圖 1 鐵塔防墜導軌脫落現(xiàn)場
分享：某輸電線路鐵塔防墜T型導軌脫落原因
隨著我國超特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，桿塔的高度和數(shù)量明顯增加。為保障作業(yè)人員安全，踐行安全生產(chǎn)，防止高空墜落成為線路安全作業(yè)的首要問題。輸電線路防墜落裝置是保障桿塔高處作業(yè)人員安全的懸掛用品[1]。工區(qū)運維人員在對某特高壓輸電線路開展防墜導軌專項排查時，發(fā)現(xiàn)其鐵塔防墜導軌頂端脫落，在脫落過程中，導軌與邊導線安全距離不足，導致放電的單相接地短路故障，存在嚴重安全隱患。防墜導軌由材料為Q345鋼的T型鋼制成，并通過L型連接板固定在鐵塔上，連接板的設(shè)計材料為Q345鋼。為了找出防墜導軌脫落的原因，確保輸電線鐵塔防墜裝置的安全可靠性，筆者對脫落損傷的防墜T型導軌及連接板進行一系列理化檢驗[2-3]，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
圖1為鐵塔防墜導軌脫落現(xiàn)場。由圖1可知：T型導軌自頂部橫擔部位脫落，自頂部數(shù)第1，2，3根與鐵塔連接的L型連接板全部斷裂，造成T型導軌自橫擔下方約5 m處第4個連接固定點處彎折向右下側(cè)垂落，與右邊導線的最近距離約為8 m。
對T型導軌彎折部位進行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：T型導軌第4個連接點上方發(fā)生近135°彎曲變形，未見明顯的開裂、機械損傷或腐蝕損傷等缺陷。
圖 2 T型導軌彎折部位的宏觀形貌
對L型連接板進行宏觀觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：自頂部數(shù)第1，2，3根連接板均在長螺栓孔處發(fā)生斷裂，其中第1，3根連接板靠近直角部位的長螺栓孔斷裂，該螺栓孔并未與角鋼或?qū)к夁B接，無實際使用意義；第2根連接板與角鋼連接的螺栓孔處發(fā)生斷裂；各連接板的斷裂部位均未見明顯的頸縮變形，斷口平坦且有銹蝕痕跡，斷裂均起源于螺栓孔邊緣并向外側(cè)擴展，斷口上起裂區(qū)、擴展區(qū)、瞬斷區(qū)較為清晰可辨，在擴展區(qū)可以觀察到“海灘狀”疲勞輝紋[4]。
圖 3 L型連接板的宏觀形貌
1.2 幾何尺寸測量
對T型導軌的幾何尺寸進行測量，結(jié)果如表1所示。由表1可知：T型導軌的幾何尺寸符合設(shè)計要求及GB/T 11263—2017 《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》標準規(guī)定的允許尺寸偏差。
Table 1. T型導軌尺寸測量結(jié)果
| 參數(shù) | 寬度 | 高度 | 腹板厚度 |
|---|---|---|---|
| 實測幾何尺寸 | 35.78 | 60.27 | 6.01 |
| 設(shè)計要求 | 36.00 | 60.00 | 6.00 |
| 標準允許尺寸偏差 | －6.00~+4.00 | ±2.00 | ±0.70 |
招標文件中要求防墜T型導軌與鐵塔角鋼采用45°彎曲連接板固定，連接板上與角鋼連接側(cè)及與T型導軌連接側(cè)分別開設(shè)有1個長螺栓孔，兩個螺栓孔互相垂直設(shè)計。但是現(xiàn)場實際使用的是90°直角形狀的L型連接板，其上共開設(shè)有3個螺栓孔，其中與角鋼連接側(cè)開設(shè)有2個尺寸一致的長螺栓孔，而與T型導軌連接側(cè)則開設(shè)有一個圓形螺栓孔，其尺寸測量結(jié)果如表2所示。實際使用連接板的形狀、尺寸及開設(shè)螺栓孔的數(shù)量和型式均不符合設(shè)計要求。
Table 2. 連接板的尺寸測量結(jié)果
| 參數(shù) | 形狀 | 長度 | 寬度 | 厚度 | 螺栓孔直徑 | 螺栓孔長度 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 90°直角 | 195.0~200.0 | 39.12~39.90 | 7.85~8.03 | 19.07 | 45.12 |
| 設(shè)計要求 | 45°彎曲 | 206.5 | 50.00 | 8.00 | 17.50 | 30.00 |
1.3 金相檢驗
在T型導軌彎折部位和L型連接板斷裂部位分別截取橫向試樣，對試樣進行金相檢驗。T型導軌的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：T型導軌組織為等軸狀分布的鐵素體+珠光體，組織中存在大量C類（硅酸鹽類）非金屬夾雜物，為粗系3級；夾雜物的存在導致部分區(qū)域形成明顯的分層缺陷，表面覆有厚度為100 μm的鍍鋅層。
圖 4 T型導軌的微觀形貌
斷裂L型連接板的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：斷裂起源于螺栓孔內(nèi)，起裂區(qū)附近存在螺栓孔加工沖孔形成的裂口缺陷；瞬斷區(qū)裂紋呈沿晶擴展形貌；連接板基體的顯微組織為鐵素體+沿晶界分布的網(wǎng)狀三次滲碳體（Fe3CⅢ），組織中存在較為嚴重的C類（硅酸鹽類）非金屬夾雜物，為粗系3級；表面覆有厚度為91 μm的鍍鋅層。
圖 5 斷裂L型連接板的微觀形貌
1.4 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
利用掃描電子顯微鏡對第3根L型連接板的斷口進行觀察，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：斷裂起裂于螺栓孔邊緣，起裂區(qū)可以觀察到機械損傷的凹槽，擴展區(qū)上可以觀察到互相平行的疲勞條帶，瞬斷區(qū)則呈現(xiàn)典型的“冰糖塊”狀沿晶斷裂特征。
圖 6 L型連接板斷口SEM形貌
利用能譜儀對L型連接板斷口起裂區(qū)進行分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：斷口起裂區(qū)主要含有Zn、Fe、O、Si、Al等元素，未見腐蝕性的酸性或堿性物質(zhì)存在。
