输电线路金具直角挂板断裂原因分析

李晓宇，马永泉，赵永宁，张华恺，，田利

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，山东 济南 250003；3.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061）

0 引言

电力金具在电力线路中起到连接、支撑和保护的作用，是线路的重要组成，电力金具的安全可靠是电力线路安全运行的重要前提［1-2］。电力金具的断裂失效会直接造成线路跳闸停电等事故，严重影响电网的安全稳定运行。连接金具主要用于绝缘子之间，绝缘子串与金具之间，线夹与绝缘子串之间，避雷线与杆塔之间的连接。直角挂板是使用螺栓组装而成的板形连接件，是一种改变连接方向的转向连接金具，由于其连接方向互成直角，因此变换灵活，适应性强。直角挂板一般采用中厚钢板经冲压弯曲而成。根据结构特点直角挂板可采用钢板进行加工，对于载荷等级较大的直角挂板可采用球磨铸铁或铸钢制造，但不允许采用可锻铸铁铸造。

近年来，随着电网的快速发展，输电线路越来越密集，金具的用量也随之大幅增加，对金具的质量要求越来越高。然而电力金具结构相对简单，易于制造，对制造厂家的要求低，导致厂家数量众多，加工制造水平参差不齐，且往往将其作为一种简易的电器进行粗放型生产，对产品的质量控制不够严格，在材质和制造工艺方容易存在问题，造成电力金具带“病”入网，发生失效断裂事故。近年来因金具质量问题导致断裂掉线而引发的线路停电事故时有发生，严重影响电网的安全运行［3-5］。金具的质量问题应该引起足够的重视。

在金具断裂而引发的线路停电事故的调查分析中发现，很多金具失效发生的原因是金具的材质存在问题。据报道，某220 kV线路的直角挂板因弯制部位存在大量脆性的硅酸盐和铝硅钙夹杂物而最终导致挂板完全断裂［6］；某线路的直角挂板因在加工成型时板材的最大弯处已经存在裂纹，随后在腐蚀介质和周期性风偏振动的共同作用下，裂纹不断扩展最终发生腐蚀疲劳断裂［7］；某110 kV 变电站耦合电容器引流线夹断裂线夹检测发现其金相组织中存在大量针状、纤维状共晶硅组织，为铸造缺陷［8］。

对某220 kV输电线路的直角挂板断裂原因进行讨论，通过宏观检测、扫描电镜微观形貌分析、能谱分析、金相检测等方法分析研究其失效原因，并提出改进建议，为厂家的规范生产提供借鉴，避免此类事故的再次发生。

1 事故概况

2021 年7 月，某220 kV 输电线路新建工程的一批型号为Z-12 的直角挂板，到货存放1 个月后进行安装，安装完成7 天后，工作人员发现1 个直角挂板发生断裂，随后拆除，此时该线路尚未投运。该批次Z-12直角挂板为Q235板材加工成型，表面采用热镀锌工艺处理。

对断裂直角挂板以及该220 kV输电线路使用的同批次直角挂板，进行宏观检查、扫描电镜微观形貌检测以及能谱分析、金相分析等，分析失效原因，并提出改进建议，以避免此类事故的再次发生。

2 试验与分析

2.1 宏观分析

断裂的直角挂板现场情况如图1 所示，挂板在安装到线路上后在拉力作用下出现了明显的断口。拆卸后发现断裂直角挂板上有两个断口，如图2 所示，一个已经完全断开，编号为断口1，另有一个尚未完全开裂的断口，编号为断口2。

图1 直角挂板现场情况

图2 拆卸后的断裂直角挂板

对断裂的直角挂板进行宏观检查，该直角挂板型号为Z-12，主要尺寸符合厂家提供的技术参数。如图3 所示，断口1 断裂发生在U 型弯起弯处。断裂表面有一层铁锈，经过超声清洗处理后，表层黄铁锈可以清除，另外约占断裂面4/5的面积表面仍然覆盖着难以清除的黑褐色铁锈；靠近内弧面约2 mm 厚度区域呈金属光泽。结合受力情况分析，断口1 裂纹由外弧面沿30°～40°角度向内发展，发展到板厚的2/5左右后沿板厚方向垂直向内发展，靠近内弧面呈金属光泽区域最后发生断裂。

