電(dian)力(li)螺(luo)栓(shuan)作為輸電(dian)線路(lu)鐵(tie)塔的關(guan)鍵連接(jie)件,其質量性能對線路(lu)安(an)全運行(xing)起著重要作用(yong)。輸電(dian)線路(lu)鐵(tie)塔在運行(xing)中,由于受到電(dian)纜等張力(li)及風擺的作用(yong),會導(dao)致螺(luo)栓(shuan)局(ju)部受力(li)不均。情況嚴重時,會導(dao)致未經去應(ying)力(li)退(tui)火處理的螺(luo)栓(shuan)發(fa)生(sheng)(sheng)疲勞脆斷(duan),嚴重威脅線路(lu)的安(an)全運行(xing)。2008年發(fa)生(sheng)(sheng)的雨(yu)雪冰凍災害所造成的鐵(tie)塔設施倒塌,在一定程度上(shang)與螺(luo)栓(shuan)失(shi)效有關(guan)。
螺(luo)栓(shuan)為何會失效
螺栓失(shi)效就(jiu)是(shi)螺栓產生的(de)作用力不能使多個(ge)部件構成一(yi)個(ge)整體,使某些部件發生斷(duan)(duan)裂、失(shi)穩等現象。顯(xian)然,螺栓受靜載荷過大(da),或者在承受可(ke)變、反(fan)復荷載時(shi),都會(hui)出現滑絲(si)斷(duan)(duan)裂或疲勞(lao)斷(duan)(duan)裂。
螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)失(shi)(shi)效(xiao)的方式有(you)以下幾種:加工成型(xing)時螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)中(zhong)心或(huo)周邊(bian)存在(zai)裂(lie)紋導致(zhi)的螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)失(shi)(shi)效(xiao);使用、安裝不(bu)當導致(zhi)的螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)失(shi)(shi)效(xiao),如擰緊螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)時扭矩過大發生縮頸甚至斷(duan)裂(lie),安裝時零部(bu)件(jian)之間的相互位(wei)置精度不(bu)夠(gou)產生變(bian)形,沒有(you)把螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)鎖至螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)屈服點(dian)等。不(bu)過,實踐中(zhong)最常見(jian)的螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)失(shi)(shi)效(xiao)方式是螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)本(ben)身的疲(pi)勞(lao)脆斷(duan)。
目前,國(guo)內(nei)電力行業鐵塔螺栓生產廠(chang)家普遍(bian)采用冷鐓(dui)成(cheng)型加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)和局部(bu)加(jia)熱熱鍛成(cheng)型加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)兩種方法。這兩種工(gong)(gong)(gong)(gong)藝(yi)生產的(de)(de)螺栓都具(ju)有較大的(de)(de)殘余應力,在使用過程中容易出現疲勞脆斷(duan),對輸電線路正常運行帶(dai)來較大的(de)(de)安(an)全(quan)隱患。
殘余應力的形成
螺(luo)栓(shuan)殘余應(ying)力的形成主(zhu)要(yao)有以下兩(liang)種(zhong)情況:
第一種是冷(leng)(leng)鐓(dui)成(cheng)型(xing)加工(gong)工(gong)藝。原材(cai)料冷(leng)(leng)拉,螺栓頭部成(cheng)型(xing)過程中(zhong),因冷(leng)(leng)成(cheng)型(xing)金屬纖維(wei)折疊而(er)形(xing)成(cheng)的縮徑、螺紋擠壓成(cheng)形(xing)過程中(zhong),均因冷(leng)(leng)作硬化而(er)形(xing)成(cheng)殘余應力。
第二(er)種是局部加(jia)熱(re)(re)熱(re)(re)鍛成型加(jia)工工藝。材料(liao)在幾秒鐘內(nei)被快速加(jia)熱(re)(re)(900攝氏度以上),因加(jia)熱(re)(re)不均(jun),可能過燒(shao)(shao)或欠燒(shao)(shao),導致(zhi)加(jia)熱(re)(re)與未加(jia)熱(re)(re)界(jie)面處形成殘余應(ying)力。
