工程科学与技术   2018, Vol. 50 Issue (2): 184-190
腐蚀对复合绝缘子芯棒力学性能的影响
赵新泽, 彭文昱, 赵美云, 王骁鹏, 习森明     
三峡大学 机械与动力学院,湖北 宜昌 443002
基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目(51475264);国家自然科学基金青年基金资助项目(51605254)
摘要: 为探究腐蚀条件下复合绝缘子芯棒的力学性能,以FXBW4–110/100型绝缘子为研究对象,在自制绝缘子扭振模拟试验机上,对不同腐蚀条件下的复合绝缘子进行了整体疲劳试验。应用3维形貌仪和光学显微镜对试样断口表面形貌进行宏观与微观分析,结合表面分析技术,研究不同腐蚀试验条件下绝缘子芯棒断裂与其摆动力、扭转力和拉伸力之间的关系。结果表明:当腐蚀溶液呈中性及碱性时,对复合绝缘子芯棒力学性能影响不大,当腐蚀溶液呈酸性时,对复合绝缘子芯棒的腐蚀作用明显,芯棒内部树脂玻璃纤维受到强酸腐蚀时,试样呈平起光亮的结晶状,表层在位错断裂下形成扩展裂纹,绝缘子芯棒切片断面易发生疲劳断裂;绝缘子被酸性盐雾腐蚀不同时间后,酸液渗入芯棒表面与护套粘接处,对芯棒表面或内部的树脂玻璃纤维界面产生腐蚀,当疲劳断裂发生后,其断口表面由光亮平整向灰暗凹凸不平变化,裂纹由河流花样状向贝纹线状变化,形貌由台阶状向纤维散状变化,表面形貌分布的均方根高度和最大凹陷高度也随之减小;随着腐蚀试验时间的增加,芯棒的抗摆动力能力下降,进而降低了绝缘子整体机械力学性能,导致芯棒断裂时间变短,断口分形维数变大,断口表面形貌更为复杂。
关键词: 复合绝缘子芯棒    断口表面形貌    腐蚀    扭振疲劳    分形维数    
Effect of Corrosion on Mechanical Properties of Composite Insulator
ZHAO Xinze, PENG Wenyu, ZHAO Meiyun, WANG Xiaopeng, XI Senming     
College of Mechanical and Power Eng.,China Three Gorges Univ.,Yichang 443002,China
Abstract: In order to study the mechanical properties of the composite insulator mandrel under corrosion conditions,using the self-developed insulator torsional vibration simulator,the fatigue test of composite insulators was carried out under different corrosion conditions.The FXBW4-110/100 insulator was selected as the research object.The macro-morphology and optical-microscope of the surface morphology of specimen fracture was analyzed by three-dimensional profiler and scanning electron microscope.Combined with surface analysis techniques,the relationship between the fracture of insulator core and its swing force,torsion force and tensile force under different corrosion test conditions was studied.The results showed that the corrosive liquid has little influence on the mechanical properties of the composite insulator under the neutral and alkaline corrosion solution conditions.However,when the corrosive liquid is acidic solution,the composite insulator core rod would be obviously corroded.When the resin glass fiber inside the rod is corroded by strong acid,the sample is flat and bright.When the surface cracks in mechanical properties,the crack will gradually expand.And the section of the insulator core rod is prone to fatigue fracture.After the insulator is eroded by acidic salt spray,the acid will infiltrate the surface of the core rod and the sheath.The surface of the mandrel or the interface of the plexiglass will be corroded.When the fatigue fracture appears,the fracture surface changes from bright flat to gray uneven,the crack changes from the river pattern to the shell line like shape changes to the fiber bulk,and the root mean square height and the maximum sag height of the surface topography decrease.The anti-pendulum power of the mandrel is decreased with the increase of corrosion test time.Furthermore,the mechanical properties of the insulator are reduced,which will result in the shorter fracture time,larger fractal dimension of fracture,and more complex fracture surface topography of the core rod.
Key words: composite insulator mandrel    surface topography    corrosion    torsional vibration fatigue    fractal dimension    

复合绝缘子已广泛应用于各类架空输电线路中,但其在长期服役过程中,由于工业污染、酸雨、线路电晕产生的酸性气体与雨水形成的酸液等均会渗入金具与芯棒的连接缝,从而腐蚀芯棒,造成玻璃纤维断裂,影响其力学性能[1],严重时造成绝缘子断裂等事故。因此,研究腐蚀条件下复合绝缘子芯棒力学性能,对提高输电线路系统的可靠性和稳定性具有较大的理论指导意义和工程实用价值。

