隨著我國超特高壓電網的建設，桿塔的高度和數量明顯增加。為保障作業人員安全，踐行安全生產，防止高空墜落成為線路安全作業的首要問題。輸電線路防墜落裝置是保障桿塔高處作業人員安全的懸掛用品[1]。工區運維人員在對某特高壓輸電線路開展防墜導軌專項排查時，發現其鐵塔防墜導軌頂端脫落，在脫落過程中，導軌與邊導線安全距離不足，導致放電的單相接地短路故障，存在嚴重安全隱患。防墜導軌由材料為Q345鋼的T型鋼制成，并通過L型連接板固定在鐵塔上，連接板的設計材料為Q345鋼。為了找出防墜導軌脫落的原因，確保輸電線鐵塔防墜裝置的安全可靠性，筆者對脫落損傷的防墜T型導軌及連接板進行一系列理化檢驗[2-3]，以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

圖1為鐵塔防墜導軌脫落現場。由圖1可知：T型導軌自頂部橫擔部位脫落，自頂部數第1，2，3根與鐵塔連接的L型連接板全部斷裂，造成T型導軌自橫擔下方約5 m處第4個連接固定點處彎折向右下側垂落，與右邊導線的最近距離約為8 m。 

圖  1  鐵塔防墜導軌脫落現場

對T型導軌彎折部位進行宏觀觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：T型導軌第4個連接點上方發生近135°彎曲變形，未見明顯的開裂、機械損傷或腐蝕損傷等缺陷。 

圖  2  T型導軌彎折部位的宏觀形貌

對L型連接板進行宏觀觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：自頂部數第1，2，3根連接板均在長螺栓孔處發生斷裂，其中第1，3根連接板靠近直角部位的長螺栓孔斷裂，該螺栓孔并未與角鋼或導軌連接，無實際使用意義；第2根連接板與角鋼連接的螺栓孔處發生斷裂；各連接板的斷裂部位均未見明顯的頸縮變形，斷口平坦且有銹蝕痕跡，斷裂均起源于螺栓孔邊緣并向外側擴展，斷口上起裂區、擴展區、瞬斷區較為清晰可辨，在擴展區可以觀察到“海灘狀”疲勞輝紋[4]。 

圖  3  L型連接板的宏觀形貌

1.2   幾何尺寸測量

對T型導軌的幾何尺寸進行測量，結果如表1所示。由表1可知：T型導軌的幾何尺寸符合設計要求及GB/T 11263—2017 《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》標準規定的允許尺寸偏差。 

招標文件中要求防墜T型導軌與鐵塔角鋼采用45°彎曲連接板固定，連接板上與角鋼連接側及與T型導軌連接側分別開設有1個長螺栓孔，兩個螺栓孔互相垂直設計。但是現場實際使用的是90°直角形狀的L型連接板，其上共開設有3個螺栓孔，其中與角鋼連接側開設有2個尺寸一致的長螺栓孔，而與T型導軌連接側則開設有一個圓形螺栓孔，其尺寸測量結果如表2所示。實際使用連接板的形狀、尺寸及開設螺栓孔的數量和型式均不符合設計要求。 

1.3   金相檢驗

在T型導軌彎折部位和L型連接板斷裂部位分別截取橫向試樣，對試樣進行金相檢驗。T型導軌的微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：T型導軌組織為等軸狀分布的鐵素體+珠光體，組織中存在大量C類（硅酸鹽類）非金屬夾雜物，為粗系3級；夾雜物的存在導致部分區域形成明顯的分層缺陷，表面覆有厚度為100 μm的鍍鋅層。 

圖  4  T型導軌的微觀形貌

斷裂L型連接板的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：斷裂起源于螺栓孔內，起裂區附近存在螺栓孔加工沖孔形成的裂口缺陷；瞬斷區裂紋呈沿晶擴展形貌；連接板基體的顯微組織為鐵素體+沿晶界分布的網狀三次滲碳體（Fe3CⅢ），組織中存在較為嚴重的C類（硅酸鹽類）非金屬夾雜物，為粗系3級；表面覆有厚度為91 μm的鍍鋅層。 