這兩種(zhong)工藝都會使材料發(fa)生(sheng)塑性變形,材料組織與性能發(fa)生(sheng)不均勻(yun)變化。由于變形不均勻(yun),螺栓(shuan)(shuan)會產生(sheng)殘余(yu)內(nei)應力。螺栓(shuan)(shuan)內(nei)應力的(de)存(cun)在具有時間(jian)延(yan)遲斷裂失效的(de)特(te)性,即使螺栓(shuan)(shuan)被安裝使用,在低于屈(qu)服(fu)強度(du)的(de)拉應力作(zuo)用下(xia)(如風(feng)擺、受壓、低溫(wen)),經過一段(duan)時間(jian)后,仍(reng)然可(ke)能因(yin)疲勞而發(fa)生(sheng)突然斷裂。
將去(qu)(qu)應(ying)(ying)力退火處(chu)理(li)和未經去(qu)(qu)應(ying)(ying)力退火處(chu)理(li)的(de)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)進行實(shi)驗(yan)對比,可以發(fa)現:去(qu)(qu)應(ying)(ying)力退火處(chu)理(li)后(hou)的(de)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)在延伸率、沖擊韌性(xing)和扭轉破壞時的(de)扭角都有(you)(you)大幅(fu)(fu)度提(ti)高(gao)(gao),這些指(zhi)標(biao)的(de)改善有(you)(you)利于(yu)提(ti)高(gao)(gao)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)在輸電線(xian)路運行中的(de)抗(kang)疲(pi)勞性(xing)能(neng),從而(er)(er)提(ti)高(gao)(gao)了螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)的(de)實(shi)際使用(yong)壽命。而(er)(er)去(qu)(qu)應(ying)(ying)力退火處(chu)理(li)的(de)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)硬度有(you)(you)所降低(di),螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)的(de)殘余應(ying)(ying)力降低(di)幅(fu)(fu)度更是達到(dao)(dao)5倍(bei)多(duo)。去(qu)(qu)應(ying)(ying)力退火處(chu)理(li)后(hou)的(de)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)金相組織圖(tu)像(xiang)也表明,原(yuan)來(lai)不均勻變(bian)形的(de)晶(jing)粒經去(qu)(qu)應(ying)(ying)力退火后(hou)得到(dao)(dao)調整,晶(jing)粒變(bian)形分布更加均勻。這更有(you)(you)利于(yu)提(ti)高(gao)(gao)螺(luo)栓(shuan)(shuan)(shuan)(shuan)的(de)抗(kang)疲(pi)勞脆斷(duan)性(xing)能(neng)。
冷(leng)鐓成(cheng)型及局部加(jia)熱成(cheng)型的螺栓(shuan)硬度、強度高,但延展性(xing)差、殘余應(ying)(ying)力大、易(yi)脆(cui)斷、抗(kang)疲勞性(xing)差。而(er)去(qu)應(ying)(ying)力螺栓(shuan)具有(you)良好的抗(kang)沖(chong)擊韌性(xing)和延展性(xing),殘余應(ying)(ying)力小(xiao)甚至基本消失、不易(yi)脆(cui)斷,使用壽(shou)命高。
目前,國(guo)內電力(li)螺栓普遍(bian)采用冷(leng)鐓成型或局部(bu)加熱成型兩(liang)種生產工藝,產品易產生疲勞斷裂,存在較大的安(an)(an)全隱患,直接影響(xiang)到整個輸電線路(lu)的安(an)(an)全運行。
華南理工大學(xue)土(tu)木與交通學(xue)院自2010年(nian)1月(yue)開始,對強(qiang)度等級在(zai)(zai)8.8級以下、經去應(ying)力(li)退火處理的螺栓在(zai)(zai)鐵塔(ta)安裝和線路運行中(zhong)跟蹤調查,一年(nian)來,未發現(xian)螺栓疲勞脆斷現(xian)象。
基(ji)于試驗結(jie)果和去(qu)應力(li)(li)退火處理螺栓(shuan)使(shi)用過程中未發現(xian)疲(pi)勞脆(cui)斷的事實,結(jie)合國外相關(guan)標準規(gui)定,可以(yi)(yi)發現(xian):所(suo)有用于電(dian)力(li)(li)鐵塔(ta)的8.8級以(yi)(yi)下熱(re)浸鍍鋅螺栓(shuan),須采(cai)用去(qu)應力(li)(li)處理,才能有效(xiao)防止螺栓(shuan)疲(pi)勞脆(cui)斷,從而保證線路長期安全運行。