摘 要:通过宏观检查、化学成分分析、力学性能试验、X 射线数字成像(DR)检测、金相分析、断 口分析等方法对某５００kV 输电线路四分裂导线间隔棒断裂失效原因进行了分析.结果表明:间 隔棒材料ZL１０２铸造铝合金变质处理不充分、组织状态异常,铸造质量差、存在严重的铸造缺陷, 使得间隔棒支架的承载能力严重不足,在导线运行中的风摆、舞动等载荷作用下于支架严重缺陷处 形成极大的应力集中并超过其承载极限,是间隔棒断裂失效的根本原因.
关键词:ZL１０２铸造铝合金;间隔棒;断裂;DR检测;铸造缺陷;应力集中
中图分类号:TM７５ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４４２Ｇ０５
架空输电线路是电力系统中的重要生命线工 程.作为一种典型的风振敏感结构,架空输电线路 杆塔高、跨度大,所处环境复杂多变,极易受极端强 风雨灾害天气的影响[１].特别是在地处祖国北部边 疆的内蒙古,季节性强风和冰雪灾害引起的输电线 路故障给电力系统的安全稳定运行带来了极大的 危害.
输电线 路 分 裂 导 线 间 隔 棒 主 要 用 于 在 运 行 情况下保持分裂导 线 的 几 何 形 状,一 方 面 可 保 证 子导线间的电气性 能,另 一 方 面 可 限 制 子 导 线 之 间的相 对 运 动 及 避 免 子 导 线 间 发 生 鞭 击 损 伤. 蒙西电网某５００kV 输电线路在运行 过 程 中 发 生 四分裂导线间隔棒 断 裂 失 效 事 故,给 线 路 安 全 带 来极大隐患.该间隔棒型号为JZF４Ｇ４５４００,材料 为 ZL１０２铸造铝合金,线路于２０１４年１２月投产运行,于２０１７ 年 ３ 月 巡 视 过 程 中 发 现 间 隔 棒 断 裂现象,线路投运 仅 ２．５a(年),属 于 典 型 的 早 期 失效.
为查明该四分裂导线间隔棒断裂原因,提出合 理的防范措施,笔者对断裂的间隔棒进行了全面检 验和分析,同时对该批次的２０支间隔棒进行了整体 的 X射线数字成像(DigitalRadioscopy,DR)检测 与分析[２Ｇ３].
１ 理化检验
１．１ 宏观检查
从现场勘察来看,断裂间隔棒为５００kV 输电 线路第１７４号铁塔左相小号侧导线第二个四分裂导 线间隔棒,断裂位于间隔棒支架右上近转角部位,如 图１所示.
从图２的宏观形貌来看,间隔棒断裂于承载的 支架近转角部位,整体呈现扭转断裂的特征,双面 支架均断裂,说明同相的４条支导线存在运动和受力不同步的情况.此外,断口表现为无任何塑性变形 的脆性断裂特征,断口表面粗糙,存在大量的尺寸不 一的缩孔、冷隔及气孔等铸造缺陷,宏观结构状态较 为疏松;同时在间隔棒支架表面也可以观察到较为 严重的表面冷隔缺陷,不符合 DL/T７６８．５－２００２ [４] 对铝制件表面不允许存在冷隔、可见裂纹的要求. 此外,断口表面呈暗灰色,有一定程度氧化,且断口 表面积存了较多的尘土,说明断口形成时间较长.
１．２ 化学成分分析
依据 GB/T７９９９－２０１５«铝及铝合金直读发射 光谱分析方法»对断裂四分裂导线间隔棒的化学成 分进行分析,结果如表１所示.可见该间隔棒各元 素含量均符合 GB/T１１７３－２０１３ [５]对 ZL１０２铸造 铝合金成分的技术要求.
１．３ 力学性能试验
对断裂的间隔棒自支架部位截取试样进行硬度 测试,结果见表２.可以看出,间隔棒无严重缺陷部 位的硬度符合 GB/T１１７３－２０１３ [５]对 ZL１０２铸造 铝合金硬度的技术要求.
１．４ DR检测与分析
利用 DR技术对四分裂导线间隔棒进行透视检 测.结果发现,在间隔棒承载机械载荷的上部支架 部位存在大量的缩孔、孔洞、冷隔等铸造缺陷,且双 面支架均存在严重缺陷,如图３所示.
抽取同批次未使用的库存２０支新间隔棒进行 整体 DR检测,发现所有间隔棒的上部支架部位均 存在严重的铸造缺陷,且缺陷基本分布于相同的位 置,如图４所示.说明该批次铸铝间隔棒存在严重 的家族性铸造缺陷.
