线路柱式瓷绝缘子螺栓尺寸偏差对载荷值的影响

熊 宇，沈祎侬，潘 星，田 泽，叶建锋

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉430077；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077）

0 引言

线路柱式绝缘子作为一种绝缘控件［1-2］，在架空输电线路中得到广泛的应用［3-6］。在运行过程中，线路柱式绝缘子不仅要满足绝缘性能要求［7-8］，还要满足机械性能的要求［9-10］。在实际运行中，线路柱式绝缘子经常发生因受机械载荷而断裂的事故［3］，［11］。为此，国家电网有限公司要求配网线路柱式绝缘子（以下简称“绝缘子”）要按照《GB/T 21206-2007 线路柱式绝缘子特性》的要求进行入网抽检［12］，在抽检过程中发现绝缘子机械性能不合格的主要原因集中在瓷件和底部金属附件连接处水泥胶装开裂及底部金属附件中心孔处螺杆松动［13-15］。

在本次绝缘子抽检过程中，发现绝缘子机械性能不合格，试验后检查认为底部金属附件中心孔处螺杆和螺母滑丝脱落是导致不合格的原因。螺栓连接是一种常见的连接方式，因其拆卸方便，结构简单，连接可靠，被广泛应用于电力行业各种工程结构中［16］。螺栓连接件的破坏，主要是由于螺栓机械强度不满足要求及运行中发生疲劳破坏或应力腐蚀开裂［17］，但在本案例中，在抽检试验中不存在疲劳破坏和应力腐蚀开裂的问题，为探究螺栓连接脱落的原因，本文做了进一步的试验和分析［18］。

1 概况

此次送检的绝缘子型号为R5ET105L，125，283，360，标准要求最小弯曲破坏负荷为5 kN，对抽样的4个绝缘子进行弯曲破坏试验，试验结果分别为3.42 kN、2.56 kN、2.80 kN、2.76 kN，不符合标准要求。试验后检查发现绝缘子底部金属附件中心孔配套螺杆丝扣破坏［19］、螺杆从螺母中拔出，绝缘子底部金属部件未破坏（如图1和图2所示）。

2 试验与分析

由于螺杆丝扣发生破坏，首先对螺杆和螺母进行材质、硬度、金相和力学性能分析，分析结果如下。

图1 绝缘子宏观图Fig.1 Drawing of insulator

图2 螺杆脱扣图Fig.2 Drawing of screw damage

2.1 化学成分分析

螺杆、螺母的材质经分析结果如表1所示，试验结果表明，螺杆和螺母材质符合《GB/T 700-2006 碳素结构钢》中Q235 钢的要求，硫、磷含量未超标，即螺杆螺母不存在材料误用或材质不合格的问题。

表1 螺杆、螺母化学成分表Table 1 Chemical composition of screw and nut

2.2 硬度分析

选取螺杆横截面和螺母侧面分别进行布氏硬度试验，试验结果如表2 所示。螺杆和螺母的硬度满足标准《GB/T 3098.1-2010 紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》、《GB/T 3098.2-2015 紧固件机械性能螺母》的要求，说明螺杆和螺母在热处理和机加工过程中未发生硬度升高而塑韧性下降的情况。

表2 硬度试验结果（HB）Table 2 Hardness test results（HB）

2.3 螺杆、螺母金相组织分析

选取螺杆横截面、螺母外侧面进行显微组织分析，金相检验结果如图3、图4 所示。试验结果表明螺杆、螺母金相组织为珠光体+铁素体，铁素体未发生球化，这表明螺杆和螺母在热镀锌过程中未发生过热而导致材料性能下降的情况。

图3 螺杆金相组织Fig.3 Microstructure of screw

图4 螺母金相组织Fig.4 Microstructure of nut

2.4 螺杆和螺母加工精度及配合检查分析

在对螺杆、螺母进一步检查时发现，螺母在旋入螺杆后，存在明显松动的情况，于是对螺杆和螺母的尺寸进行了详细的测量，测量结果如图5、图6 和表3、表4所示。在绝缘子现行的标准和技术规范中，并未对绝缘子中的螺杆和螺母做出详细规定，故本文参照标准《GB/T 197-2003 普通螺纹公差》中最普通的公差等级来对该铁附件的螺杆和螺母进行分析。