图3 断裂直角挂板

断口2 由内弧面向外发展；用手掰开断口2，仅仅连接了很小部分，断面已生黄铁锈，经超声清洗后，黄铁锈可以清除，断口呈金属光泽，该断口为断口1断裂后受力过载造成的二次断裂。

2.2 微观形貌分析

对该直角挂板的断口1 进行超声清洗后，使用扫描电子显微镜（型号Zeiss EVO 18）进行微观形貌检查。图4 中可以观察到，断裂面起始位置的部分表面被一层锈蚀产物覆盖。继续观察，在该断口表面上发现了冰糖状的形貌，如图5 所示，是典型的沿晶断裂特征。沿晶断裂是材料中的裂纹沿晶界扩展而产生的一种断裂，属于脆性断裂［7］。

图4 断口起始位置微观形貌

图5 断口微观形貌

2.3 能谱分析

使用Oxford能谱仪对2个断口进行能谱分析，断口1、2 各取2 点1a、1b、2a、2b，取样点的能谱分析结果如表1所示，表1 中，取样点的位置如图6 中框选区域，能谱分析如图7所示。在断口1检测出锌元素，距断裂面外端面2～3 mm 区域两点的锌含量分别为18.8%、11.0%，在断口2 的断面中则没有检测出锌元素的存在。对断口1 进行能谱的面扫描分析，如图8所示，发现锌元素在断口表面分布均匀。这证明了断口1 的裂纹在直角挂板加工成型之后，热镀锌工艺之前已经存在，为原始裂纹，进行热镀锌时锌元素渗透到了裂纹中［7］。另外断口的元素成分较为复杂，Si、S等其他元素可能是来自环境污染物。

图6 能谱分析取样位置

图7 断口的能谱分析谱图

图8 断口1的面扫描结果

表1 断口的能谱分析结果 单位：%

2.4 金相分析

为了进一步探究原始裂纹产生的原因，对断裂直角挂板和同批次另一挂板分别取样进行金相组织分析。对样品进行机械抛光后，使用4%硝酸酒精溶液侵蚀，用Axio Vert A1金相显微镜进行观察。

断裂直角挂板的母材组织如图9 所示，为等轴状铁素体和沿晶界分布的网状渗碳体。断裂直角挂板的U 型弯处的金相组织如图10 所示，为变形的铁素体和网状渗碳体，金相组织在加工时被弯曲拉长，符合加工工艺特征。挂板U 弯内弧面侧的金相组织如图11 所示，最外为镀锌层，厚度约21 μm，与镀锌层相邻的是受到热镀锌工艺影响的晶粒长大层，此部分区域厚度约100 μm，内侧是铁素体和沿晶界分布的网状渗碳体。

图9 断裂直角挂板的母材

图10 断裂直角挂板U弯处

图11 断裂直角挂板U弯内弧面

断口横截面的金相组织如图12 所示，为铁素体和沿晶界分布的网状渗碳体，可以观察到二次裂纹和破碎的晶粒，断裂面是沿着晶界的表面发展，具有沿晶断裂的特征。

图12 断口横截面

作为对比，另取一同批次完好直角挂板进行观察，如图13 所示，其金相组织为等轴状铁素体和珠光体，与断裂挂板金相组织不同，表明断裂挂板的板材组织存在异常。与图9 相比，其金相组织和晶粒大小都存在差异，钢材热处理时的温度、保温时间和降温速度都会对晶粒大小产生影响。

