分享：某输电线路铁塔防坠T型导轨脱落原因

随着我国超特高压电网的建设，杆塔的高度和数量明显增加。为保障作业人员安全，践行安全生产，防止高空坠落成为线路安全作业的首要问题。输电线路防坠落装置是保障杆塔高处作业人员安全的悬挂用品[1]。工区运维人员在对某特高压输电线路开展防坠导轨专项排查时，发现其铁塔防坠导轨顶端脱落，在脱落过程中，导轨与边导线安全距离不足，导致放电的单相接地短路故障，存在严重安全隐患。防坠导轨由材料为Q345钢的T型钢制成，并通过L型连接板固定在铁塔上，连接板的设计材料为Q345钢。为了找出防坠导轨脱落的原因，确保输电线铁塔防坠装置的安全可靠性，笔者对脱落损伤的防坠T型导轨及连接板进行一系列理化检验[2-3]，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

图1为铁塔防坠导轨脱落现场。由图1可知：T型导轨自顶部横担部位脱落，自顶部数第1，2，3根与铁塔连接的L型连接板全部断裂，造成T型导轨自横担下方约5 m处第4个连接固定点处弯折向右下侧垂落，与右边导线的最近距离约为8 m。 

图  1  铁塔防坠导轨脱落现场

对T型导轨弯折部位进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：T型导轨第4个连接点上方发生近135°弯曲变形，未见明显的开裂、机械损伤或腐蚀损伤等缺陷。 

图  2  T型导轨弯折部位的宏观形貌

对L型连接板进行宏观观察，结果如图3所示。由图3可知：自顶部数第1，2，3根连接板均在长螺栓孔处发生断裂，其中第1，3根连接板靠近直角部位的长螺栓孔断裂，该螺栓孔并未与角钢或导轨连接，无实际使用意义；第2根连接板与角钢连接的螺栓孔处发生断裂；各连接板的断裂部位均未见明显的颈缩变形，断口平坦且有锈蚀痕迹，断裂均起源于螺栓孔边缘并向外侧扩展，断口上起裂区、扩展区、瞬断区较为清晰可辨，在扩展区可以观察到“海滩状”疲劳辉纹[4]。 

图  3  L型连接板的宏观形貌

1.2   几何尺寸测量

对T型导轨的几何尺寸进行测量，结果如表1所示。由表1可知：T型导轨的几何尺寸符合设计要求及GB/T 11263—2017 《热轧H型钢和剖分T型钢》标准规定的允许尺寸偏差。 

招标文件中要求防坠T型导轨与铁塔角钢采用45°弯曲连接板固定，连接板上与角钢连接侧及与T型导轨连接侧分别开设有1个长螺栓孔，两个螺栓孔互相垂直设计。但是现场实际使用的是90°直角形状的L型连接板，其上共开设有3个螺栓孔，其中与角钢连接侧开设有2个尺寸一致的长螺栓孔，而与T型导轨连接侧则开设有一个圆形螺栓孔，其尺寸测量结果如表2所示。实际使用连接板的形状、尺寸及开设螺栓孔的数量和型式均不符合设计要求。 

1.3   金相检验

在T型导轨弯折部位和L型连接板断裂部位分别截取横向试样，对试样进行金相检验。T型导轨的微观形貌如图4所示。由图4可知：T型导轨组织为等轴状分布的铁素体+珠光体，组织中存在大量C类（硅酸盐类）非金属夹杂物，为粗系3级；夹杂物的存在导致部分区域形成明显的分层缺陷，表面覆有厚度为100 μm的镀锌层。 

图  4  T型导轨的微观形貌

断裂L型连接板的微观形貌如图5所示。由图5可知：断裂起源于螺栓孔内，起裂区附近存在螺栓孔加工冲孔形成的裂口缺陷；瞬断区裂纹呈沿晶扩展形貌；连接板基体的显微组织为铁素体+沿晶界分布的网状三次渗碳体（Fe3CⅢ），组织中存在较为严重的C类（硅酸盐类）非金属夹杂物，为粗系3级；表面覆有厚度为91 μm的镀锌层。 