圖  5  斷裂L型連接板的微觀形貌

1.4   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

利用掃描電子顯微鏡對第3根L型連接板的斷口進行觀察，結果如圖6所示。由圖6可知：斷裂起裂于螺栓孔邊緣，起裂區可以觀察到機械損傷的凹槽，擴展區上可以觀察到互相平行的疲勞條帶，瞬斷區則呈現典型的“冰糖塊”狀沿晶斷裂特征。 

圖  6  L型連接板斷口SEM形貌

利用能譜儀對L型連接板斷口起裂區進行分析，結果如圖7所示。由圖7可知：斷口起裂區主要含有Zn、Fe、O、Si、Al等元素，未見腐蝕性的酸性或堿性物質存在。 

圖  7  L型連接板斷口起裂區的能譜分析結果

1.5   化學成分分析

利用火花直讀光譜儀對T型導軌及L型連接板進行化學成分分析，結果如表3所示。由表3可知：T型導軌鋼和L型連接板的化學成分符合GB/T 700—2006《碳素結構鋼》對Q235鋼的要求，但與GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》中要求的Q345鋼的化學組成偏差較大。 

1.6   力學性能測試

對T型導軌及L型連接板分別沿縱向取樣，對試樣進行常溫（20 ℃）拉伸試驗及沖擊性能測試[5]，結果如表4，5所示。由表4可知：T型導軌的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均符合標準GB/T 700—2006對Q235鋼的要求，而不滿足GB/T 1591—2018對Q345鋼的要求。 

由表5可知：L型連接板的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均符合標準GB/T 700—2006對Q235鋼的要求，而不滿足標準GB/T 1591—2018對Q345鋼的要求，沖擊性能遠低于標準GB/T 1591—2018的要求。 

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：連接板斷裂起源于螺栓孔邊緣并向外擴展，擴展區可以觀察到明顯的“海灘狀”疲勞輝紋，瞬斷區呈現典型的“冰糖塊”狀沿晶斷裂特征，表明材料發生了疲勞開裂[6-7]。實際使用連接板的形狀、尺寸及開設螺栓孔的數量和型式均不符合設計要求。發現導軌與連接板的組織內部存在大量非金屬夾雜物，并存在明顯的分層缺陷。L型連接板斷口起裂區未發現腐蝕性物質，因此可以排除腐蝕斷裂的可能。導軌和連接板的化學成分符合標準對Q235鋼的要求，較Q345鋼的化學組成偏差較大。連接板的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率均符合標準對Q235鋼的要求，但不滿足標準對Q345鋼的要求，且材料的沖擊性能遠低于標準要求，表明導軌與連接板使用的材料不符合設計要求。 

3.   結論與建議

導軌與連接板使用的材料不符合設計要求，且材料內部存在大量三次滲碳體及較嚴重的非金屬夾雜物，使材料強度降低、脆性變大、抗疲勞能力不足，且導軌材料組織中存在嚴重的硅酸鹽類非金屬夾雜物，局部形成分層缺陷，導致導軌材料的強度、剛度及抗振動疲勞能力均不滿足設計要求。連接板上螺栓孔沖孔工藝不當，有多余開孔，并且在螺栓孔邊緣形成裂口，在運行過程中，原有裂孔部位發生疲勞開裂，導致連接板沿螺孔徹底斷裂，最終造成導軌與鐵塔分離彎折。 

建議按照工程已審合格的原設計文件對防墜落T型導軌及連接板進行設計，不得隨意開孔，改變尺寸、角度，更換材料；嚴格控制開孔工藝，把控開孔質量，避免形成開孔加工表面裂紋。同時，加強設計、招標采購、生產制造等階段的技術監督，從源頭把關；增加工程驗收技術手段，對導軌安裝平整度、防墜器通過的平滑度等指標進行嚴格把關，提高工程驗收能力。提高對導軌及其與塔材連接板的重視程度，盡快編制防墜落導軌及其連接板的指導規范，明確材料、尺寸、開孔形式及位置要求，按標準規范中規定防墜落導軌及其連接板的質量把控指標和檢測項目執行。

文章來源——材料與測試網