图5 螺杆示意图Fig.5 Screw diagram

图5、图6中，D为内螺纹的基本大径（公称直径）；d为外螺纹的基本大径（公称直径）；D1为内螺纹的基本小径；d1为外螺纹的基本小径；h为螺栓螺纹顶部宽度；P为螺距。

2.5 尺寸测量和计算

图6 螺母示意图Fig.6 Schematic diagram of nut

绝缘子底部金属附件中心孔配套螺栓为公称直径M16 的普通C 级六角螺栓，结合标准《GB/T 197-2003普通螺纹公差》和电力生产实际情况，该规格的六角螺栓螺母公差带位置为H，螺杆公差带位置为g，旋合长度为中等组，应选用的公差带组合为Hg，公差精度宜采用6 级，由于本批次螺栓螺母技术文件中未规定具体公差精度和公差等级，本文按标准推荐等级和标准允许最大公差等级分别进行评定。由标准《GB/T 197-2003 普通螺纹公差》可知，螺杆的外径公差Td和基本偏差如表3 所示，螺母的小径公差和基本偏差如表4 所示。对送检的螺杆及螺母的实际尺寸进行测量，测量结果如表3和表4所示。

表3 螺杆尺寸测量结果（单位：mm）Table 3 Screw size measurement results（Unit：mm）

表4 螺母尺寸测量结果（单位：mm）Table 4 Nut size measurement results（Unit：mm）

由测量结果可知，该批次送检的螺栓组件中，螺杆大径的实际尺寸不仅明显小于标准推荐的最小值，也小于标准最粗糙级别的最小值，螺母小径的实际尺寸不仅大于标准推荐的最大值，也大于标准最粗糙级别允许的最大值，二者均不满足标准的要求。这种情况下，当螺杆和螺母在受力时，螺杆和螺母啮合面的面积减小，且啮合面的螺牙厚度变小，导致螺栓的承载能力下降。

为验证该批次螺栓组件加工偏差是否导致螺栓和螺母承载能力的下降及下降幅度，本文对存在偏差的螺杆和螺母进行了楔负载和保载试验，试验方式和试验结果如表5所示。因该批次送检的螺栓组件未提供性能等级和技术要求，本次试验均按照《GB/T 3098.2-2015紧固件机械性能螺母》中最低等级的要求进行评定。

表5 不合格螺杆和螺母楔负载和保载试验结果Table 5 Unqualified screw and nut wedge load and holding test results

根据上述试验结果可知，由于大径偏小的螺杆和小径偏大（以下所述的偏大或偏小，均特指本文中尺寸偏差超出标准允许值的情况）的螺母配合使用时，螺栓螺母组件的保载力降低至标准要求的57.5%。当小径偏大的螺母和标准螺杆配合使用时，螺栓螺母组件保载力降至标准要求的80.7%。

3 结论

本次送检的绝缘子机械性能不合格的原因是其配套的螺栓和螺母尺寸不满足标准要求，螺栓大径偏小，螺母小径偏大，从而导致螺栓螺母匹配后的保证载荷不合格，在绝缘子未达到标准弯曲破坏负荷前螺栓和螺母即发生脱扣。

4 结语

通过上述的实验分析发现配电网支柱绝缘子的紧固件是该类产品的一个薄弱环节，既没有相关的行业标准可以执行，也没有相应的企业标准或者技术文件用于参考。根据多年的抽检经验和近几年发生的多起由于紧固件配合不当导致电网事故的教训，强烈建议制定相应的标准，规范配电网设备紧固件的生产、采购、抽检和安装运行［20］，从而避免由于紧固件质量不合格导致的配网设备事故［21-29］。

此次绝缘子紧固件螺母高度实测值为12.20 mm，属于0型薄螺母，依据《GB/T 3098.2-2015 紧固件机械性能螺母》的要求，薄螺母作为锁紧螺母使用时，不应单独使用，应与一个标准螺母或高螺母配对使用。安装时，应先将薄螺母拧紧到装配零件上，然后再将标准螺母或高螺母拧紧到薄螺母上。建议支柱绝缘子金属附件用螺栓连接件应采用标准螺母或高螺母，采用薄螺母时必须采用双螺母的装配方式［30］。

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