孫明道１,田金濤２,肖鶴旋１,劉曉鋒１

(１．平高集團(tuán)河南平芝高壓開關(guān)有限公司,平頂山 ４６７０１３;

２．平高集團(tuán)河南平高電氣股份有限公司,平頂山 ４６７００１)

摘 要:某批次３５CrMo合金鋼２５２kV 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)機(jī)構(gòu)電鍍鋅止動螺栓在合閘試驗(yàn)調(diào)節(jié)中發(fā)生斷裂失效,通過化學(xué)成分分析、斷口分析、硬度測試、氫脆評估試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等方法對螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該止動螺栓斷裂是由氫脆造成的,而止動螺栓發(fā)生氫脆斷裂是由螺栓電鍍鋅后去氫工藝不當(dāng)造成的.最后提出了預(yù)防螺栓氫脆斷裂的改進(jìn)措施.

關(guān)鍵詞:止動螺栓;斷裂;氫脆;失效分析

中圖分類號:TG１１５;TH１３１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６０２Ｇ０５

某 ２５２kV 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GasInsulatedSwitchgear,GIS)智能變機(jī)構(gòu)進(jìn)行出廠機(jī)械特性試驗(yàn),操作２００次后,發(fā)現(xiàn) GIS的斷路器三相合閘時間均不在管理值范圍(７５~１００ms)之內(nèi).使用５N??m 力矩扳手緊固調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的合閘時間螺栓,第一次調(diào)整未能達(dá)到管理值要求,再次進(jìn)行調(diào)整時發(fā)現(xiàn) C相合閘調(diào)整螺栓松動,擰出螺栓發(fā)現(xiàn)已經(jīng)斷裂,斷裂螺栓形貌如圖１所示.斷裂帶孔止動螺栓為東芝進(jìn) 口 螺 栓,規(guī) 格 為 M６×３０,強(qiáng) 度 等 級 為４５H,材料為３５CrMo鋼,要求表面處理工藝為電鍍鋅(F５１E２B)并進(jìn)行去氫處理(P１０F１).為查明該螺栓斷裂失效的原因,筆者通過一系列理化試驗(yàn)方法,對斷裂的螺栓及同規(guī)格螺栓進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 化學(xué)成分分析

對斷裂螺栓基體取樣,采用島津 PDA７０００ 型直 讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表１.可見該斷 裂 螺 栓 的 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T３０７７－２０１５«合金結(jié)構(gòu)鋼»對３５CrMo鋼成分的技術(shù)要求.

１．２ 宏觀分析

GIS機(jī)構(gòu)拆解下的帶孔止動螺栓尚未完全斷裂分離,如圖１a)所示.用手將最后連接部分扯斷,目視上下斷口并無較大差別,斷口較為平整.采用基恩士 VHXＧ５００型數(shù)碼顯微鏡觀察斷口,如圖１b)所 示,斷裂起始于螺牙底部,螺栓斷裂前受到拉應(yīng)力作 用,斷裂由螺牙底逐漸擴(kuò)展到整個斷面,直到最終斷 裂,斷口處無明顯塑性變形,且斷面與軸線垂直,呈 脆性斷裂特征.

１．３ 斷口微觀分析

止動螺栓斷口經(jīng)丙酮反復(fù)清洗后,利用日本電子JSMＧ６５１０A 型掃描電鏡(SEM)觀察圖１b)中螺栓斷口的斷裂源、擴(kuò)展區(qū)、終斷區(qū)的顯微形貌,結(jié)果如圖２所示.圖２a)為斷裂源處的沿晶斷裂形貌,斷口以典型的沿晶冰糖狀形貌為主;圖２b)為斷裂源處沿晶斷裂晶面的形貌特征,可見晶面上分布有雞爪紋理;圖２c)為斷口心部的擴(kuò)展區(qū)微觀形貌,可見存在晶間二次裂紋并伴隨有微孔;圖２d)為終斷區(qū)的混合斷裂形貌,斷口上分布有韌窩并伴隨有沿晶斷裂.斷口微觀分析結(jié)果表明,止動螺栓斷口呈現(xiàn)典型的氫脆斷裂特征.

１．４ 維氏硬度測試

使用 HVＧ５型顯微硬度計(jì)對斷裂止動螺栓表面及心部硬度進(jìn)行測試,試驗(yàn)載荷為４．９N(５００gf),加載時間為１０s,結(jié)果如表２所示.可見螺栓的表面和心部硬度均符合JISB１０５３－１９９９«用碳鋼和合金鋼制成的緊固件的機(jī)械特性 第５部分:不低于拉伸強(qiáng)度的緊固螺釘和類似緊固螺釘»對４５H 強(qiáng)度等級螺栓的技術(shù)要求。

１．５ 氫脆評估試驗(yàn)

１．５．１ 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)JISB１０５３－１９９９中６．３款力學(xué)性能中的強(qiáng)度試驗(yàn)方法,從同一批次螺栓隨機(jī)抽取２件,正常運(yùn)行設(shè)備上拆掉其他批次的螺栓１件,進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn).試驗(yàn)按JISB１０５３－１９９９中的圖３進(jìn)行.標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)格 M６、強(qiáng)度等級４５H 的螺栓能承受８．５N??m力矩,試 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 同 批 次 的 ２ 個 螺 栓 在 承 受８．５N??m力矩時均發(fā)生斷裂,而設(shè)備上正常使用的螺栓能夠承受８．５N??m 力矩,未發(fā)生斷裂,表明本批次螺栓強(qiáng)度不能滿足規(guī)格 M６、強(qiáng)度等級４５H 的扭轉(zhuǎn)載荷試驗(yàn)要求.當(dāng)螺栓中氫含量達(dá)到一定程度時,螺栓極限載荷會有所降低[１],觀察螺栓斷口平齊,為脆性斷口,由此判斷本批次螺栓存在氫脆的風(fēng)險(xiǎn).