１．５ 金相分析
在断裂间隔棒的近断口处取样、制样后使用光 学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)进行金相分析. 间隔棒的显微组织为:树枝状的αＧAl固溶体＋粗大 黑色针 状 或 片 状 硅 与 铝 基 固 溶 体 组 成 的 共 晶 体 (αＧSi),如图５所示.对于 AlＧSi二元合金,当合金 熔体温度降低到液相线以下满足形核要求时,初生 αＧAl开始形核从液相中析出,随着αＧAl初生枝晶的 不断生长,凝固前沿不断排出硅溶质,由于溶质扩散 速度低于枝晶的生长速度,凝固前沿会出现硅溶质 的富集且越来越多,当温度达到共晶点附近时,部分 剩余液相的成分达到共晶成分,该部分中的溶质不再变化.当温度低于共晶点时,剩余液相全部转化 为共晶组织,且共晶组织主要分布于初生枝晶及晶 粒边界区域[６].此外,组织中存在大量的疏松、缩 孔、针孔及冷隔等铸造缺陷.
由于铸造时冷却速度慢,ZL１０２铸造铝合金容 易形成粗大针片状的共晶组织,使得合金性能较差, 因而需要进行变质处理进行组织的细化,以改善其 力学性能.组织中大量针棒状共晶体的存在说明该 间隔棒材料的变质处理不充分,以至于使其在使用 过程中产生应力集中,再加上大量铸造缺陷的存在, 会对间隔棒的韧性和强度等力学性能产生严重的不 利影响[７Ｇ８].
１．６ 扫描电镜断口分析
利用扫描电子显微镜对四分裂导线间隔棒断口 进行微区形貌特征分析.间隔棒断口表面存在大量 尺寸不一的缩孔、冷隔、气孔等铸造缺陷,并有自表 面向内部扩展的线性冷隔缺陷.断口微观形貌为河 流状花样,呈解理断裂模式,无韧窝等韧性断裂特 征,也无疲劳辉纹等疲劳开裂特征,说明材料塑性 差、脆性大,与金相分析结果相吻合,如图６所示.
２ 综合分析
四分裂导线间隔棒具有一定的力学强度,材料 为ZL１０２铸造铝合金,其铸造方法为金属型铸造, 又称硬模铸造,是将液体金属浇入到金属模型中而 获得铸件的一种铸造方法.金属型铸造中用到的铸 型是由金属制造的,可以反复多次使用,相对于砂型 铸造,金属型铸造工序简单,生产的铸件力学性能较 高,铸件的精度和表面光洁度也较高.但金属型铸 造也有很大不足,因为铸造过程中金属型不透气,没 有退让性,很容易导致铸件浇不足、缩孔、冷隔、开裂 等缺陷的产生[９Ｇ１０].
从 DR检测结果可以看出,所检测的全部间隔 棒在承载机械载荷的支架上半部及支架与线夹装配 连接部位都存在严重的孔洞、冷隔及开裂等缺陷,说 明铸造工艺存在缺陷,致使该批次铸铝间隔棒存在 严重的家族性材料缺陷.而在间隔棒支架表面和内 部存在的大量疏松、缩孔、针孔、冷隔等缺陷,大大减 小了支架的有效承载截面积,严重降低了支架的承 载能力.
ZL１０２铸造合金一般具有较好的铸造工艺性 能,可以加工出形状复杂的零件[１１],没有热裂和疏 松的倾向,气密性也较高、耐蚀性较好,但当该合金 为熔融态时吸气倾向性很大,所以其铸件很容易形 成针孔,一般在浇铸前液体金属需要进行变质处理 (如用钠或钠盐)来改善合金的组织和力学性能.但 从金相分析结果可知,间隔棒显微组织中存在较为 严重的孔洞和粗大针状及棒状的硅与铝基固溶体组 成的共晶硅,这些孔洞和大量针片状共晶硅的存在 会使间隔棒在使用过程中发生应力集中,对工件的 力学性能特别是塑性和韧性产生不利影响.
从受力角度来分析,在四分裂导线承受风摆、舞 动、覆冰、脱冰等异常载荷而引起的跳跃作用下,间 隔棒的４个线夹承受较大的且不同步的轴向拉力, 产生４根导线间的不同步运动,形成较大的扭转应 力.由于间隔棒各部位为刚性连接,因此必然会在 支架上铸造缺陷严重的部位形成极大的应力集中并 与不良组织产生的应力集中相叠加,当受力超过材 料强度极 限 时,便 会 在 间 隔 棒 支 架 部 位 产 生 扭 转断裂.
３ 结论及建议
存在严重铸造缺陷和组织缺陷的四分裂导线间 隔棒在北方寒冷季节大风引发的风摆、舞动等异常 载荷作用下于承载支架部位形成极大的应力集中, 引发支架自铸造缺陷处开裂与扩展,并最终导致间 隔棒的脆性断裂.
为保证四分裂导线间隔棒的质量,应严格控制 和优化铸造工艺.
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文章来源——材料与测试网
