某500kV站A相导线悬垂绝缘子固定螺栓断裂原因分析

技术监督简报
某500kV 站A 相导线悬垂绝缘子固定螺栓断裂原因分析
一、概述
2011年08月14日16时10分，某电厂主控NCS 报警，多条线路保证系统自动启动，NCS5041、5042开关和500KV 唐宁Ⅱ路线路电流下降，只有140A 左右，500KV 唐宁Ⅱ路线路宁德变电站侧开关跳闸。

16时44分，检查人员发现500KV 唐宁Ⅱ路线路A 相导线悬垂绝缘子夹板与下侧三角板的固定螺栓断裂，悬垂绝缘子落下造成出线套管接线处扯断，并将该相避雷器砸落到地面（现场情况见图1、图2）。

随后检查人员对该线路B 相和C 相的同类螺栓也进行检查，发现B 相的螺栓也已经断裂，但并未脱落；C 相的螺栓无异常。

图1 A 相避雷器损坏情况 图
2 断裂螺栓位置
二、断裂原因分析
1．断裂螺栓外观检查及表面粗糙度测量结果表明受检螺栓未按相关规定在其六角头端面标记组别和性能等级，螺杆表面粗糙度严重超标，如图3、4所示，说明该螺栓产品制造不规范，属于非标产品。

特别是表面粗糙度过大，粗大的车削刀痕形成缺口效应，造成表面应力集中，容易诱发裂纹萌生。

断裂螺栓位置
2．断裂螺栓的断口形貌具有典型的疲劳断裂特征，裂纹萌生于外表面，使用过程中受到交变载荷的作用慢慢向心部扩展，最终剩余截面不足以承受外加载荷而发生瞬间断裂。

断裂性质属于疲劳断裂。

图3 螺栓六角头端面 图4 螺杆表面车削刀痕
3．螺栓装配结构如图5所示，螺栓在工作过程中承受了剪切应力和弯曲应力作用，其中主要是弯曲应力的作用导致螺栓断裂。

由于螺栓固定的三角板和夹板之间有较大的间隙，悬挂绝缘子的三角板可以自由摆动，而绝缘子的风阻较大，加上海边刮大风的几率较高，因而三角板经常随着绝缘子来回摆动，并在螺杆表面留下摩擦痕迹，同时导致螺杆中部承受交变的弯曲应力作用，而该处螺杆的下方则承受交变的拉应力作用，从而引发螺栓疲劳裂纹源萌生与扩展。

M16
38mm 32mm
图5 螺栓的装配结构示意图
4．断裂螺栓的化学成分分析结果表明，其化学成分与该类产品标准GB/T3098.6-2000所列的各型号螺栓均有很大差异，化学成分不符合相关标准的技术要求。

主要表现在C 、Mn 含量大幅偏高，Cr 、Ni 含量大幅偏低，因此该螺栓材料的耐腐蚀性较差。

5．金相分析结果表明受检螺栓的金相组织为奥氏体，因而可将其归类于奥氏体不锈钢，但查找相关标准，未见成分与之相匹配的不锈钢牌号。

根据相关标准，在有晶间腐蚀倾向的场合，推荐使用稳定型的A3和A5（含碳量≤0.08%），或者采用含碳量不超过0.03%的A2和A4不锈钢。

该螺栓在有腐蚀气氛的海边使用，并且含碳量为0.17%，远远大于
上述规定。

碳含量越高，材料的耐腐蚀性能越差，在含Cl离子的腐蚀性环境中容易引起晶间腐蚀，加速裂纹的扩展。

同时，该螺栓材料的Cr、Ni含量大幅偏低，也是降低材料耐腐蚀性的重要因素。

由此可见，该螺栓材料不适合在带盐雾气氛的腐蚀性环境中使用。

6．扫描电镜及能谱分析结果表明断裂螺栓断口的主要特征为沿晶脆性断裂，并存在一定量的夹杂物，夹杂物主要为Si、Al等氧化物，这些夹杂物的存在会提高材料的脆性。

此外，夹杂物和螺栓基体都含有Ca、Na和Cl离子成分，它们来源于空气中的腐蚀性盐雾气氛，它是引起螺栓产生晶间腐蚀的环境因素，晶间腐蚀进一步降低材料的力学性能。

综上所述，断裂螺栓用材不合理（耐腐蚀性较差）、生产制造不规范、表面粗糙度（车削刀痕）严重超标，在使用过程中由于悬垂绝缘子摆动引起螺栓中部承受交变弯曲应力作用，同时由于表面刀痕的缺口效应，造成应力集中，促使螺杆中部的外表面萌生疲劳裂纹源，在长期的交变应力作用下该裂纹缓慢向心部扩展。

另外，该螺栓工作于盐雾气氛的腐蚀性环境中，氯离子渗入裂纹中浓缩、聚集并引发奥氏体晶间腐蚀，加速裂纹的沿晶扩展，最终当螺栓剩余截面不足以承受外加载荷时便发生瞬间断裂。

三、结论
500kV唐宁Ⅱ路A相导线悬垂绝缘子三角板固定螺栓因用材不当，其化学成分、表面加工质量不符合相关标准要求，且长期在腐蚀性环境中使用并承受交变弯曲应力作用，导致其发生腐蚀性疲劳断裂，进而引发该线路断线事故。

四、建议
各单位应加强输变电设备金属部件、材料质量的监督工作。

在金属部件或材料订货时应明确相关技术标准或规范；产品到货时应进行质量验收，审查原材料质量保证书、产品质量合格证书及检验报告等技术文件，并进行外观检查和尺寸测量抽查，检查产品标识、外观质量及尺寸是否符合相关标准要求；对于合金钢部件应材质光谱分析符合；必要时，应抽样进行化学成分分析、机械性能测试等进一步的质量检验工作。

（金属工程研究所供稿）。