某线路U型球头连接金具破坏载荷试验分析

2018-02-22王建东刘晓龙张志国刘金慧李海龙

东北电力技术 2018年12期

王建东，刘晓龙，张志国，刘金慧，李海龙

(国网辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳 110006)

针对某线路U型连接金具的材质性能和断裂特征进行详细分析，针对金具破坏载荷试验和疲劳性能进行测试，并分析其静载和疲劳载荷下的安全性，发现该金具存在的问题。提出该连接金具应采用的调质热处理工艺，以此满足连接金具线路设计要求。

1 破坏载荷试验

按照金具试验项目中破坏荷重试验要求进行球头挂环破坏试验[1]。对带裂纹58号和57号球头挂环进行破坏荷重试验，及对无裂纹的2个球头挂环进行破坏荷重试验，破坏荷重试验拉伸速率比通常拉伸试验速率快1个数量级，各球头挂环的破坏载荷分别为24.2 kN、23.8 kN、24.6 kN和25.4 kN。计算出各球头挂环的抗拉强度分别为685.1 MPa、673.7 MPa、696.4 MPa和719 MPa。

所有破坏荷重试验的球头挂环的断裂位置在轴颈中部。其中58号根部带裂纹的球头挂环未在裂纹处断裂，57号中部带裂纹的球头挂环在中部裂纹处断裂。可见，受静载破坏时，该球头挂环结构合理。

球头挂环裂纹是在交变疲劳载荷作用下形成的，线路投运2年多，球头挂环出现断裂并形成裂纹，说明该球头挂环结构不能满足金具疲劳设计要求。

2 疲劳性能

疲劳试样几何尺寸如图1所示，样品取样部位在球头挂环的侧板和轴上。在R=0.1(R为疲劳载荷最大值与最小值比值[2])时疲劳曲线如图2所示。

图1 疲劳试样几何尺寸

图2 疲劳曲线(R=0.1)

由图2可见，该球头挂环的疲劳强度极限为300 MPa，图中三角形点(挂环轴处试样)的疲劳强度达到400 MPa，该球头挂环的疲劳性能数据存在较大分散性，这与材料组织不均匀性有关，存在一定缺陷。

R=0.1时，这批球头挂环的疲劳强度极限为300 MPa。由于实际环境中的载荷方式应R>0.1，疲劳强度极限应低于疲劳极限300 MPa。

不同条件下疲劳试样断口不同位置形貌如图3所示。从断口形貌看，裂纹萌生均在过烧组织处，见图中裂纹源(箭头位置)，可见该球头挂环锻造时，加热温度过高或加热时间过长出现过烧。瞬断区和扩展区的解理面较大证明该球头挂环锻造时，加热温度过高或加热时间过长导致晶粒粗大[3]，说明生产厂家的65Mn钢锻造工艺不够精密，锻造时温度控制差，这是造成球头挂环出现过烧缺陷的原因。

图3 不同条件下疲劳试样断口不同位置的形貌

由于球头挂环存在过烧组织缺陷，因而降低了球头挂环的疲劳性能，使该球头挂环在R=0.1下的疲劳强度降低到300 MPa，并且疲劳性能数据较分散。

3 可靠性分析

从选材角度，通常65Mn钢多采用调质处理工艺，可体现出65Mn钢屈强比高的优点。根据金具设计和DL/T5092—1999《110～500 kV架空送电线路设计技术规程》中的要求，金具的安全系数不小于最大使用载荷情况的2.5倍[4]。某线路上球头挂环承受实际最大载荷为7.7 kN，该球头挂环选型的破坏载荷为21 kN，实际测量破坏载荷大于24 kN。可见，该球头挂环的金具设计安全系数为2.73。根据金具及线路相关标准，该球头挂环符合金具设计标准要求。

对于结构钢的轧件和锻件，以屈服极限为基准的安全系数推荐值为[n]s=1.2～2.2，铸钢件为[n]s=1.6～2.5。以强度极限为基准的安全系数，钢件[n]b=2.0～3.5，铸铁[n]b=4.0[5]。

以65Mn钢的退火状态为依据，屈服强度最小为392 MPa，断裂强度最小为736 MPa，从机械零部件设计角度考虑，以屈服极限为准则时，采用目前球头挂环尺寸直径为21 mm，计算得到球头挂环的设计承受载荷应为13.86 kN。而目前该球头挂环从金具设计上使用载荷为21 kN和24 kN，显然两方面设计存在较大差异。

