500 kV 输电线路耐张线夹钢锚断裂分析①

徐望圣， 孙志林， 谢 亿， 陈亮平， 何朋非

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局，贵州 贵阳550081； 2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙410007； 3.湖南省湘电锅炉压力容器检验中心有限公司，湖南 长沙410004）

某500 kV 线路于2016 年底进行线路改造，新安装了一批地线耐张线夹。 2019 年2 月，型号为NY-100.1GY的耐张线夹（材质为Q235A）在钢锚部位发生了断裂。地线耐张线夹是一种将地线固定在非直线杆塔的绝缘子上，对地线起锚固作用的电力金具。 在500 kV 输电线路中，常用的耐张线夹为液压型耐张线夹［1］，由铝套管和钢锚组成，安装时将地线插入空心钢锚中，通过专用液压设备和模具对钢锚进行压接，确保线夹和地线稳固连接，施工时必须严格按照相关的压接规程执行安装。 由于压接、腐蚀等原因，导线脱落以致线夹损伤的案例时有发生［2-6］，但在钢锚部位发生断裂的案例较为罕见。 为了探讨耐张线夹钢锚发生断裂的原因，本文从断口形貌、化学成分、力学性能和金相组织等方面进行了分析。

1 实 验

选用断裂钢锚和同批次未压接新钢锚（以下简称对比试样）作为试验材料，在FOUNDRY-MASTER Pro型牛津全谱立式直读光谱仪上进行成分分析。 在UTM5105 型万能材料试验机上进行室温拉伸试验，测定其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率。 采用JBN-300 型冲击试验机测定室温冲击功。 采用HB-3000 布氏硬度计测定材料的布氏硬度。 在蔡司显微镜上观察金相组织，利用JSM-6360LV 型扫描电镜观察断口原始形貌。

2 实验结果及讨论

2.1 宏观检查

断裂钢锚弯曲明显，测量钢锚实际变形尺寸为压接管长度的8.4%，远大于DL／T 5285—2013《输变电工程架空导线及地线液压压接工艺规程》［7］中要求的2%。 断口位于压接区第一模位置，在同一横截面上钢锚压接变形量差别较大，观察6 个压接面的压痕深度，其中3 个压接面压痕较浅，3 个压接面压痕较深，最深处深度约3 mm，各压接面变形形貌和断口形貌如图1所示。 从断口形貌可见断面上存在明显黑色异物区，测量该异物区深度为5 mm，可判定该区域为始断区；而带有金属光泽呈亮色的区域为终断区，终断区有明显撕裂岭，断口无明显塑性变形。

图1 钢锚断面压接形貌和断口形貌

在正常压接中，各压接面的压痕深度应一致，而断裂钢锚各压接面压痕深度异常，检查结果表明压接工艺存在问题。 断口宏观形貌显示，钢锚断裂属于典型的脆性断裂。

2.2 成分分析

在断裂钢锚和对比试样的拉环部位线切割取圆柱形样品，将切割面在金相砂纸上磨平并用酒精清洗后进行化学成分测试，实测化学成分符合GB／T700—2006《碳素结构钢》［8］关于Q235A 的要求，试验结果如表1 所示。

表1 钢锚成分（质量分数）／%

2.3 力学性能分析

2.3.1 拉伸性能

在断裂钢锚和对比试样上沿钢锚纵向取样，测量材料的室温拉伸性能，断裂钢锚取压接区样品。 断裂钢锚和对比试样的力学性能如表2 所示。 对比试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均符合标准要求，而断裂钢锚的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均发生了较大变化，材料抗拉强度和屈服强度分别提高45%和41%，断后伸长率降低75%，说明经过冷压后材料强度得到了大幅提高，但塑性大幅降低。

表2 钢锚力学性能结果

2.3.2 冲击性能

在断裂钢锚和对比试样上沿钢锚纵向加工5 mm ×10 mm × 55 mm 的V 型缺口非标准试样，测量材料的室温冲击性能，其中断裂钢锚取压接区样品。 GB／T 700—2006《碳素结构钢》对Q235A 的冲击性能未做要求［8］。 断裂钢锚和对比试样的冲击试验结果如表2 所示。 从表2 结果可知，压接后的钢锚冲击韧性降低了58%，为31.0 J。 结合压接样品断后伸长率的实测数据，相互验证了材料的韧性显著降低。

