胡潔梓，羅宏建，廖玉龍，周宇通，林鈞

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟技術研究院，杭州310008；3.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315010）

低溫條件下避雷針失效狀態(tài)分析與仿真模擬

胡潔梓1，羅宏建1，廖玉龍2，周宇通1，林鈞3

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2.國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟技術研究院，杭州310008；3.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315010）

針對低溫環(huán)境下發(fā)生的多起避雷針斷裂倒塌事故，以避雷針結構和材質(zhì)為主要研究對象，通過宏觀檢查、金相分析、力學分析等實驗，結合強度模擬計算手段，綜合分析失效原因。結果表明，此次事故主要原因是避雷針內(nèi)部積水在低溫狀況下發(fā)生冰凍，致使焊接法蘭上的未熔合角焊縫在冰體積膨脹產(chǎn)生的附加應力作用下開裂。同時指出，目前所用的Q235B材質(zhì)隱患也不容忽視。最后，對避雷針的結構、選材、檢驗和監(jiān)督管理提出相應的措施和建議。

避雷針；低溫；斷裂；模擬

0 引言

入冬以來，浙江省內(nèi)某變電站220 kV構架避雷針發(fā)生多起斷裂倒塌事故，結構均為鋼管避雷針，每根有4節(jié)鋼管，鋼管與法蘭間通過角焊縫焊接而成，法蘭之間直接用螺栓連接。避雷針設計風壓500 N/m2，可承受28 m/s（11級）以下的風力。發(fā)生斷裂的為避雷針上往下數(shù)第3節(jié)法蘭與第4節(jié)鋼管間的角焊縫，導致避雷針第3節(jié)以上部分整體倒塌。根據(jù)廠家提供的原材料質(zhì)保書，倒塌的避雷針材質(zhì)為Q235B。

以下通過宏觀檢查、金相分析、力學分析、成分鑒定等常規(guī)失效分析手段，結合強度模型和模擬計算等先進技術，從避雷針的設計、選材、檢驗和監(jiān)督多個方面，提出預防、預控、預測的對策，為相關設計、生產(chǎn)廠家以及電網(wǎng)建設和運維單位提供參考。

1 宏觀檢查

圖1是避雷針焊接法蘭開裂的宏觀照片，整圈開裂的焊縫伴有銹蝕、撕裂和未熔合的痕跡。焊縫在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個區(qū)域的斷面非常平整，從內(nèi)壁到外壁均有未熔合情況。Ⅳ區(qū)的局部放大照片中顯示焊縫位置有明顯撕裂痕跡，判斷該處是最后撕開的位置；Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間存在銹蝕痕跡，分析認為該處開裂時間較久，加之焊縫Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)都存在鋼管和法蘭間角焊縫未熔合、強度不足，該處應該是起裂位置。

圖1 避雷針開裂焊接法蘭宏觀照片

2 金相組織分析

取法蘭焊縫位置鑲嵌樣做金相分析，圖2是焊縫斷口金相照片，可見斷面不平整，邊緣尖端呈撕扯痕跡，邊緣內(nèi)部孔洞有明顯取向，應是焊縫斷開撕裂導致。圖3是焊接板熔合線金相照片，左邊是熱影響區(qū)，右邊是焊縫區(qū)，焊縫區(qū)域面積較小，與圖1部分母材未熔合的宏觀照片相對應，證實該處角焊縫有效焊接面積小且不均勻。金相組織經(jīng)放大后觀察發(fā)現(xiàn)：焊縫組織索氏體清晰正常；熱影響組織內(nèi)部有粗晶和細晶之分，都是鐵素體+索氏體；母材組織鐵素體+珠光體，屬于Q235B材料的正常組織。

圖2 焊接法蘭斷面金相照片

3 力學性能分析

根據(jù)相關技術標準，Q235A不作沖擊韌性要求；Q235B做常溫（20℃）沖擊試驗；Q235C做0℃沖擊試驗；Q235D做-20℃沖擊試驗；Q235E做-40℃沖擊韌性試驗。沖擊韌性試驗采用夏比V形缺口試件，要求上述B，C，D級鋼在不同溫度條件下，KV2（V型缺口試樣在2 mm擺錘刀刃下的沖擊吸收功）應不小于27 J。

圖3 焊接法蘭熔合線金相照片

從原料廠提供的鋼板上取樣，并分別在20℃，10℃，0℃，-10℃，-20℃和-30℃下做KV2的沖擊試驗，具體數(shù)據(jù)參見表1。圖4沖擊吸收功分布曲線表明：20℃，10℃和0℃下KV2的沖擊吸收功離散度很大；20℃下6個試樣最低沖擊吸收功只有28 J，最高達246 J；10℃下最低沖擊吸收功18 J，最高達212 J；0℃最低和最高沖擊吸收功分別是8 J和202 J。低溫下所有試樣沖擊吸收功急速下降，數(shù)據(jù)的離散性好于0℃以上的沖擊吸收功數(shù)據(jù)。-30℃下的沖擊試驗數(shù)據(jù)離散性是所有數(shù)據(jù)中最好的，集中在10 J以下。