而实际测量的球头挂环的屈服强度和断裂强度最小值分别为370 MPa和650 MPa。从机械零部件设计角度考虑，以屈服极限为准则时，采用目前球头挂环尺寸直径为21 mm，计算得到球头挂环的设计承受载荷应为13.09 kN。正常情况下线路上实际最大载荷达到7.7 kN，按照材料屈服强度最小值为392 MPa，计算得到球头挂环能承受最小载荷为13.57 kN。目前球头挂环的正常设计安全系数为1.8，而实际安全系数为1.7，安全系数在推荐值范围内，小于金具设计要求。

考虑以强度极限为准则时，安全系数取最小值2.0时，采用目前球头尺寸直径为21 mm，计算得到设计承受载荷应为13 kN。而目前该球头挂环从金具设计上使用载荷为21 kN和24 kN。显然两方面设计存在较大差异。

从机械零部件设计角度考虑，以强度极限为准则时，采用目前球头挂环尺寸直径为21 mm，计算得到设计承受载荷应为22.95 kN。正常情况下线路上实际最大载荷为7.7 kN，按照材料断裂强度最小值为736 MPa，计算得到球头挂环能承受最小载荷为26.18 kN，目前球头挂环的正常设计安全系数为3.4，而实际安全系数为2.98。安全系数在推荐值范围内，满足金具设计要求。

根据相关标准，以65 Mn钢的正火状态为依据，屈服强度最小为431 MPa，断裂强度最小为735 MPa，从机械零部件设计角度考虑，以屈服极限为准则时，对球头挂环尺寸直径为21 mm，计算得到设计承受载荷应为15.24 kN。正常情况下线路上实际最大载荷为7.7 kN，正常设计安全系数为1.98。考虑以强度极限为准则时，对球头挂环尺寸直径为21 mm，计算得到设计承受载荷应为26.0 kN。正常情况下，线路上实际最大载荷为7.7 kN，设计安全系数为3.38。

根据相关标准，以65Mn钢的调质处理状态为依据，屈服强度最小为784 MPa，断裂强度最小为980 MPa，从机械零部件设计角度考虑，以屈服极限为准则时，对球头挂环尺寸直径为21 mm，计算得到设计承受载荷应为27.72 kN。正常情况下，线路上实际最大载荷为7.7 kN，设计安全系数为3.6。考虑以强度极限为准则时，对球头挂环尺寸直径为21 mm，计算得到设计承受载荷应为34.6 kN。正常情况下线路上实际最大载荷为7.7 kN，设计安全系数为4.5。屈服极限和强度极限准则，安全系数均能满足金具设计要求。

按照通常承受静载构件，考虑到金具可以以屈服变形为失效设计准则。通过对不同热处理制度下65Mn钢的安全系数分析，当采用正火或退火处理工艺时，不能满足线路设计要求。当采用调质处理时，能满足实际安全运行要求。

在疲劳强度计算中的许用安全值中，轧件及锻钢件一般取以疲劳极限为基准的许用安全值[n]-1=1.5～2.5；铸钢件[n]-1=1.8～2.8。当材料均匀载荷应力计算准确时，许用安全系数可降低到[n]-1=1.3及1.3以下[1]。该球头挂环R=0.1下的疲劳极限为300 MPa，材料的疲劳极限随R增大而降低。R=-1下许用值最小为1.5，得到疲劳设计应力为200 MPa。通过计算该球头挂环最大疲劳载荷为218 MPa。可见，从疲劳极限角度考虑，该球头挂环疲劳性能存在一定不足，有待提高。

从材料力学方面经验公式得到：σ-1=0.5σb，调质处理工艺下，65Mn钢σ-1下疲劳极限为392 MPa，正火处理和退火处理下65Mn钢的疲劳极限分别为216 MPa和196 MPa。可见，只有调质处理的65Mn钢能满足球头挂环疲劳设计要求。

对采用65Mn钢的球头挂环应使用调质热处理工艺，从疲劳强度和强度设计上能满足线路设计要求，同时也满足金具设计要求，能保证在线路上安全运行。