摘 要:通過宏觀檢查、化學成分分析、力學性能試驗、X 射線數字成像(DR)檢測、金相分析、斷 口分析等方法對某５００kV 輸電線路四分裂導線間隔棒斷裂失效原因進行了分析.結果表明:間 隔棒材料ZL１０２鑄造鋁合金變質處理不充分、組織狀態異常,鑄造質量差、存在嚴重的鑄造缺陷, 使得間隔棒支架的承載能力嚴重不足,在導線運行中的風擺、舞動等載荷作用下于支架嚴重缺陷處 形成極大的應力集中并超過其承載極限,是間隔棒斷裂失效的根本原因. 

關鍵詞:ZL１０２鑄造鋁合金;間隔棒;斷裂;DR檢測;鑄造缺陷;應力集中 

中圖分類號:TM７５ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４４２Ｇ０５

架空輸電線路是電力系統中的重要生命線工 程.作為一種典型的風振敏感結構,架空輸電線路 桿塔高、跨度大,所處環境復雜多變,極易受極端強 風雨災害天氣的影響[１].特別是在地處祖國北部邊 疆的內蒙古,季節性強風和冰雪災害引起的輸電線 路故障給電力系統的安全穩定運行帶來了極大的 危害.

輸電線 路 分 裂 導 線 間 隔 棒 主 要 用 于 在 運 行 情況下保持分裂導 線 的 幾 何 形 狀,一 方 面 可 保 證 子導線間的電氣性 能,另 一 方 面 可 限 制 子 導 線 之 間的相 對 運 動 及 避 免 子 導 線 間 發 生 鞭 擊 損 傷. 蒙西電網某５００kV 輸電線路在運行 過 程 中 發 生 四分裂導線間隔棒 斷 裂 失 效 事 故,給 線 路 安 全 帶 來極大隱患.該間隔棒型號為JZF４Ｇ４５４００,材料 為 ZL１０２鑄造鋁合金,線路于２０１４年１２月投產運行,于２０１７ 年 ３ 月 巡 視 過 程 中 發 現 間 隔 棒 斷 裂現象,線路投運 僅 ２．５a(年),屬 于 典 型 的 早 期 失效.

為查明該四分裂導線間隔棒斷裂原因,提出合 理的防范措施,筆者對斷裂的間隔棒進行了全面檢 驗和分析,同時對該批次的２０支間隔棒進行了整體 的 X射線數字成像(DigitalRadioscopy,DR)檢測 與分析[２Ｇ３]. 

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢查 

從現場勘察來看,斷裂間隔棒為５００kV 輸電 線路第１７４號鐵塔左相小號側導線第二個四分裂導 線間隔棒,斷裂位于間隔棒支架右上近轉角部位,如 圖１所示. 

從圖２的宏觀形貌來看,間隔棒斷裂于承載的 支架近轉角部位,整體呈現扭轉斷裂的特征,雙面 支架均斷裂,說明同相的４條支導線存在運動和受力不同步的情況.此外,斷口表現為無任何塑性變形 的脆性斷裂特征,斷口表面粗糙,存在大量的尺寸不 一的縮孔、冷隔及氣孔等鑄造缺陷,宏觀結構狀態較 為疏松;同時在間隔棒支架表面也可以觀察到較為 嚴重的表面冷隔缺陷,不符合 DL/T７６８．５－２００２ [４] 對鋁制件表面不允許存在冷隔、可見裂紋的要求. 此外,斷口表面呈暗灰色,有一定程度氧化,且斷口 表面積存了較多的塵土,說明斷口形成時間較長.

１．２ 化學成分分析

依據 GB/T７９９９－２０１５«鋁及鋁合金直讀發射 光譜分析方法»對斷裂四分裂導線間隔棒的化學成 分進行分析,結果如表１所示.可見該間隔棒各元 素含量均符合 GB/T１１７３－２０１３ [５]對 ZL１０２鑄造 鋁合金成分的技術要求.

１．３ 力學性能試驗 

對斷裂的間隔棒自支架部位截取試樣進行硬度 測試,結果見表２.可以看出,間隔棒無嚴重缺陷部 位的硬度符合 GB/T１１７３－２０１３ [５]對 ZL１０２鑄造 鋁合金硬度的技術要求. 

１．４ DR檢測與分析

利用 DR技術對四分裂導線間隔棒進行透視檢 測.結果發現,在間隔棒承載機械載荷的上部支架 部位存在大量的縮孔、孔洞、冷隔等鑄造缺陷,且雙 面支架均存在嚴重缺陷,如圖３所示.

抽取同批次未使用的庫存２０支新間隔棒進行 整體 DR檢測,發現所有間隔棒的上部支架部位均 存在嚴重的鑄造缺陷,且缺陷基本分布于相同的位 置,如圖４所示.說明該批次鑄鋁間隔棒存在嚴重 的家族性鑄造缺陷. 