图13 同批次直角挂板金相组织

2.5 常温机械性能拉伸检测

取同批次完好直角挂板3 件，加载到标称破坏载荷，保持60 s，然后加载到标称破坏载荷的1.2 倍，未断裂，破坏荷重符合技术参数要求。

3 分析与讨论

3.1 实验结果分析

根据宏观检查、断口的扫描电镜微观形貌和能谱检测等结果进行分析，该直角挂板断口1 的断裂发生在U 型弯起弯处，由外弧面沿30°～40°角度向内发展，发展到板厚的2/5左右沿板厚方向垂直向内发展，断口表面覆盖着难以清除的黑褐色铁锈；对该断口进行能谱分析时，在取样两点和进行面扫描分析均检测出锌元素的存在，表明在加工成型后已经存在此裂纹，在表面热浸镀锌处理时渗进锌元素。断口2 的裂纹由内弧面向外发展，表面黄铁锈可以清除，断口呈金属光泽，且对该断口进行能谱分析时未检出锌元素，该断口应为断口1 失效断裂后，受力过载造成的二次断裂。综上可以得出，该直角挂板断口1 为起始裂纹断口，且原始裂纹在加工成型后，表面热浸镀锌处理进行之前已经存在。

通过金相检测进一步分析后发现，送样断裂直角挂板的金相组织与随机抽样完好直角挂板不同，送样断裂直角挂板的板材存在明显异常。完好挂板母材金相组织为等轴状铁素体和珠光体，而断裂挂板母材金相组织为等轴状铁素体和沿晶界分布的网状渗碳体。渗碳体会导致材料的晶界脆化，在外力的作用下形成应力集中，硬而脆的渗碳体破碎产生微裂纹，并使裂纹沿晶界扩展，最终造成试样沿晶界断裂［9-10］。这与扫描电镜微观形貌检测中得到的结果，断口具有冰糖状的沿晶断裂形貌相吻合。故挂板母材中网状渗碳体的存在应该是导致该挂板发生断裂的根本原因。

3.2 渗碳体对钢材的影响

3.2.1 链状渗碳体的影响

在低碳钢中，受到外力时塑性变形主要发生在铁素体中，而渗碳体在受冲压外力作用时几乎不发生形变。铁素体为钢中的软韧相，硬度低，伸长率好，在冲压时很容易产生塑性变形；而渗碳体硬度高，为脆而硬的相，变形能力差，在基体中起阻碍变形的作用［11］。从金属学理论得知，金属的塑性变形主要是通过滑移进行的，而滑移是靠位错在滑移面上的运动来发生的，因此，当铁素体的变形受到渗碳体的阻碍时，位错在滑移面的障碍前塞积起来，造成高度应力集中［12］。当渗碳体呈链状分布时，就形成了铁素体中位错滑移的阻碍，当应力集中达到强度极限时，发生断裂。

3.2.2 网状渗碳体的影响

当渗碳体沿晶界分布构成连续或近于连续的网状时，铁素体的变形受渗碳体的限制，当应力集中到材料的强度极限时，就会在晶界处产生裂纹，这是导致弯曲开裂甚至断裂的原因之一。从金属学理论的角度来讲，在晶粒的晶界上存在着较多空位、位错等缺陷，点阵畸变大，存在晶界能高，并且具有原子排列的不规则性，对金属材料的塑性变形起阻碍作用［12］。当渗碳体沿晶界分布呈网状时，其本身具有的阻碍作用与晶界的阻碍作用相叠加，在受外力作用时，位错就会在这个滑移面的障碍前堆积起来，运动受阻而产生高度应力集中，使渗碳体沿界面发生分离，在周围逐渐形成显微空洞，随着变形量的增加，应力也会随之增加，这些显微空洞不断长大、连接形成显微裂纹，当冷弯形变量达到一定的程度后，显微裂纹进一步扩展成微裂纹、裂纹、裂缝甚至发生断裂。因此网状渗碳体的危害要高于链状渗碳体，会使得材料在受力发生变形时更易开裂［12-14］。

