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去应力铁塔螺栓更能保证线路安全



日期:2011-1-14   点击:9431次
      电力螺栓作为输电线路铁塔的关键连接件,其质量性能对线路安全运行起着重要作用。输电线路铁塔在运行中,由于受到电缆等张力及风摆的作用,会导致螺栓局部受力不均。情况严重时,会导致未经去应力退火处理的螺栓发生疲劳脆断,严重威胁线路的安全运行。2008年发生的雨雪冰冻灾害所造成的铁塔设施倒塌,在一定程度上与螺栓失效有关。

  螺栓为何会失效

  螺栓失效就是螺栓产生的作用力不能使多个部件构成一个整体,使某些部件发生断裂、失稳等现象。显然,螺栓受静载荷过大,或者在承受可变、反复荷载时,都会出现滑丝断裂或疲劳断裂。

  螺栓失效的方式有以下几种:加工成型时螺栓中心或周边存在裂纹导致的螺栓失效;使用、安装不当导致的螺栓失效,如拧紧螺栓时扭矩过大发生缩颈甚至断裂,安装时零部件之间的相互位置精度不够产生变形,没有把螺栓锁至螺栓屈服点等。不过,实践中最常见的螺栓失效方式是螺栓本身的疲劳脆断。

  目前,国内电力行业铁塔螺栓生产厂家普遍采用冷镦成型加工工艺和局部加热热锻成型加工工艺两种方法。这两种工艺生产的螺栓都具有较大的残余应力,在使用过程中容易出现疲劳脆断,对输电线路正常运行带来较大的安全隐患。

  残余应力的形成

  螺栓残余应力的形成主要有以下两种情况:

  第一种是冷镦成型加工工艺。原材料冷拉,螺栓头部成型过程中,因冷成型金属纤维折叠而形成的缩径、螺纹挤压成形过程中,均因冷作硬化而形成残余应力。

  第二种是局部加热热锻成型加工工艺。材料在几秒钟内被快速加热(900摄氏度以上),因加热不均,可能过烧或欠烧,导致加热与未加热界面处形成残余应力。

  这两种工艺都会使材料发生塑性变形,材料组织与性能发生不均匀变化。由于变形不均匀,螺栓会产生残余内应力。螺栓内应力的存在具有时间延迟断裂失效的特性,即使螺栓被安装使用,在低于屈服强度的拉应力作用下(如风摆、受压、低温),经过一段时间后,仍然可能因疲劳而发生突然断裂。

  将去应力退火处理和未经去应力退火处理的螺栓进行实验对比,可以发现:去应力退火处理后的螺栓在延伸率、冲击韧性和扭转破坏时的扭角都有大幅度提高,这些指标的改善有利于提高螺栓在输电线路运行中的抗疲劳性能,从而提高了螺栓的实际使用寿命。而去应力退火处理的螺栓硬度有所降低,螺栓的残余应力降低幅度更是达到5倍多。去应力退火处理后的螺栓金相组织图像也表明,原来不均匀变形的晶粒经去应力退火后得到调整,晶粒变形分布更加均匀。这更有利于提高螺栓的抗疲劳脆断性能。

  冷镦成型及局部加热成型的螺栓硬度、强度高,但延展性差、残余应力大、易脆断、抗疲劳性差。而去应力螺栓具有良好的抗冲击韧性和延展性,残余应力小甚至基本消失、不易脆断,使用寿命高。

  目前,国内电力螺栓普遍采用冷镦成型或局部加热成型两种生产工艺,产品易产生疲劳断裂,存在较大的安全隐患,直接影响到整个输电线路的安全运行。

  华南理工大学土木与交通学院自2010年1月开始,对强度等级在8.8级以下、经去应力退火处理的螺栓在铁塔安装和线路运行中跟踪调查,一年来,未发现螺栓疲劳脆断现象。

  基于试验结果和去应力退火处理螺栓使用过程中未发现疲劳脆断的事实,结合国外相关标准规定,可以发现:所有用于电力铁塔的8.8级以下热浸镀锌螺栓,须采用去应力处理,才能有效防止螺栓疲劳脆断,从而保证线路长期安全运行。

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