由于绝缘子服役条件复杂,在线研究其损伤困难,目前多数学者主要通过实验室试验、计算机仿真等对绝缘子力学性能进行研究。李明浩等[2]基于有限元法,研究了污秽绝缘子在直击雷作用下的电磁场特性。梁曦东等[3]认为放电和电流会破坏环氧树脂基体,酸性介质和机械应力主要导致玻璃纤维应力腐蚀断裂,受潮环境中的放电是酸性介质产生的主要原因,提出了酥朽断裂的概念。卢明等[4]基于某一交流500 kV复合绝缘子线路故障,通过综合诊断流程,提出轴向电场分布不均与伞裙污秽是芯棒断裂的主要原因。孟将等[5]采用抗热冲击试验及断裂韧性测试,评价了瓷绝缘子的可靠性,得到气孔的形态与分布等对瓷绝缘子的强度等力学性能起着至关重要的作用。邓红雷等[6]以110 kV绝缘子玻璃钢芯棒为研究对象,通过有限元仿真,得出了导波在缺陷芯棒中的波形分布规律。陈琳依等[7]对某站绝缘子进行了组织检测,发现微观组织中存在气孔率偏高、玻璃相裂纹、含有TiO2杂质等缺陷,导致了绝缘子强度降低。Zhang等[89]通过有限元建模研究了支柱瓷绝缘子在弯矩作用下的应力情况,分析了不同温度载荷下的热应力对瓷绝缘子断裂的影响。杨海涛等[10]提出了弯曲力矩作用下和结冰膨胀下的瓷绝缘子断裂模型,系统地研究了瓷绝缘子的断裂机理。

作者采用加速腐蚀试样的方法,于自制试验机上进行模拟力学试验,通过对芯棒断口表面形貌的宏观和微观分析,结合表面分析技术,研究了不同腐蚀条件对复合绝缘子芯棒力学性能的影响。

1 试验装置与材料 1.1 试验装置

为模拟绝缘子服役时的复合受力,利用自制疲劳试验机[11]进行拉–扭联合试验。该试验机由机械运转机构、液压系统和控制系统等组成,机械运转机构实现绝缘子的拉伸、扭转以及摆动等单一运动或者复合运动,液压系统为实现这些运动提供动力,控制系统控制整个试验机的参数设置以及启停状态,并记录试验参数,如图1所示。

图1 复合绝缘子疲劳试验机 Fig. 1 Fatigue testing machine of composite insulator

1.2 芯棒结构和基本参数

试验选取FXBW4–110/100型悬挂复合绝缘子,该绝缘子主要由金具、伞裙护套和芯棒组成。其中,芯棒承受着悬挂导线自重、覆冰、风载及导线振动带来的载荷,它由多根SiO2为主要原料的玻璃纤维通过树脂偶联组成,是目前机械强度较高的无机绝缘材料之一。树脂在芯棒中用来充满纤维间隙,起着固化形成整体的作用,其结构如图2(a)所示。在扭转复合力作用下,芯棒内部易产生界面脱胶、纤维断裂和纤维分层断裂等损伤[12],如图2(b)所示。

图2 芯棒结构和内部损伤形式 Fig. 2 Core physical model and fracture form

绝缘子基本参数如表1所示。

表1 芯棒试样的基本参数 Tab. 1 Mandrel sample the basic parameters

2 试验方案

为探明腐蚀对芯棒内部损伤和整体力学性能影响,试验分别采用浸泡和雾化试验制作试样。

2.1 芯棒试样浸泡试验

将全新复合绝缘子芯棒制成厚为10 mm、直径为20 mm的试片,将其放入不同酸碱腐蚀溶液中浸泡。采用HCl溶液配制成酸性溶液,去离子水为中性溶液及NaOH溶液配制成碱性溶液。溶液的pH值依次定为1、3、5、7、9、11,试验于试验室条件下完成,浸泡时间为2 160 h。

2.2 复合绝缘子整体喷雾试验

将复合绝缘子整体放进盐雾试验箱中进行喷雾试验,喷洒pH=3的NaCl与HCl混合溶液。腐蚀时间分别为120、240、360、480、600、720 h,试验气压为0.07 MPa,试验温度为35 ℃,试验参数如表2所示。

表2 复合绝缘子喷雾试验方案 Tab. 2 Test scheme of composite insulator spray

试验发现,在经过600 h喷雾试验的绝缘子表面发生了变化,在室温下自然风干后,伞裙和金具表面附着了很多颗粒状的结晶盐,且绝缘子两端腐蚀较为明显。表明复合绝缘子经过长时间酸性雾腐蚀后,橡胶发生老化,护套与金具间的连接性变差,酸性液体从连接区已进入芯棒与护套界面,并对其产生了腐蚀,降低了抗疲劳能力。

