全自然災害呈逐年增加趨勢,阿根廷旱災、澳大利亞洪災、北半球低溫以及2011年新發自然災害等,我國南方凍雨,北方九省市遇冬旱,魯豫局部達特旱等級,往年冬季大雪把電力供應設備凍壞、短路的現象時有發生,或者一顆小小螺絲就能導致一場大的災難。

    電力鐵塔螺栓作為輸電線路鐵塔的關鍵連接件,其質量性能對線路安全運行起著重要作用。輸電線路鐵塔在運行中,由于受到電纜等張力及風擺的作用,會導致鐵塔螺栓局部受力不均。情況嚴重時,會導致未經去應力退火處理的鐵塔螺栓發生疲勞脆斷,嚴重威脅線路的安全運行。2008年發生的雨雪冰凍災害所造成的鐵塔設施倒塌,在一定程度上與鐵塔螺栓失效有關。

    鐵塔螺栓為何會失效

    鐵塔螺栓失效就是鐵塔螺栓產生的作用力不能使多個部件構成一個整體,使某些部件發生斷裂、失穩等現象。顯然,鐵塔螺栓受靜載荷過大,或者在承受可變、反復荷載時,都會出現滑絲斷裂或疲勞斷裂。

    鐵塔螺栓失效的方式有以下幾種:加工成型時鐵塔螺栓中心或周邊存在裂紋導致的鐵塔螺栓失效;使用、安裝不當導致的鐵塔螺栓失效,如擰緊鐵塔螺栓時扭矩過大發生縮頸甚至斷裂,安裝時零部件之間的相互位置精度不夠產生變形,沒有把鐵塔螺栓鎖至鐵塔螺栓屈服點等。不過,實踐中最常見的鐵塔螺栓失效方式是鐵塔螺栓本身的疲勞脆斷。

   目前,國內電力行業鐵塔鐵塔螺栓生產廠家普遍采用冷鐓成型加工工藝和局部加熱熱鍛成型加工工藝兩種方法。這兩種工藝生產的鐵塔螺栓都具有較大的殘余應力,在使用過程中容易出現疲勞脆斷,對輸電線路正常運行帶來較大的安全隱患。

   鐵塔螺栓殘余應力的形成主要有以下兩種情況:

    第一種是冷鐓成型加工工藝。原材料冷拉,鐵塔螺栓頭部成型過程中,因冷成型金屬纖維折疊而形成的縮徑、螺紋擠壓成形過程中,均因冷作硬化而形成殘余應力。

    第二種是局部加熱熱鍛成型加工工藝。材料在幾秒鐘內被快速加熱(900攝氏度以上),因加熱不均,可能過燒或欠燒,導致加熱與未加熱界面處形成殘余應力。

    這兩種工藝都會使材料發生塑性變形,材料組織與性能發生不均勻變化。由于變形不均勻,鐵塔螺栓會產生殘余內應力。鐵塔螺栓內應力的存在具有時間延遲斷裂失效的特性,即使鐵塔螺栓被安裝使用,在低于屈服強度的拉應力作用下(如風擺、受壓、低溫),經過一段時間后,仍然可能因疲勞而發生突然斷裂。

    將去應力退火處理和未經去應力退火處理的鐵塔螺栓進行實驗對比,可以發現:去應力退火處理后的鐵塔螺栓在延伸率、沖擊韌性和扭轉破壞時的扭角都有大幅度提高,這些指標的改善有利于提高鐵塔螺栓在輸電線路運行中的抗疲勞性能,從而提高了鐵塔螺栓的實際使用壽命。而去應力退火處理的鐵塔螺栓硬度有所降低,鐵塔螺栓的殘余應力降低幅度更是達到5倍多。去應力退火處理后的鐵塔螺栓金相組織圖像也表明,原來不均勻變形的晶粒經去應力退火后得到調整,晶粒變形分布更加均勻。這更有利于提高鐵塔螺栓的抗疲勞脆斷性能。

    冷鐓成型及局部加熱成型的鐵塔螺栓硬度、強度高,但延展性差、殘余應力大、易脆斷、抗疲勞性差。而去應力鐵塔螺栓具有良好的抗沖擊韌性和延展性,殘余應力小甚至基本消失、不易脆斷,使用壽命高。

    目前,國內電力鐵塔螺栓普遍采用冷鐓成型或局部加熱成型兩種生產工藝,產品易產生疲勞斷裂,存在較大的安全隱患,直接影響到整個輸電線路的安全運行。

    華南理工大學土木與交通學院自2010年1月開始,對強度等級在8.8級以下、經去應力退火處理的鐵塔螺栓在鐵塔安裝和線路運行中跟蹤調查,一年來,未發現鐵塔螺栓疲勞脆斷現象。

    基于試驗結果和去應力退火處理鐵塔螺栓使用過程中未發現疲勞脆斷的事實,結合國外相關標準規定,可以發現:所有用于電力鐵塔的8.8級以下熱浸鍍鋅鐵塔螺栓,須采用去應力處理,才能有效防止鐵塔螺栓疲勞脆斷,從而保證線路長期安全運行。