图  5  断裂L型连接板的微观形貌

1.4   扫描电镜（SEM）及能谱分析

利用扫描电子显微镜对第3根L型连接板的断口进行观察，结果如图6所示。由图6可知：断裂起裂于螺栓孔边缘，起裂区可以观察到机械损伤的凹槽，扩展区上可以观察到互相平行的疲劳条带，瞬断区则呈现典型的“冰糖块”状沿晶断裂特征。 

图  6  L型连接板断口SEM形貌

利用能谱仪对L型连接板断口起裂区进行分析，结果如图7所示。由图7可知：断口起裂区主要含有Zn、Fe、O、Si、Al等元素，未见腐蚀性的酸性或碱性物质存在。 

图  7  L型连接板断口起裂区的能谱分析结果

1.5   化学成分分析

利用火花直读光谱仪对T型导轨及L型连接板进行化学成分分析，结果如表3所示。由表3可知：T型导轨钢和L型连接板的化学成分符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》对Q235钢的要求，但与GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》中要求的Q345钢的化学组成偏差较大。 

1.6   力学性能测试

对T型导轨及L型连接板分别沿纵向取样，对试样进行常温（20 ℃）拉伸试验及冲击性能测试[5]，结果如表4，5所示。由表4可知：T型导轨的屈服强度、抗拉强度及断后伸长率均符合标准GB/T 700—2006对Q235钢的要求，而不满足GB/T 1591—2018对Q345钢的要求。 

由表5可知：L型连接板的屈服强度、抗拉强度及断后伸长率均符合标准GB/T 700—2006对Q235钢的要求，而不满足标准GB/T 1591—2018对Q345钢的要求，冲击性能远低于标准GB/T 1591—2018的要求。 

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：连接板断裂起源于螺栓孔边缘并向外扩展，扩展区可以观察到明显的“海滩状”疲劳辉纹，瞬断区呈现典型的“冰糖块”状沿晶断裂特征，表明材料发生了疲劳开裂[6-7]。实际使用连接板的形状、尺寸及开设螺栓孔的数量和型式均不符合设计要求。发现导轨与连接板的组织内部存在大量非金属夹杂物，并存在明显的分层缺陷。L型连接板断口起裂区未发现腐蚀性物质，因此可以排除腐蚀断裂的可能。导轨和连接板的化学成分符合标准对Q235钢的要求，较Q345钢的化学组成偏差较大。连接板的屈服强度、抗拉强度及断后伸长率均符合标准对Q235钢的要求，但不满足标准对Q345钢的要求，且材料的冲击性能远低于标准要求，表明导轨与连接板使用的材料不符合设计要求。 

3.   结论与建议

导轨与连接板使用的材料不符合设计要求，且材料内部存在大量三次渗碳体及较严重的非金属夹杂物，使材料强度降低、脆性变大、抗疲劳能力不足，且导轨材料组织中存在严重的硅酸盐类非金属夹杂物，局部形成分层缺陷，导致导轨材料的强度、刚度及抗振动疲劳能力均不满足设计要求。连接板上螺栓孔冲孔工艺不当，有多余开孔，并且在螺栓孔边缘形成裂口，在运行过程中，原有裂孔部位发生疲劳开裂，导致连接板沿螺孔彻底断裂，最终造成导轨与铁塔分离弯折。 

建议按照工程已审合格的原设计文件对防坠落T型导轨及连接板进行设计，不得随意开孔，改变尺寸、角度，更换材料；严格控制开孔工艺，把控开孔质量，避免形成开孔加工表面裂纹。同时，加强设计、招标采购、生产制造等阶段的技术监督，从源头把关；增加工程验收技术手段，对导轨安装平整度、防坠器通过的平滑度等指标进行严格把关，提高工程验收能力。提高对导轨及其与塔材连接板的重视程度，尽快编制防坠落导轨及其连接板的指导规范，明确材料、尺寸、开孔形式及位置要求，按标准规范中规定防坠落导轨及其连接板的质量把控指标和检测项目执行。

文章来源——材料与测试网