2.3 腐蚀复合绝缘子芯棒疲劳试验

将整体喷雾后的绝缘子试样在自制扭振疲劳试验机上进行力学性能试验,试验时间到芯棒完全断裂。具体试验参数如表3所示。

表3 腐蚀绝缘子扭振疲劳测试方案 Tab. 3 Test scheme of corrosion insulator fatigue

3 试验结果分析 3.1 绝缘子芯棒内部腐蚀分析

图3为切片试样于不同腐蚀浓度下其内部腐蚀表面形貌,光学显微镜观察倍数为500倍。

图3 不同pH值溶液浸泡的芯棒切片腐蚀表面结构 Fig. 3 Microscopically immersed mandrel samples at different pH values

图3(d)可以看出,试样呈暗灰色、纤维状,玻璃纤维较完整,没有纤维断裂现象,表明中性溶液对芯棒内部没有产生腐蚀。从图3(b)(c)可以看出,试样表面出现了一系列细小的圆棱,有玻璃纤维的裂纹萌生和微观裂纹扩展的现象,表明酸液对芯棒内部产生了腐蚀作用。当腐蚀液的pH=1时,试样呈平起光亮的结晶状,表层在位错断裂下呈现裂纹扩展的状态,凸起高度达l mm左右,出现明显的纤维断裂现象,如图3(a)所示。由图3(e)(f)可以看出,试样表面没有明显变化,玻璃纤维比较完整,表明碱性溶液对芯棒内部的腐蚀作用不大。

由此可知,酸液对芯棒具有腐蚀破坏作用,且pH值越小,对芯棒内部腐蚀越严重,越易发生断裂。分析认为:一方面,水分子进入芯棒内部,破坏了分子间的范德华力和氢键,增强了分子间的运动能力;另一方面,酸液渗入金具与芯棒的连接缝处,导致树脂发生水解反应,使得玻璃纤维出现轻微的架空现象。在两者综合作用下,剩余的玻璃纤维在外界机械载荷作用下,易出现断裂现象。

3.2 腐蚀复合绝缘子断口表面形貌分析
图4 不同腐蚀时间下的芯棒断口表面形貌 Fig. 4 Surface morphology of mandrel fracture under different corrosion time

图4为不同腐蚀时间下的芯棒断口3维形貌图和2维图,2维图表面粗糙度表征了均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 和最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 。从图4中可知,芯棒断口整体呈现中间部分凸起且相对平整,圆周边缘较低的蘑菇状特点,但腐蚀时间不同,其断口表面形貌存在差异。从图4(a)可以看出,未经腐蚀芯棒的断口与正应力垂直,表面光亮,裂纹呈河流花样状,测量获得最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 为2.203 mm,均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 为1.047 mm,下部断裂界面与中间隆脊呈台阶状,分析认为芯棒是受到力矩作用而断裂。图4(b)是腐蚀120 h的芯棒断口表面形貌图,断口整体呈灰暗纤维状,表面出现了不同程度的酒杯状微孔坑,裂纹呈放射花样状,测量获得其均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 为0.955 mm,最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 为1.07 mm,表面凸起部分与圆周断面存在1.621 mm的高度差。当腐蚀为240 h时,芯棒断口表面右侧出现较大抛物线状裂纹,并且中间纤维凸起部分与圆周衔接部分出现了裂纹,裂纹整体呈放射花样状,其均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 为0.821 mm,最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 为1.945 mm,同时,断口下方出现直径为2.569 mm的孔洞,此处的玻璃纤维在断裂时已被抽出,如图4(c)所示。从图4(d)可知,当腐蚀达360 h后,芯棒断口四角位置出现了明显的不规则裂纹,其均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 为0.705 mm,最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 为1.791 mm,中间凸起形状也呈不规则状,左下角出现聚集的散状纤维。当腐蚀时间为480 h时,芯棒断口聚集散状纤维,颜色呈暗墨绿色,其均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 为0.693 mm,最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 为1.637 mm,同时,中间凸起形状较不规则,且凸起面积和高度变小,如图4(e)所示。从图4(f)可以看出,腐蚀600 h后,芯棒断口出现疲劳贝纹线,裂纹以同心圆状向圆周方向扩展,中间凸起面积达到最小,其均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 和最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 也达到最小值,分别为0.513 mm和1.552 mm。

