特高壓輸電線路連接金具的高強(qiáng)度材料選型

宋鐵創(chuàng) 李俊輝 張力方 張躍

摘 要：該文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有連接金具材料以及特高壓輸電工程連接金具發(fā)展趨勢(shì)的分析，提出了特高壓輸電工程線路連接金具的材料選型需滿足高強(qiáng)度化、防腐性能好、低溫性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)性好等要求，通過(guò)對(duì)比分析及試驗(yàn)驗(yàn)證提出幾種高強(qiáng)度連接金具材料，以期滿足特高壓輸電線路工程連接金具的輕型化要求，從而降低施工難度，節(jié)省成本，提高線路建設(shè)水平，為特高壓輸電線路高強(qiáng)度材料的連接金具選型提供參考。

關(guān)鍵詞：特高壓；連接金具；高強(qiáng)度材料；選型

中圖分類(lèi)號(hào)：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

輸電線路連接金具又稱(chēng)掛線零件，用于絕緣子連接成串及金具與金具的連接，在輸電線路中能夠承載較大的機(jī)械載荷。雖然連接金具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于直接應(yīng)用在架空輸電線路中，擔(dān)負(fù)著安全送電的重大使命。連接金具材料的選型在很大程度上影響到特高壓輸電工程建造的難易程度和成本造價(jià)，開(kāi)展對(duì)特高壓輸電線路連接金具材料的選型有重要意義。

1 連接金具材料現(xiàn)狀

根據(jù)連接金具的使用條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，連接金具可分為三大系列：球-窩系列連接金具、環(huán)-鏈系列連接金具、板-板系列連接金具。球-窩系列連接金具包括各種球頭掛環(huán)、碗頭掛板等，球頭掛環(huán)選用材料是碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q235A、35、40等），碗頭掛板選用的材料為可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵（KTH330-08、QT500-7）等。環(huán)-鏈系列連接金具包括U形掛環(huán)、直角環(huán)、延長(zhǎng)環(huán)及U形螺絲等，“U”形掛環(huán)、延長(zhǎng)環(huán)等選用碳素結(jié)構(gòu)鋼（35）。板-板系列連接金具主要包括平行掛板、聯(lián)板、牽引板、調(diào)整板等，選用的材料多為碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q235）隨著輸電電壓提高及大截面導(dǎo)線的運(yùn)用，一些線路中選用的材料有35、Q420、Q345R等。

2 連接金具高強(qiáng)度材料的選擇

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)交直流特高壓建設(shè)的迅速發(fā)展，特高壓輸電工程容量不斷攀升，輸電導(dǎo)線截面也越來(lái)越大，大跨越的距離也呈不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)，在某些線路通過(guò)的區(qū)域有著典型的氣象狀況，對(duì)連接金具的抗拉強(qiáng)度、低溫性能等要求也越來(lái)越高。特高壓輸電線路連接金具材料選擇時(shí)需滿足下列條件：1）力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度高、延伸率高、斷面收縮率小、沖擊韌性好、硬度適當(dāng)和耐磨性好等。2）低溫性能：低溫下的抗拉強(qiáng)度不能下降過(guò)大，不能發(fā)生脆性斷裂。3）表面防腐性能：應(yīng)能夠熱浸鍍鋅防腐處理。4）經(jīng)濟(jì)性能： 易采購(gòu)，價(jià)格適當(dāng)。

2.1 連接金具高強(qiáng)材料力學(xué)性能分析

連接金具材料的力學(xué)性能需考慮以下幾個(gè)方面：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、沖擊功以及硬度等。選取常用連接金具材料力學(xué)性能進(jìn)行比較分析，見(jiàn)表1。

表1可以看出常用材料的抗拉強(qiáng)度均偏小，通過(guò)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》及《特高壓輸電線路金具通用技術(shù)規(guī)范》等資料，特高壓輸電線路連接金具需選取一些常溫狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度大于650 MPa的結(jié)構(gòu)鋼，碳素結(jié)構(gòu)鋼中牌號(hào)75、80、85的常溫抗拉強(qiáng)度值較高，但其退火狀態(tài)下的布氏硬度較大，不適合鍛造和機(jī)械加工，合金結(jié)構(gòu)鋼中20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr的常溫抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到980 MPa，布氏硬度適中，可作為鍛造的材料，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中Q690的抗拉強(qiáng)度較高，機(jī)械加工性能也較好，可作為板類(lèi)材料的選擇。

2.2 低溫性能分析

在我國(guó)的東北和新疆等地，冬天溫度可能達(dá)到-40℃以下，隨著溫度的下降，鋼的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性降低。連接金具所采用的高強(qiáng)材料應(yīng)避免采用冷脆性材料，在低溫下不發(fā)生冷脆現(xiàn)象。

