—2010年冬季线路舞动损坏特征统计Fig.2 Statistic of damage character in 2009－2010 winter caused by conductor galloping

对杆塔舞动承载特性的初步分析和现场事故统计表明:杆塔紧固件联接是整个输电杆塔抗舞性能最为薄弱的环节。

2 杆塔联接件防松的主要影响因素

针对目前输电线路铁塔组立的实际施工技术条件以及螺栓联接的型式，可以将螺栓防松性能的主要影响因素归纳为以下几个方面［10］:(1)初始预紧力;(2)螺栓组件强度;(3)螺栓联接型式。

除此之外，输电杆塔用螺栓组件的尺寸、镀锌工艺、安装时是否采取润滑措施等问题目前尚没有明确的规定和结论，这些因素在一定程度上也会对联接件的防松性能产生影响［11］。

2.1 杆塔联接件的防松性能评估试验

现有评价紧固件防松性能的试验方法主要为横向振动试验，在对输电杆塔联接件防松性能评估时，按照GB 10431—2010标准规定的试验方法［8］在“机械工业通用零部件产品质量监督检测中心”开展了相关的评估试验。

考虑到输电杆塔舞动条件下的承载特性，在试验条件选取时分别进行了振动频率和幅值对测试结果影响的分析，结果表明:振动幅值变化对螺栓组件的防松性能测试结果影响较大，而振动频率的影响较小。具体测试结果如图3所示。

图3 振动频率和幅值对测试结果的影响Fig.3 Influence of vibration frequency and magnitude on locking performance

由于大多数被试组件的型号为M16，结合试验装置的输出特性，选择频率为12.5 Hz、振幅为1.6 mm作为铁塔螺栓联接防松性能评估的基础试验载荷，选择相同频率、振幅为1.0 mm的试验载荷作为对比。

2.2 各类影响因素的测试分析

采取横向振动的试验方法，对影响螺栓防松性能的各种因素进行了试验和分析。

2.2.1 初始预紧力

选择M16、6.8级的螺栓与6级单螺母的普通联接型式，在2种试验载荷下分别进行了初始预紧力为25，35，50，60 kN 的性能测试，测试结果如图4所示。

由图4可以看出:在振幅为1.0 mm的试验条件下，螺栓联接的残余夹紧力与初始预紧力直接相关，初始预紧力越大，防松效果越好;但在振幅为1.6 mm的试验条件下，35 kN与50 kN初始预紧力下的测试平均值基本相当，且明显优于初始预紧为25 kN和65 kN的试验结果。说明螺栓联接的初始预紧力在一定范围内其防松效果最佳(预紧力取值范围为0.5 ～0.7σs，其中:σs为螺栓的保证载荷［10］)，均能取得较好的防松效果。

2.2.2 螺栓强度的影响测试

选择强度为6.8级、8.8级与10.9级的M16螺栓与6级单螺母的组合，在基础试验载荷、初始预紧力为50 kN的条件下进行性能测试，结果如图5所示。

图4 初始预紧力对防松性能的影响Fig.4 Influence of initial pre-tightening force on locking performance

图5 螺栓强度对防松性能的影响Fig.5 Influence of bolt’s strength on locking performance

由图5可以看出:适当提高螺栓的强度等级可以有效提高螺栓联接的防松性能。在螺栓强度等级提高的前提下，同时提高螺栓组件的安装扭矩和初始预紧力，螺栓组件将会有更好的防松性能。

2.2.3 螺栓尺寸的影响测试

选择强度为6.8级的M16、M20、M24的螺栓与单螺母的联接型式，同时选择螺杆长度分别为80，110 mm的6.8级M16的螺栓与单螺母的联接型式，在初始预紧力为50 kN、基础试验载荷下分别进行性能测试对比，试验结果如图6所示。

图6 螺栓尺寸的影响Fig.6 Influence of bolt’s size on locking performance

由试验结果可以看出:在初始预紧力相同的条件下，对于螺杆长度相同的螺栓，其直径越大防松性能越好;对于螺杆直径相同的螺栓，镦头与螺母间的长度越小，防松性能越好。

2.2.4 螺母镀锌工艺的影响

选择强度为10.9级、型号为M16的镀锌螺栓，分别与“先攻丝后镀锌”、“先镀锌后攻丝”、“不镀锌”等3种工艺生产的单螺母组合型式，在初始预紧力为75 kN(0.5 σs)、基础试验条件下进行测试，试验结果如图7所示。

图7 螺母不同镀锌工艺对测试结果的影响Fig.7 Influence of nut’s galvanizing process on test results

由测试结果可以得出:对于“不镀锌”螺母的联接型式，其防松效果最好;“先镀锌后攻丝”螺母的联接型式，其防松性能要稍好于“先攻丝后镀锌”的型式。这与“螺母、螺栓之间的匹配公差有很大关系，对于2种不同镀锌工艺生产的螺母，在匹配公差方面的要求也不相同。