综上所述,从芯棒断口的表面形貌分析可以获得腐蚀对芯棒力学性能的影响,其断裂过程是芯棒周围的玻璃纤维先发生腐蚀,剩下的玻璃纤维在外载荷下而发生疲劳断裂。随着腐蚀时间的增加,断口表面由光亮平整向灰暗凹凸不平变化,裂纹由河流花样状向贝纹线状变化,形貌由台阶状向纤维散状变化,均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 和最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 等也随之减小。

3.3 芯棒断口表面分形维数分析

根据投影覆盖法[13],运用MATLAB可获得芯棒断口表面重构形貌,图5为不同腐蚀时间后芯棒断口表面的重构形貌图。根据最小二乘法原理[14]及线性回归分析得到芯棒断口形貌的分形维数,表4为不同腐蚀时间对应的芯棒断口表面形貌的分形维数拟合结果。

图5 不同腐蚀时间芯棒断口形貌重构图 Fig. 5 Core rod fracture surface reconstruction map under different corrosion time

表4 不同腐蚀时间条件下断口分形维数拟合结果 Tab. 4 Fractal dimension fitting results of fracture under different corrosion time

分形维数反应了表面的复杂程度[15],由图5表4可知,不同腐蚀时间条件下断口表面分形维数介于2~3之间,且线性回归的相关系数都在0.99以上,表明具有较好的线性相关性。

3.4 芯棒力学特性与断口分形维数之间的关系

在摆幅为380 mm及扭转角为30°条件下,对腐蚀后的绝缘子进行疲劳试验,记录每次在最低点处的摆动力 ${F_1}$ 、扭转力 ${F_2}$ 、拉伸力 ${F_3}$ ,如表5所示。

表5 不同腐蚀时间的绝缘子疲劳试验参数 Tab. 5 Insulator fatigue test parameters at different corrosion times

图6 力–分形维数–断裂时间随腐蚀时间变化 Fig. 6 Force-fractal dimension-breaking time varies with corrosion time

表5可知,摆动力 ${F_1}$ 、扭转力 ${F_2}$ 、拉伸力 ${F_3}$ 与腐蚀时间的关系。腐蚀时间为600 h,摆动力降低了520.71 N,扭转力降低了78.55 N,拉伸力降低了100.48 N。说明随着腐蚀时间增加,摆动力逐渐减小,而扭转力和拉伸力变化不大,腐蚀更多的是减小了芯棒抵抗摆动力的能力,进而降低了芯棒力学性能。

图6为摆动力 ${F_1}$ 、扭转力 ${F_2}$ 、拉伸力 ${F_3}$ 、分形维数、芯棒断裂时间以及腐蚀时间间的关系。从中可知,随着腐蚀时间增加,由于其抵抗摆动力能力的下降,断裂时间比原来减小了0.9 h,绝缘子芯棒的机械力学性能下降。同时,随着腐蚀时间增加,断口表面形貌的分形维数呈微弱增加趋势,说明随着腐蚀时间增加,其断口表面形貌越复杂。

4 结 论

以FXBW4–110/100型复合绝缘子为研究对象,通过浸泡芯棒切片试样、芯棒腐蚀疲劳断裂测试及其断口分形维数等分析,研究了复合绝缘子芯棒在腐蚀条件下的力学特性。得到的主要结论如下:

1)中性和碱性腐蚀溶液对芯棒力学性能影响不大,酸性溶液对芯棒的腐蚀作用明显,芯棒内部玻璃纤维受到强酸腐蚀时,试样呈平起光亮的结晶状,表层在位错断裂下形成扩展裂纹,芯棒易发生疲劳断裂。

2)绝缘子在不同时间的酸性盐雾腐蚀后,酸液渗入芯棒表面与护套粘接处,对芯棒产生了腐蚀,当发生疲劳断裂后,其断口表面由光亮平整向灰暗凹凸不平变化,裂纹由河流花样状向贝纹线状变化,形貌由台阶状向纤维散状变化,均方根高度 ${S\!_{ q}}$ 和最大凹陷高度 ${S\!_{ v}}$ 等也随之减小。