１．５ 金相分析 

在斷裂間隔棒的近斷口處取樣、制樣后使用光 學顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)進行金相分析. 間隔棒的顯微組織為:樹枝狀的αＧAl固溶體＋粗大 黑色針 狀 或 片 狀 硅 與 鋁 基 固 溶 體 組 成 的 共 晶 體 (αＧSi),如圖５所示.對于 AlＧSi二元合金,當合金 熔體溫度降低到液相線以下滿足形核要求時,初生 αＧAl開始形核從液相中析出,隨著αＧAl初生枝晶的 不斷生長,凝固前沿不斷排出硅溶質,由于溶質擴散 速度低于枝晶的生長速度,凝固前沿會出現硅溶質 的富集且越來越多,當溫度達到共晶點附近時,部分 剩余液相的成分達到共晶成分,該部分中的溶質不再變化.當溫度低于共晶點時,剩余液相全部轉化 為共晶組織,且共晶組織主要分布于初生枝晶及晶 粒邊界區域[６].此外,組織中存在大量的疏松、縮 孔、針孔及冷隔等鑄造缺陷.

由于鑄造時冷卻速度慢,ZL１０２鑄造鋁合金容 易形成粗大針片狀的共晶組織,使得合金性能較差, 因而需要進行變質處理進行組織的細化,以改善其 力學性能.組織中大量針棒狀共晶體的存在說明該 間隔棒材料的變質處理不充分,以至于使其在使用 過程中產生應力集中,再加上大量鑄造缺陷的存在, 會對間隔棒的韌性和強度等力學性能產生嚴重的不 利影響[７Ｇ８].

１．６ 掃描電鏡斷口分析 

利用掃描電子顯微鏡對四分裂導線間隔棒斷口 進行微區形貌特征分析.間隔棒斷口表面存在大量 尺寸不一的縮孔、冷隔、氣孔等鑄造缺陷,并有自表 面向內部擴展的線性冷隔缺陷.斷口微觀形貌為河 流狀花樣,呈解理斷裂模式,無韌窩等韌性斷裂特 征,也無疲勞輝紋等疲勞開裂特征,說明材料塑性 差、脆性大,與金相分析結果相吻合,如圖６所示.

２ 綜合分析 

四分裂導線間隔棒具有一定的力學強度,材料 為ZL１０２鑄造鋁合金,其鑄造方法為金屬型鑄造, 又稱硬模鑄造,是將液體金屬澆入到金屬模型中而 獲得鑄件的一種鑄造方法.金屬型鑄造中用到的鑄 型是由金屬制造的,可以反復多次使用,相對于砂型 鑄造,金屬型鑄造工序簡單,生產的鑄件力學性能較 高,鑄件的精度和表面光潔度也較高.但金屬型鑄 造也有很大不足,因為鑄造過程中金屬型不透氣,沒 有退讓性,很容易導致鑄件澆不足、縮孔、冷隔、開裂 等缺陷的產生[９Ｇ１０].

從 DR檢測結果可以看出,所檢測的全部間隔 棒在承載機械載荷的支架上半部及支架與線夾裝配 連接部位都存在嚴重的孔洞、冷隔及開裂等缺陷,說 明鑄造工藝存在缺陷,致使該批次鑄鋁間隔棒存在 嚴重的家族性材料缺陷.而在間隔棒支架表面和內 部存在的大量疏松、縮孔、針孔、冷隔等缺陷,大大減 小了支架的有效承載截面積,嚴重降低了支架的承 載能力.

ZL１０２鑄造合金一般具有較好的鑄造工藝性 能,可以加工出形狀復雜的零件[１１],沒有熱裂和疏 松的傾向,氣密性也較高、耐蝕性較好,但當該合金 為熔融態時吸氣傾向性很大,所以其鑄件很容易形 成針孔,一般在澆鑄前液體金屬需要進行變質處理 (如用鈉或鈉鹽)來改善合金的組織和力學性能.但 從金相分析結果可知,間隔棒顯微組織中存在較為 嚴重的孔洞和粗大針狀及棒狀的硅與鋁基固溶體組 成的共晶硅,這些孔洞和大量針片狀共晶硅的存在 會使間隔棒在使用過程中發生應力集中,對工件的 力學性能特別是塑性和韌性產生不利影響. 

從受力角度來分析,在四分裂導線承受風擺、舞 動、覆冰、脫冰等異常載荷而引起的跳躍作用下,間 隔棒的４個線夾承受較大的且不同步的軸向拉力, 產生４根導線間的不同步運動,形成較大的扭轉應 力.由于間隔棒各部位為剛性連接,因此必然會在 支架上鑄造缺陷嚴重的部位形成極大的應力集中并 與不良組織產生的應力集中相疊加,當受力超過材 料強度極 限 時,便 會 在 間 隔 棒 支 架 部 位 產 生 扭 轉斷裂.

３ 結論及建議 

存在嚴重鑄造缺陷和組織缺陷的四分裂導線間 隔棒在北方寒冷季節大風引發的風擺、舞動等異常 載荷作用下于承載支架部位形成極大的應力集中, 引發支架自鑄造缺陷處開裂與擴展,并最終導致間 隔棒的脆性斷裂.

為保證四分裂導線間隔棒的質量,應嚴格控制 和優化鑄造工藝. 

參考文獻: 

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文章來源——材料與測試網