某输电线路球头挂环缺陷分析

2022-05-18叶建锋冯红武周学明李楚涵

湖北电力 2022年1期

关键词：球头金具磁粉

叶建锋，冯红武，周学明，李楚涵

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北武汉 430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北武汉 430077；3.武汉理工大学，湖北武汉 430070）

0 引言

金具是架空输电线路中的重要受力部件，起到了连接导线、地线和钢结构的作用，金具一旦出现断裂，将导致导线掉落，输电线路因金具失效而产生的故障时有发生［1-10］。

球头挂环是金具的一种，其受力复杂，在输电线路金具故障中比例较高［11-21］。参考文献［22］中提到，对于特高压工程的球头挂环，国家电网有限公司要求厂家在出厂前对其进行100%的磁粉检测，可见球头挂环的重要性。

1 概况

运维人员在巡视过程中发现某500 kV输电线路工程的导线某个球头挂环存在形态疑似裂纹的表面开口缺陷，该线路处于1级舞动区，大小号侧档距比例为2.18，与大号侧高差为70.9 m，所在线路区段均为偏向与东西走向，球头的上部为UB挂板，UB挂板直接与铁塔连接，球头下部为绝缘子串，球头挂环的型号为QP16。

2 试验与分析

2.1 宏观检查及尺寸测量

对球头挂环进行尺寸测量，如图1所示。

对球头挂环进行宏观检查，发现表面存在一处长为20 mm的表面开口缺陷，如图2所示。

图2 球头挂环表面缺陷Fig.2 Defect on the surface of the ball-eye

2.2 化学成分分析

对球头挂环进行化学成分分析，结果如表1所示，对照《GB/T 699-2015 优质碳素结构钢》，其牌号为60Mn。根据标准GB/T 699-2015，60Mn 的抗拉强度为不小于690 MPa，而球头挂环的直径为20.10 mm，计算得到其破坏载荷为不小于218.94 kN，满足该型号球头挂环的标称破坏载荷不小于160 kN的要求。

表1 光谱分析结果Table 1 Spectrum analysis results

2.3 拉力试验

对球头挂环进行拉力试验，当试验力达到222 kN时，球头挂环的圆环处发生变形，且连接球头挂环的螺栓弯曲，但球头挂环未在缺陷处断裂，试验力满足该型号球头挂环的标称破坏载荷不小于160 kN 的要求，合格。

2.4 金相分析

将球头挂环切断后沿着图3所示的虚线对样品进行取样，得到图4所示的样品。

图3 取样部位Fig.3 Sampling location

图4 样品Fig.4 Sample

将样品打磨抛光后使用100 倍金相显微镜观察并测量缺陷深度，如图5 所示，缺陷与表面成45°夹角，垂直表面的深度为0.585 mm，倾斜深度为0.7 mm。

图5 缺陷深度Fig.5 Defect depth

对样品腐蚀后进行金相组织观察，如图6所示（左上角为缺陷尖端，右上角为缺陷中部，左下角为金具中心部位，右下角为金具外表面）。

金具的金相组织均为铁素体加珠光体，从图6 中可见，缺陷两侧及金具外表面的金相组织中铁素体含量高于金具中心部位，表明金具缺陷两侧和金具外表面均存在脱碳。

图6 金相组织Fig.6 Metallographic structure

2.5 能谱分析

使用扫描电镜和能谱仪对缺陷附近的化学成分分布进行分析，结果如图7 所示，由此可见，缺陷内部和金具外表面均有相近含量的锌元素（颜色越亮的部位元素含量越高）。

图7 能谱分析结果Fig.7 Energy spectrum analysis

3 综合分析

首先，金相分析显示缺陷两侧金相组织存在脱碳，而钢材需在600 ℃以上且与空气接触才会发生明显的脱碳（钢材表面的碳原子与空气中的氧气和水蒸气发生氧化反应产生甲烷或CO），对于锻造的金具而言，脱碳发生在钢材加热至初锻温度，一直至终锻结束。由此可见，缺陷产生于锻造过程中，图8为某厂家的球头挂环制造工艺，其锻造过程温度维持在850 ℃以上。

图8 球头挂环制造工艺Fig.8 Manufacturing technology of ball-head

其次，从Zn 元素的分布也可以判断，球头挂环在锻造过程中产生了缺陷，镀锌过程中由于毛细现象，熔融的锌液渗入缺陷中，导致缺陷中富含锌元素。

最后，根据裂纹的扩展规律，裂纹沿着表面扩展的同时，也会朝深度方向扩展，目前该球头挂环缺陷在表面的长度为20 mm，而缺陷深度仅为0.585 mm。参考另一起球头挂环断裂故障的断口（如图9 所示），该球头挂环裂纹长度也为20 mm，而深度则达到6 mm，这表明该缺陷并非为运行后产生的裂纹。

图9 另一起故障的断口Fig.9 A fracture from another failure

综上所述，该球头挂环表面的缺陷实际上为锻造过程中产生的折叠，为原始制造缺陷［23-25］。

4 原始缺陷查找方法的经验总结

在进行金具断裂分析时，当金具的断口有一部分腐蚀严重无法分辨是否存在原始缺陷时，可以先选择一个与断口平行的平面进行金相分析，测量金具表面脱碳层厚度，再使用车床将断面附近的金具表面脱碳层去除，最后对去除了脱碳层的表面（曲面）进行金相分析，查找断面附近是否存在脱碳区域，存在脱碳区域的即为原始缺陷区域，分析步骤如图10 所示。