表1 不同溫度下Q235B沖擊吸收功

圖5（a）—（c）的斷口宏觀照片，分別是20℃下2個沖擊試樣和-30℃下的1個沖擊試樣斷口。圖5（a）是典型的韌性斷口，纖維狀位于中間區(qū)域，呈現(xiàn)凹凸不平的宏觀外貌；剪切唇形貌區(qū)域在斷口邊緣出現(xiàn)，呈現(xiàn)傾斜斷面。圖5（b）是典型的脆性斷裂形貌，斷口平齊而發(fā)亮。圖5（c）斷口與圖5（b）類似，也是脆性斷口，幾無纖維區(qū)和剪切唇，斷口平滑，呈結晶狀。

圖4 Q235B在不同溫度下沖擊吸收功的分布曲線

沖擊試驗結果顯示，0℃以上沖擊試驗數(shù)據(jù)離散性較大，同一溫度下沖擊吸收功大的（246 J）如圖5（a）斷口呈現(xiàn)韌性斷裂，沖擊吸收功小的（28 J）如圖5（b）斷口呈現(xiàn)脆性斷裂，說明材料的力學性能存在不均勻的特點，因為Q235B允許采用F沸騰鋼（沸騰鋼成本要遠低于鎮(zhèn)靜鋼），而沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，材料的塑性和均勻性較差，很有可能出現(xiàn)同一試樣在同一溫度下沖擊值相差巨大，離散嚴重的問題。-30℃下的沖擊斷口如圖5（c）所示，都是脆性斷口，結合沖擊數(shù)據(jù)，可以證實此時的Q235B已經(jīng)完全轉變成脆性材料[1]。

4 模擬計算

失效時避雷針受自重、風載、覆冰重力、冰膨脹力等作用，其中自重與風載均在設計范圍內(nèi)，覆冰重力由于避雷針自身橫截面較小可以忽略，因此造成避雷針斷裂倒塌的主要應力是內(nèi)部積水結冰產(chǎn)生的附加應力。避雷針鋼管管徑從下往上逐漸變小，管徑小的管相對表面積較大，極端低溫天氣下會先結冰，封住法蘭中心的通孔，使下部避雷針鋼管形成一個密閉容器，冰的體積膨脹受到限制，產(chǎn)生附加應力。水在結成冰后，體積由單位“1”增至“1.09”，且在溫度0～-4℃區(qū)間內(nèi)體積隨溫度的下降而膨脹，與此相反鋼的體積則隨著溫度的下降而縮小。在冰體積遞增的過程中，避雷針鋼管承受的附加應力也在增加[2]。

4.1 鋼管內(nèi)積水結冰模擬計算

構建有限元模型，外殼里面充滿水，模擬水結冰過程對外殼的影響。從圖6軸向應力可以看出，在上端板與避雷針鋼管的角焊縫處，應力達到915 MPa，遠遠大于Q235B的許用應力（235 MPa）。因此當水結冰后，產(chǎn)生的應力過大是避雷針角焊縫失效的主要原因。

圖6 水結冰后對外殼產(chǎn)生的軸向應力

圖7模擬的是鋼管上端設置加強筋后的軸向應力情況，上端板承受應力急劇增大，達到2 329 MPa。這是由于上端板設置加強筋，會增大上端板剛度，使其不易變形。但冰的膨脹依然存在，上端板不易變形，會限制冰的膨脹量，冰對上端板推力急劇增大。盡管上端板角焊縫結構得到加強，但應力依然存在，將率先在管子薄弱部位破裂。設置加強筋無法從根本上解決積水結冰產(chǎn)生的應力，但若角焊縫斷裂，加強筋對防止避雷針倒塌能起到一定作用[3]。

圖5 沖擊試樣斷口宏觀照片

圖7 上端板設置加強筋后的應力分布

4.2 角焊縫未焊透滲水結冰模擬計算

根據(jù)DL/T 646-2012《輸變電鋼管結構制造技術條件》，此次避雷針鋼管與平面法蘭的角焊縫屬于外觀二級，無須進行內(nèi)部無損檢測。由于焊縫不打坡口，可能存在的未焊透滲入積水結冰后，也會對焊縫強度產(chǎn)生不利影響。

