全自然灾害呈逐年增加趋势,阿根廷旱灾、澳大利亚洪灾、北半球低温以及2011年新发自然灾害等,我国南方冻雨,北方九省市遇冬旱,鲁豫局部达特旱等级,往年冬季大雪把电力供应设备冻坏、短路的现象时有发生,或者一颗小小螺丝就能导致一场大的灾难。

    电力铁塔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,会导致铁塔螺栓局部受力不均。情况严重时,会导致未经去应力退火处理的铁塔螺栓发生疲劳脆断,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,在一定程度上与铁塔螺栓失效有关。

    铁塔螺栓为何会失效

    铁塔螺栓失效就是铁塔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,铁塔螺栓受静载荷过大,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。

    铁塔螺栓失效的方式有以下几种:加工成型时铁塔螺栓中心或周边存在裂纹导致的铁塔螺栓失效;使用、安装不当导致的铁塔螺栓失效,如拧紧铁塔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,没有把铁塔螺栓锁至铁塔螺栓屈服点等。不过,实践中最常见的铁塔螺栓失效方式是铁塔螺栓本身的疲劳脆断。

   目前,国内电力行业铁塔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。这两种工艺生产的铁塔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。

   铁塔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,铁塔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,铁塔螺栓会产生残余内应力。铁塔螺栓内应力的存在具有时间延迟断裂失效的特性,即使铁塔螺栓被安装使用,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铁塔螺栓进行实验对比,可以发现:去应力退火处理后的铁塔螺栓在延伸率、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铁塔螺栓在输电线路运行中的抗疲劳性能,从而提高了铁塔螺栓的实际使用寿命。而去应力退火处理的铁塔螺栓硬度有所降低,铁塔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铁塔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。这更有利于提高铁塔螺栓的抗疲劳脆断性能。

    冷镦成型及局部加热成型的铁塔螺栓硬度、强度高,但延展性差、残余应力大、易脆断、抗疲劳性差。而去应力铁塔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,国内电力铁塔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铁塔螺栓在铁塔安装和线路运行中跟踪调查,一年来,未发现铁塔螺栓疲劳脆断现象。

    基于试验结果和去应力退火处理铁塔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级以下热浸镀锌铁塔螺栓,须采用去应力处理,才能有效防止铁塔螺栓疲劳脆断,从而保证线路长期安全运行。