输电线路用U型环失效分析及预防

孙贺斌，周治伊，吕岩婷

(1.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，甘肃 兰州 730070；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

受西北地区风沙大、气候多变等自然环境的影响，输电线路的工作环境相对比较恶劣，连接金具的失效会给输电线路造成较大的安全隐患；同时连接金具的更换困难，会造成大量的人力和财力的浪费，因此对输电线路连接金具的失效分析显得至关重要。

下面借助一起U 型环断裂事故分析案例，通过各种检测方法，总结并整理了U 型环断裂失效预防措施，为西北地区输电线路安全运行提供参考。

1 事故概况

某线路改造施工过程中，施工人员在新3 号塔下相导线紧线时发现1 只U 型环断裂，见图1。工作负责人发现这一情况后立即通知施工单位停工。随后对某生产厂商生产的型号为U-0770 的U 型环进行了拉力试验，在拉力达到5 t 时，发现该型号U 型环出现裂缝并出现穿心螺栓弯曲现象。据核实，该U 型环原材质为Q235，φ16 mm 圆棒，经锻造后热弯成型。

图1 已断裂失效U 型环

2 试验检测

2.1 取样部位说明

本次分析共收到已断裂U 型环1 个(为下相、下子线、调节板连接处)，已开裂U 型环1 个(5 t拉力试验)，完好U 型环4 个。化学成分分析、断口分析、金相检验、无损检测试样编号及取样部位见表1。

表1 试验项目及取样部位对照表

2.2 化学成分分析

对编号HF-1 已断裂U 型环、编号HF-3 开裂U 型环及编号HF-5 完好U 型环进行了化学成分分析，分析结果见表2。

表2 化学成分分析(质量分数) %

由表2 看出，编号HF-1，3，5 的U 型环的化学成分符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》标准要求。

2.3 磁粉检测

对试样编号WS-4，WS-5，WS-6，WS-7完好U 型90°内弧度处进行磁粉检测，检测结果见表3。

表3 磁粉检测

检测结果表面编号WS-5，WS-6，WS-7 完好U 型环试样在90°内弧度处存在原始表面缺陷，不符合GB/T 2314—2016《电力金具通用技术条件》相关要求。

2.4 显微组织分析

对编号HF-3 试样主要裂纹附近区域进行金相检验，试样表面与裂纹周边存在同样的珠光体及铁素体组织，无局部魏氏体组织，另外珠光体带状组织并不十分严重，且裂纹的走向与珠光体的条带大致呈垂直关系，裂纹穿晶内部扩展，裂纹源周边存在细微的小裂纹，呈典型的穿晶断裂特征，如图2 所示。

图2 裂纹尖端(100×)

2.5 断口分析

借助影像测量仪，从宏观断口形貌可见，该U型环存在开口型环向折叠缺陷，断口存在一次断裂区及二次断裂区，一次断裂区起源位于90°内弧部位近表面1.404～1.568 mm 之间，表面存在红褐色的腐蚀产物并存在锌液渗入痕迹；二次断裂区洁净且平齐，无明显塑性变形，断口表面呈结晶颗粒状。

3 失效原因及预防措施

由以上检验结果表明，由于弯制过程中90°内弧部位产生表面缺陷，导致U 型环受力承载面积变小并产生应力集中，随着原始缺陷的深度增加，应力集中系数从1.0 增加至4.0。有效承载面积的变小、应力集中系数的增加造成U 型环承载能力可能最大下降至设计值的四分之一。结合U 型环运行环境等因素综合分析，失效主要原因为设计、制造把控不严，检验不到位等因素。为避免U 型环失效，可采取以下措施进行预防控制[1-3]。

(1) 对U 型环进行无损检测，避免存在90°内弧及其他部位由于应力集中而产生原始裂纹的U型环进入安装工序

(2) 由于U型环大部分材质为Q235，耐磨性差，考虑西北地区风沙大、气候多变等特点，可采用耐磨性较好的45Mn2 或35CrMo[4]。

(3) U 型环表面一般为镀锌层，而镀锌层的抗腐蚀性、耐磨性较弱，可通过喷涂耐磨性高的高碳钢、镀铝或铝锌合金进行表面强化等来改善连接金具的耐磨性和耐腐蚀性。

(4) 改变接触方式，增大接触面积，从而降低局部应力集中。如用直接挂板替代U 型环[5-6]。

(5) 缩短对在役U 型环的检查周期及增加检查频率。

4 结论

针对这起U 型环断裂事故，总结了几种预防U 型环断裂失效的措施，为U 型环设计提供参考，也为电网在役U型环连接金具运行、检查提供参考。