脆性轉(zhuǎn)變溫度是衡量材料脆性轉(zhuǎn)變傾向的重要指標(biāo)，決定了材料低溫韌性的好壞，直接影響材料的應(yīng)用范圍。脆性轉(zhuǎn)變溫度的高低通常是受化學(xué)成分、微觀組織、軋制工藝的綜合影響。Mn元素可以幫助提高韌性，隨著Mn元素質(zhì)量比例的增加，脆性轉(zhuǎn)變溫度將降低；Si、S、P等元素易偏聚于晶界，降低晶界表面能產(chǎn)生沿晶斷裂，同時(shí)降低脆斷應(yīng)力。

20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr、Q690的材料化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2可看出所列材料中均具有較高的Mn元素含量，能夠提高材料韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，具有較好的低溫性能。

2.3 表面防腐性能分析

線路金具常年在戶外運(yùn)行，受雨雪風(fēng)霜等自然環(huán)境的影響，表面極易產(chǎn)生腐蝕，腐蝕速度一般較快，且位于高空不便維護(hù)。如果不進(jìn)行有效地防護(hù)，金具會(huì)在短期內(nèi)腐蝕失效，造成電網(wǎng)運(yùn)行故障。鋼鐵材料的表面熱浸鍍鋅處理工藝是一種簡(jiǎn)單有效的表面防護(hù)措施，熱鍍鋅后的連接金具由于鋅的覆蓋增強(qiáng)了耐蝕的能力，從而大大延長(zhǎng)了使用壽命，保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

對(duì)熱鍍鋅層影響最大的是材料基體中的C、Si、P 等元素，它們會(huì)影響金具的活性，促進(jìn)Fe-Zn 反應(yīng)，使合金層中ζ相快速增長(zhǎng)，形成厚而粗大的晶粒露于鋅層表面，從而導(dǎo)致表面黏附性變差。表2中20CrMnMo、40CrMnMo，35CrMo、40Cr、Q690均含有C、Si、P 等元素，具有很好的熱鍍鋅能力。

2.4 經(jīng)濟(jì)性能分析

連接金具材料的選擇還需要考慮材料的經(jīng)濟(jì)性能，價(jià)格和市場(chǎng)供需同樣是大批量連接金具選材要考慮的重要因素。合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnMo、40CrMnMo、35CrMo、40Cr價(jià)格較為接近，但從市場(chǎng)使用量來(lái)看，20CrMnMo、40CrMnMo的使用范圍較窄，用量較少，對(duì)于大批量的連接金具來(lái)說(shuō)，采購(gòu)周期較長(zhǎng)，影響交貨周期，因此可選用性能較接近且市場(chǎng)常用的35CrMo、40Cr作為連接金具鍛造用材料。Q690高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材料費(fèi)用較貴，但其使用壽命很長(zhǎng)，同等載荷下連接金具可減少10 %以上的重量，大批量生產(chǎn)中分?jǐn)偟矫總€(gè)產(chǎn)品中的費(fèi)用有所降低，因此可選用做連接金具板類(lèi)金具產(chǎn)品的材料。

3 高強(qiáng)材料試驗(yàn)驗(yàn)證

綜上所述，確定40Cr、35CrMo、Q690作為高強(qiáng)度連接金具的選材，通過(guò)國(guó)內(nèi)某檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、硬度檢測(cè)、低溫沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。40Cr、35CrMo、Q690（均為調(diào)質(zhì)狀態(tài)）樣塊的拉伸試驗(yàn)、低溫（-40 ℃）沖擊試驗(yàn)及布氏硬度檢測(cè)見(jiàn)表3。

檢測(cè)可知，40Cr、35CrMo、Q690（調(diào)質(zhì)）的抗拉強(qiáng)度均大于650 MPa，40Cr、35CrMo在-40 ℃下的沖擊吸收能量在20 J左右，沖擊韌性較好，是常溫下35CrMo（63J）和40Cr（47 J）的32 %和43 %，Q690在-40 ℃下的沖擊吸收能量KU2在250 J左右，沖擊韌性最好，可以在低溫下安全運(yùn)行，滿足特高壓連接金具對(duì)材料的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在特高壓輸電線路工程大截面導(dǎo)線的應(yīng)用下，應(yīng)選擇具有較高抗拉強(qiáng)度、低溫性能良好、經(jīng)濟(jì)性能好的35CrMo、40Cr、Q690（調(diào)質(zhì)）作為連接金具的材料，連接金具的外形尺寸及重量可以得到有效地控制，相同載荷下材料能減輕10%以上，降低金具的運(yùn)輸成本和施工強(qiáng)度，對(duì)整個(gè)特高壓輸電線路的安裝維護(hù)及線路安全有著重要意義。

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