圖 7 L型連接板斷口起裂區(qū)的能譜分析結(jié)果
1.5 化學成分分析
利用火花直讀光譜儀對T型導軌及L型連接板進行化學成分分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知：T型導軌鋼和L型連接板的化學成分符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》對Q235鋼的要求，但與GB/T 1591—2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》中要求的Q345鋼的化學組成偏差較大。
Table 3. T型導軌及L型連接板的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | |
| 防墜T型導軌實測值 | 0.12 | 0.16 | 0.37 | 0.017 | 0.020 |
| L型連接板實測值 | 0.08 | 0.10 | 0.43 | 0.027 | 0.022 |
| GB/T 1591—2018標準值 | ≤0.20 | ≤0.5 | ≤1.70 | ≤0.035 | ≤0.035 |
| GB/T 700—2006標準值 | ≤0.22 | ≤0.35 | ≤1.40 | ≤0.045 | ≤0.045 |
1.6 力學性能測試
對T型導軌及L型連接板分別沿縱向取樣，對試樣進行常溫（20 ℃）拉伸試驗及沖擊性能測試[5]，結(jié)果如表4，5所示。由表4可知：T型導軌的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均符合標準GB/T 700—2006對Q235鋼的要求，而不滿足GB/T 1591—2018對Q345鋼的要求。
Table 4. T型導軌常溫拉伸試驗結(jié)果
| 項目 | 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 斷后伸長率/% |
|---|---|---|---|
| 實測值 | 272 | 391 | 40 |
| GB/T 1591—2018標準值 | ≥345 | 470~630 | ≥20 |
| GB/T 700—2006標準值 | ≥235 | 370~500 | ≥26 |
Table 5. L型連接板的常溫拉伸試驗及沖擊性能測試結(jié)果
| 項目 | 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 斷后伸長率/% | 沖擊吸收能量/J |
|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 316 | 397 | 32 | 8 |
| GB/T 1591—2018標準值 | ≥345 | 470~630 | ≥20 | ≥34 |
| GB/T 700—2006標準值 | ≥235 | 370~500 | ≥26 | ≥27 |
由表5可知：L型連接板的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均符合標準GB/T 700—2006對Q235鋼的要求，而不滿足標準GB/T 1591—2018對Q345鋼的要求，沖擊性能遠低于標準GB/T 1591—2018的要求。
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知：連接板斷裂起源于螺栓孔邊緣并向外擴展，擴展區(qū)可以觀察到明顯的“海灘狀”疲勞輝紋，瞬斷區(qū)呈現(xiàn)典型的“冰糖塊”狀沿晶斷裂特征，表明材料發(fā)生了疲勞開裂[6-7]。實際使用連接板的形狀、尺寸及開設(shè)螺栓孔的數(shù)量和型式均不符合設(shè)計要求。發(fā)現(xiàn)導軌與連接板的組織內(nèi)部存在大量非金屬夾雜物，并存在明顯的分層缺陷。L型連接板斷口起裂區(qū)未發(fā)現(xiàn)腐蝕性物質(zhì)，因此可以排除腐蝕斷裂的可能。導軌和連接板的化學成分符合標準對Q235鋼的要求，較Q345鋼的化學組成偏差較大。連接板的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均符合標準對Q235鋼的要求，但不滿足標準對Q345鋼的要求，且材料的沖擊性能遠低于標準要求，表明導軌與連接板使用的材料不符合設(shè)計要求。
3. 結(jié)論與建議
導軌與連接板使用的材料不符合設(shè)計要求，且材料內(nèi)部存在大量三次滲碳體及較嚴重的非金屬夾雜物，使材料強度降低、脆性變大、抗疲勞能力不足，且導軌材料組織中存在嚴重的硅酸鹽類非金屬夾雜物，局部形成分層缺陷，導致導軌材料的強度、剛度及抗振動疲勞能力均不滿足設(shè)計要求。連接板上螺栓孔沖孔工藝不當，有多余開孔，并且在螺栓孔邊緣形成裂口，在運行過程中，原有裂孔部位發(fā)生疲勞開裂，導致連接板沿螺孔徹底斷裂，最終造成導軌與鐵塔分離彎折。
建議按照工程已審合格的原設(shè)計文件對防墜落T型導軌及連接板進行設(shè)計，不得隨意開孔，改變尺寸、角度，更換材料；嚴格控制開孔工藝，把控開孔質(zhì)量，避免形成開孔加工表面裂紋。同時，加強設(shè)計、招標采購、生產(chǎn)制造等階段的技術(shù)監(jiān)督，從源頭把關(guān)；增加工程驗收技術(shù)手段，對導軌安裝平整度、防墜器通過的平滑度等指標進行嚴格把關(guān)，提高工程驗收能力。提高對導軌及其與塔材連接板的重視程度，盡快編制防墜落導軌及其連接板的指導規(guī)范，明確材料、尺寸、開孔形式及位置要求，按標準規(guī)范中規(guī)定防墜落導軌及其連接板的質(zhì)量把控指標和檢測項目執(zhí)行。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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