2.2.5 润滑措施的影响

选择强度为6.8级的M16螺栓与普通单螺母组合，在相同初始预紧力为72 kN条件下分别对采取润滑和不采取润滑2种方式进行测试，结果如图8所示。

图8 安装过程中有无润滑对防松性能的影响Fig.8 Influence of installation process with lubrication or not on locking performance

由图8可知，在相同振动次数下，安装有无润滑对螺栓组件的防松性能没有明显的影响。在安装有润滑时，相同预紧力对应的安装扭矩较小，不同个体之间扭矩系数的一致性较好，详见图9。

图9 相同扭矩条件下有无润滑对预紧力的影响Fig.9 Influence of lubrication on pre-tightening force under same torque condition

2.2.6 不同防松型式的性能测试

在生产实际中，输电杆塔常用的防松型式有:普通双螺母防松(包括等厚双螺母和厚薄双螺母组合等2种型式)、普通单螺母与开口防松螺母或与锥形扣紧螺母等双螺母形式，还有在螺母与支撑面间加弹簧垫圈，或在螺母外加防松卡等型式，这些防松型式(防松卡除外)均是基于增加阻尼或者摩擦防松的原理。另外，选取2种在交通运输领域应用较为广泛的专用防松螺母(涂层防松螺母和施必牢自锁防松螺母)进行对比测试。

由于现有专用防松螺母均为8级及以上，因此分别将上述防松型式与6.8级和10.9级的螺栓进行组合，在基础试验条件下进行性能测试和横向对比，测试结果见图10、图11。

根据不同防松型式的试验情况可以得出:(1)专用防松螺母在与6.8级镀锌螺栓组合使用时，由于二者之间强度不匹配，无法体现出其应有的防松性能，只有在与其强度匹配的10.9级螺栓组合使用时方能体现出较好的防松性能;(2)普通双螺母的防松型式在最佳安装条件下［12］，具有较好的防松性能，这在与6.8级和10.9级的螺栓组合条件下均适用。

图10 各种防松型式的性能对比(6.8级螺栓组合)Fig.10 Performances comparison of different lock types(with 6.8 class bolt)

图11 各种防松型式的性能对比(10.9级螺栓组合)Fig.11 Performances comparison of different lock types(with 10.9 class bolt)

试验证明:普通双螺母防松型式在“上螺母安装扭矩取下螺母安装扭矩的50%”这一安装条件下，防松性能最佳，如图12所示，这一结论同样适用于等厚双螺母和厚薄双螺母组合的型式。

图12 2种安装方式下的双螺母防松性能测试Fig.12 Locking performance of joint bolts with double-nuts under two installing methods

3 联接件防松性能提升措施

通过对输电杆塔螺栓联接件的防松性能测试可知:除了螺栓强度、尺寸以及生产工艺等对其防松性能有影响外，初始预紧力、安装方法等与安装有关的因素也会对其防松性能产生影响。除防松型式外，对其防松性能影响最大的就是初始预紧力。

根据上述试验结论，针对杆塔联接件的防松提出以下建议和意见:

(1)针对有抗舞防松性能需求的杆塔联接件，在设计选型时可以考虑采取一定的防松型式，其中普通双螺母组合的防松型式性价比最高，但前提是确保其安装能够符合“防松性能最佳”的使用条件。

(2)初始预紧力对杆塔联接件的防松性能至关重要，只有初始预紧力在螺栓组件材料的(0.5～0.7)σs范围内取值时，防松效果最佳。经过对铁塔用螺栓紧固件的大量试验研究，针对不同型号、强度等级的螺栓组件提出了紧固扭矩的标准值，具体见表1。

(3)为了确保联接件的初始安装扭矩和预紧力，建议在杆塔联接施工中采取扭矩扳手，或者定长扳手来确保螺栓组件的安装扭矩。通过对不同紧固件组件的预紧力和安装扭矩测试，提出的安装扭矩与对应的扳手长度推荐取值见表2。

表1 紧固件紧固扭矩标准值Tab.1 Standard value of tightening torque of fasteners

表2 不同扭矩范围推荐力矩扳手Tab.2 Recommended torque wrench for different range of torque

(4)考虑到入网杆塔螺栓组件的生产实际，建议建立杆塔联接的入网检测技术条件，以规范杆塔联接件的生产使用，消除不同厂家、不同批次产品之间的防松性能差异。

4 结论

(1)通过对铁塔杆件及联接件的承载特性分析发现紧固联接件是输电杆塔抗舞性能最薄弱的环节。

(2)初始预紧力是影响联接件防松性能最关键的因素。

(3)双螺母联接在“正确安装”时能够具有较好的防松效果。

(4)根据试验结果与输电杆塔的施工经验，对杆塔联接件的选型和施工方法提出了相应的提升措施和改进建议，供输电杆塔抗舞性能改造参考。

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