2.3.3 硬 度

在断裂钢锚和对比试样实心部位切取试样，在钢锚横截面上测量样品硬度。 GB／T 700—2006《碳素结构钢》对于Q235A 的硬度未做要求，但DL／T 757—2009《耐张线夹》［9］要求钢锚硬度不大于156HB。 硬度试验结果如表2 所示。 从表2 结果可知，压接后的钢锚硬度提升了72%，为210HB，远远超过标准要求。

由相关力学性能试验结果可知，钢锚在压接（冷变形）后，材料强度显著提高，韧性显著降低。 这是因为在金属的塑性变形过程中，金属的变形方式以滑移为主，其本质是源源不断的位错沿着滑移面运动，从而导致位错增殖，位错密度增加，相互间的抗力随之增加。 随着变形抗力增大，位错运动阻力变大，位错便越易在晶体中塞积，位错密度增加也就越快，这两者相互作用便促使了材料强度的增加和塑性的降低。

2.4 金相显微组织分析

在断裂钢锚断口部位取样，在对比试样对应位置取样，观察材料纵向金相组织，如图2 所示。 材料金相组织为铁素体＋珠光体，断裂钢锚组织形态和对比试样相同，珠光体流线型分布，未发现异常组织。 按照GB／T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测量标准评级图显微检验法》［10］对断裂钢锚进行夹杂物评定，评定为1.5 级的C 类（硅酸盐类）夹杂，如图2（c）所示。

2.5 断口分析

2.5.1 原始断口

原始断口在酒精浸泡下用超声波清洗后，在扫描电子显微镜下观察，断口微观形貌与能谱分析结果见图3。 始断区依然被异物覆盖，始断区断口形貌无法观察；始断区和终断区有明显分界面，能谱分析表明，左侧为铁的氧化物，右侧为纯铁。

图3 断口微观形貌和能谱结果

用化学药水清洗断口表面，去除氧化皮后观察断口原始形貌，断口表面未见明显疲劳辉纹特征，如图4所示。 断口形貌特征表明，钢锚断裂不是疲劳导致。

图4 化学清洗断口后始断区微观形貌

能谱分析结果表明始断区存在氧化物，该氧化物为断口在空气中暴露氧化所致，氧化物的存在表明始断区在钢锚完全断裂前已开裂较长时间。 始断区可能在材料成型或后续压接等工序中产生，但钢锚在成型完成后，为了增加材料的抗大气腐蚀性能，增加了热浸镀锌工艺，而在始断区的能谱检测中未发现锌元素，说明始断区是在钢锚镀锌之后产生的，即钢锚的始断区不是在钢锚制造加工工程中产生的。

2.5.2 冲击断口

断裂钢锚和对比试样的冲击断口微观形貌见图5。 断裂钢锚冲击试样断口平齐，具有明显解理特征，为典型脆性断裂形式；对比试样冲击断口有明显韧窝和人字形山脊状花纹，呈韧性断裂形式。 冲击试验表明，压接后的钢锚失效形式以脆性断裂为主。

图5 冲击试样断口微观形貌

2.6 分 析

综上所述，钢锚压接后弯曲明显，并且第一模压接部位钢锚挤压变形程度不均匀，形成了明显的台阶，该台阶成为应力集中部位。 应力集中部位的始断区原始形貌无明显疲劳特征，断裂钢锚冲击试验表明，钢锚断裂属于脆性断裂。 能谱分析结果表明，始断区存在时间较长，并且始断区可能是安装过程中产生。 钢锚安装时经压接工序后材料的强度大幅提高，韧性大幅降低，压接后钢锚抵御冲击的能力进一步降低，表明该钢种不适合在需要承受冲击载荷的环境中使用。 压接工艺控制不当、材料设计选型裕量偏低是钢锚断裂的主要原因。 在施工安装时应严格执行压接工艺，避免出现应力集中部位；材料选型时裕量适当放大便可杜绝此类问题的发生。

3 结 论

1） 压接工艺控制不当，在压接第一模部位产生了台阶，造成应力集中，该部位成为钢锚最容易断裂位置。

2） 结果表明，钢锚断裂的原因主要是压接工艺控制不当，在第一模部位产生了应力集中；钢锚压接后加工硬化效应明显，相较压接前钢锚硬度提高了72%，为210HB，室温冲击韧性降低了58%，为31 J，致使钢锚抵御冲击载荷能力降低，最终在应力集中部位断裂。

3） 钢锚材料Q235A 不适合在冲击环境中服役。