鋼管與平面法蘭的角焊縫具有軸對稱特點，可以通過一個截面展示此類問題特點。以此次避雷針鋼管角焊縫尺寸為原型，建立圖8模型。該模型給出了角焊縫的一個截面，焊縫根部存在1 mm寬、2.5 mm深的未焊透。模擬未焊透中滲進了水，結冰產(chǎn)生附加應力的情況。

圖8 鋼管角焊縫有限元模型

從圖9的計算結果可以看出，水變成冰后膨脹，在角焊縫內(nèi)側產(chǎn)生附加應力，根部應力最大，可達246.33 MPa，與Q235B的許用應力相當。未焊透滲入水后，在極寒天氣下水結成冰，會給角焊縫根部一個較大的膨脹力，使角焊縫極易誕生初始裂紋。裂紋產(chǎn)生后，滲入水的二次結冰，會對角焊縫產(chǎn)生更大的膨脹力導致裂紋擴展，最后失效斷裂。

圖9 模擬計算結果

5 分析與討論

通過有限元計算模型和焊縫檢查，認為此次事故主要是由于避雷針內(nèi)積水在結冰過程中膨脹產(chǎn)生的應力使避雷針在未熔合的角焊縫位置開裂，擴展后導致倒塌，但是Q235B材質(zhì)隱患也不容忽視[4]。

材質(zhì)Q235質(zhì)量分為A，B，C，D，E不同等級，其雜質(zhì)含量依次減少，以A級質(zhì)量較差，E級質(zhì)量最高。因為雜質(zhì)元素S，P，As，Sn，Sb等在晶界偏聚，會降低晶界表面能，易沿晶擴展，發(fā)展為脆性斷裂，致使鋼的韌性下降。A級和B級鋼各有F（沸騰鋼）、b（半鎮(zhèn)靜鋼）和Z（鎮(zhèn)靜鋼）3種脫氧方法，C級鋼只有鎮(zhèn)靜鋼，D級鋼只有特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，塑性和韌性較差，用這種材料制成的焊接結構，受動力載荷作用時接頭容易出現(xiàn)裂縫，低溫下又會產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。相比之下，鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)優(yōu)而勻，塑性和韌性都好。

此次Q235B焊接法蘭很有可能是沸騰鋼因其材質(zhì)不均勻，內(nèi)部韌性和塑性相差大，在0℃以下韌性下降明顯，開始韌脆轉變，-30℃下完全轉變成脆性材料，幾無韌性。故用這種材料制成的焊接結構，受動力載荷作用時接頭易出現(xiàn)裂縫，不宜在低溫下工作[5]。

6 結論和建議

綜上所述，此次220 kV構架避雷針斷裂倒塌事故的主要原因是：

（1）避雷針無排水孔，導致鋼管內(nèi)積水無法及時排除，在0℃以下發(fā)生冰凍，冰的體積膨脹產(chǎn)生附加應力破壞焊縫。

（2）鋼管與法蘭的焊縫多處存在未熔合，導致實焊區(qū)面積小且焊縫寬度不均勻，在應力作用下，未熔合區(qū)域（Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)）附近率先發(fā)生開裂，迅速擴展直至在Ⅳ區(qū)撕開，焊縫完全斷開，導致法蘭以上避雷針結構整體倒塌[6]。

對此，建議設計、生產(chǎn)廠家以及電網(wǎng)建設和運維單位采取以下防范措施：

（1）設計單位應對該避雷針的積水問題進行結構上的調(diào)整，例如預留排水孔等。

（2）制造單位應按照標準對法蘭與鋼管角焊縫的質(zhì)量進行管控[7]。

（3）使用單位在低溫冰凍期間應加強避雷針的運行監(jiān)控，對類似結構的避雷針角焊縫加焊加強筋，對有開裂缺陷的結構應及時補強或更換[8]。

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（本文編輯：方明霞）

Failure State Analysis and Simulation of Lightning Rod in Low-temperature Condition

HU Jiezi1，LUO Hongjian1，LIAO Yulong2，ZHOU Yutong1，LIN Jun3
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Economy Research Institute，Hangzhou 310008，China；3.State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315010，China）

In view of lightning rod fracture and collapse in low-temperature conduction，the structure and material of the lightning rod are investigated.Through macroscopical inspection，metallurgical analysis and mechanical analysis as well as strength analog calculation，the failure causes are comprehensively analyzed.The result shows that the accident comes from stagnant water in the lightning rod frozen in low temperature，making the unmelted fillet on flange cracks under the action of ice expansion.The paper also indicates that quality of Q235B can not be neglected.In the end，countermeasures and suggestions for lightning rod structure，material selection，test and intendance are brought forward.

lightning rod；low temperature；fracture；simulation

10.19585/j.zjdl.201706004

1007-1881（2017）06-0016-04

TM753

B

2017-02-08

胡潔梓（1982），女，高級工程師，從事電力設備材料類失效分析和檢測工作。