3)腐蚀时间影响了芯棒的抗摆动力能力,且随腐蚀时间的增加,抗摆动力能力越小,进而影响了绝缘子机械力学性能。

4)断口表面分形维数反映了其复杂性,机械性能下降后,其断裂时间变短,断口分形维数变大,其表面形貌越复杂。

参考文献
[1]
Shao Yingbiao, Lu Ming, Ma Deying. Analysis of a fracture accident of 500 kV composite insulators occurred in henan grid[J]. Insulators and Surge Arresters, 2016(1): 34-39. [邵颖彪, 卢明, 马德英. 河南电网一起500 kV复合绝缘子断裂故障分析[J]. 电瓷避雷器, 2016(1): 34-39.]
[2]
Li Minghao, Zhang Dongyi, Gao Can. Study on the electromagnetic properties of polymer polluted insulator under lightning current stress[J]. Insulators and Surge Arresters, 2017(5): 229-234. [李明浩, 张冬谊, 高参. 雷电流作用下聚合物污秽绝缘子电磁场特性分析研究[J]. 电瓷避雷器, 2017(5): 229-234.]
[3]
Liang Xidong, Gao Yanfeng. Study on decay-like fracture of composite insulator:Part I the principal character,definition and criterion of decay-like fracture[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(17): 4778-4786. [梁曦东, 高岩峰. 复合绝缘子酥朽断裂研究(一):酥朽断裂的主要特征、定义及判据[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(17): 4778-4786.]
[4]
Lu Ming, Hu Wen, Li Li. Analysis on the causes of the core rod fracture of 500 kV ac composite insulator[J]. Insulators and Surge Arresters, 2015(3): 23-28. [卢明, 胡文, 李黎. 交流500 kV复合绝缘子芯棒断裂原因分析[J]. 电瓷避雷器, 2015(3): 23-28.]
[5]
Meng Jiang, Chen Guohong, Wang Ruoming. Microstructure and reliability of ceramic stanchion insulators[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2015, 34(7): 2001-2006. [孟将, 陈国宏, 王若民. 支柱瓷绝缘子的组织结构及其可靠性[J]. 硅酸盐通报, 2015, 34(7): 2001-2006.]
[6]
Deng Honglei, Chen Li, Lu Qiang. Defect detection for fiber reinforced plastics rod of composite insulator with ultrasonic guided wave[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(12): 268-276. [邓红雷, 陈力, 鲁强. 超声导波检测绝缘子用玻璃钢芯棒缺陷[J]. 电工技术学报, 2017, 32(12): 268-276.]
[7]
Chen Linyi, Shuai Yong, Hu Jiarui. Fracture analysis of high voltage post porcelain insulators[J]. High Voltage Apparatus, 2015, 51(7): 69-73. [陈琳依, 帅勇, 胡加瑞. 高压支柱瓷绝缘子断裂分析[J]. 高压电器, 2015, 51(7): 69-73.]
[8]
Zhang E W, Yang Y B, Song W. Study on bending and twisting mechanical properties of high voltageporcelain post insulator[J]. Applied Mechanics & Materials, 2014, 521: 334-338.
[9]
Zhang E W, Yang Y B, Song W. Thermal stressanalysis of high voltage porcelain post insulator[J]. Applied Mechanics & Materials, 2014, 521: 366-370.
[10]
Yang Haitao, Chen Qingtao, Ding Guocheng. Mechanical properties analysis and fracture mechanism study of high voltage post porcelain insulator[J]. Insulators and Surge Arresters, 2017(4): 178-183. [杨海涛, 陈庆涛, 丁国成. 高压支柱瓷绝缘子力学特性分析及断裂机理研究[J]. 电瓷避雷器, 2017(4): 178-183.]
[11]
赵新泽,汪坤.复合绝缘子动载荷扭振试验机:CN104833469A[P].2015-08-12.
[12]
Wu Yaoqing.Study and Finite element simulation on the wear and friction properties of the besin based friction materials[D].Beijing:China University of Geosciences,2013.
吴耀庆.树脂基复合摩擦材料摩擦磨损机理研究及有限元模拟[D].北京:中国地质大学,2013.
[13]
Luo Shengmao, Liu Xingnian, Luo Xian. Roughness of slope surface and gully bed and its measurement method in a small watershed of mountainous areas[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition), 2008, 40(6): 57-62. [罗茂盛, 刘兴年, 罗宪. 山区小流域坡面、沟道床面粗糙度与糙率测量方法探讨[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2008, 40(6): 57-62.]
[14]
Hu Lichun, Liu Guodong, Li Shiyu. A three-component hydrograph separation with stable isotopes based on constrained least square method—A case study of hailuogou glacier[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition), 2016, 48(5): 50-57. [胡立春, 刘国东, 李世钰. 基于带约束最小二乘法的海螺沟冰川区同位素三水源径流分割[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2016, 48(5): 50-57.]
[15]
Li yexue, Liu jianfeng. Study on the deformation characteristics of surrounding rock based on R/S analysis and fractal theory[J]. Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition), 2010, 42(3): 43-48. [李业学, 刘建锋. 基于R/S分析法与分形理论的围岩变形特征研究[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2010, 42(3): 43-48.]