综上可知，当渗碳体以分散的状态在钢中存在时，对钢的塑性几乎没有影响；当渗碳体在晶界表面聚集，连接成链状甚至网状包围着铁素体晶粒时，钢的塑性下降，在外力作用下产生裂纹最终导致断裂失效的发生。为了避免此种情况的发生，应从问题产生的源头，钢材生产加工工艺进行分析。

钢材在退火或者正火时，由于加热温度过高或者冷却速度过分缓慢会造成先共析相沿奥氏体晶界析出，亚共析钢中的先共析铁素体或过共析钢中的二次渗碳体析出后形成网状组织［15］。所以热处理时温度不能太高，冷却速度不能过缓。在进行淬火时，亚共析钢中的网状组织会自行消除，而过共析钢中的网状组织则必须进行一次正火处理，才能使网状的二次渗碳体溶入奥氏体当中。网状碳化物出现后，一般采用退火后提高淬火温度重新处理。在实际的生产中，应选择合适的热处理和降温速度，避免网状渗碳体的产生［15-18］。

与之相似的，钢中夹杂物的存在也是导致材料产生裂纹乃至失效的重要因素。当钢板发生塑性变形时，基体首先变形，晶粒中的位错在滑移面上运动，而夹杂物的存在，阻碍了位错的运动。同时夹杂物与钢的基体在物理性质和变形能力方面存在较大差异，夹杂物使钢基体的均匀连续性受到破坏。在加工过程中，若钢产生塑性变形，夹杂物不发生变形，那么在两者交界处便会产生应力集中，进而产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起失效断裂的隐患［6，13］。所以在生产中应该提高钢材的纯净度，避免夹杂物的出现。

4 结语

所分析断裂直角挂板的板材金相组织异常，组织中存在网状渗碳体。挂板中的铁素体在轧制过程中被碾成细条状，且与钢板表面平行分布，塑性差的网状渗碳体在轧制过程中几乎不发生形变。网状渗碳体的存在，破坏了板材内部基体的连续性。在外力作用下，韧性好的铁素体首先变形，晶粒中位错的堆积导致网状渗碳体处产生应力集中，使其沿晶界表面发生分离，在周围逐渐形成显微空洞，随着冷弯变形量的增加，应力也会随之增加，这些显微空洞不断长大、连接最终形成了显微裂纹，当冷弯形变量达到一定的程度后，显微裂纹进一步生长成裂纹。故原始缺陷在加工成型时受到应力作用逐步发展成裂纹，并且在直角挂板进行表面热浸镀锌处理时，锌元素渗入到裂纹内部。该直角挂板在安装到线路上后，受到外部拉应力的作用，裂纹继续发展至断裂发生。

同批次的直角挂板送样检测未发现异常，该直角挂板的断裂具有偶然性，暴露了生产厂家对于金具的生产质量管控存在漏洞。本次失效事故发生的主要原因在于板材出现问题，冷冲压板材多为低碳钢和低碳合金钢，一般在原材料状态下使用。由于厂家对原材料的热处理状态和显微组织的要求不够严格，导致在生产中，出现因板材中存在着较多沿晶界分布的网状渗碳体或呈链状分布的渗碳体，而造成的冲压失效。为保证冲压件的成材率，应对用于冲压钢板的原材料组织状态提出明确的要求。同时要避免材料的金相组织中夹杂物超标等缺陷问题。生产厂家应加大对原材料的抽检力度，保证金具制造使用的板材质量符合要求，力求从源头上避免此类质量问题的发生。

同时，供电公司应加大对该线路同批次金具的巡检。在安装前，建议对金具进行宏观检测或磁粉无损探伤检验，确认其是否存在原始裂纹，防止由于金具断裂而引发线路故障。电网公司应提高对线路金具质量的重视程度，对供货商实行严格的电网设备准入制度，加强金属监督检查项目及标准规范的执行，同时重视产品入网前的检验，将质量把控关口前移，确保入网设备质量过关，保证电网安全稳定运行。