１．５．２ 慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)

分別取同一批次 M６螺栓２件和其他批次正常使用的 M６螺栓１件,進(jìn)行慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn),快速對其抗氫脆性能進(jìn)行評估[２Ｇ３].采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)CMTＧ５１０５型微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)對螺栓進(jìn)行慢應(yīng)變 拉 伸 試 驗(yàn),試 驗(yàn) 條 件 如 下:拉 伸 速 率 為０．０２mm??min－１,應(yīng)變速率為 １０－４ s－１.慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表３,試驗(yàn)曲線如３a)所示.由圖３a)可見:同批次螺栓１號和２號均在屈服前斷裂,呈脆性斷裂,不存在明顯的屈服;３ 號螺栓則為韌性斷裂,存在明顯的屈服.３號螺栓的抗拉強(qiáng)度大于１號和２號螺栓的,這是因?yàn)殡S著螺栓中氫含量的增加,其抗拉強(qiáng)度隨之降低,并發(fā)生脆性斷裂[１].通過掃描電鏡對３個慢應(yīng)變拉伸斷口進(jìn)行觀察:１號和２號螺栓斷口平整,其微觀形貌呈冰糖狀的沿晶斷裂,如圖３b)和 圖 ３c)所 示;與 斷 裂 螺 栓 斷 口 形 貌 相 似,１號和２號螺栓沿晶斷裂面上也分布有雞爪紋理,局部存在 沿 晶 二 次 裂 紋 并 伴 有 微 孔,如 圖 ３d)和圖３e)所示;３號螺 栓 斷 口 形 貌 如 圖３f)所 示,斷 口上有大量韌窩,屬于韌性斷裂.慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,本批次螺栓存在嚴(yán)重的氫脆風(fēng)險(xiǎn).

１．６ 金相檢驗(yàn)

１．６．１ 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

對斷裂的螺栓縱向取樣,經(jīng)磨制、拋光后使用OLYMPUSGX５１ 型金相顯微鏡觀察螺栓拋光態(tài)下的非金屬夾雜物及缺陷情況.結(jié)果表明:螺栓拋光態(tài)下放大１００倍心部未見明顯非金屬夾雜物及帶狀偏析.

１．６．２ 脫碳層檢驗(yàn)

將斷裂螺栓沿軸向剖開,制備金相試樣,進(jìn)行螺紋脫碳層檢驗(yàn).經(jīng)磨制、拋光后用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕,使用 OLYMPUSGX５１型金相顯微鏡進(jìn)行觀察,螺紋處顯微形貌如圖４所示.根據(jù)JISB１０５３－１９９９中金相法測定螺栓脫碳層的規(guī)定,測得螺紋未脫碳的高度 E＝０．４９８ mm(技術(shù)要求E≥０．４５９mm),螺紋全脫碳層深度G＝９．３８μm(技術(shù)要求 G≤１５μm),螺紋脫碳層檢驗(yàn)結(jié)果符合JISB１０５３－１９９９技術(shù)要求.

１．６．３ 顯微組織檢驗(yàn)

選取斷裂的螺栓和慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)斷裂的３號螺栓,進(jìn)行顯微組織比較.對兩個螺栓進(jìn)行橫向取樣,經(jīng)磨制、拋光后用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕,通過 OLYMPUSGX５１型金相顯微鏡進(jìn)行觀察.如圖５所示,二者顯微組織基本一致,均為回火索氏體,其中斷裂螺栓中還有少量塊狀鐵素體,為正常調(diào)質(zhì)熱處理顯微組織[４Ｇ５].

２ 綜合分析

以上理化檢驗(yàn)結(jié)果表明,斷裂止動螺栓的化學(xué)成分、硬度、顯微組織均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求.斷口分析結(jié)果顯示,斷裂螺栓斷口宏觀上無明顯塑性變形,斷面平整,斷口微觀形貌以冰糖狀沿晶斷裂為主,并且在沿晶斷裂面上有大量雞爪紋理,晶面上有微孔并且伴有晶間二次裂紋,呈典型氫脆沿晶斷裂特征.螺栓氫脆評估試驗(yàn)結(jié)果表明,斷裂批次螺栓存在嚴(yán)重的氫脆風(fēng)險(xiǎn).螺栓產(chǎn)生 氫 脆 主 要 與 鋼 中 氫 含 量 過 高 有 關(guān),

但也與鋼中的碳含量、顯微組織、強(qiáng)度以及零部件所受的應(yīng) 力 有 關(guān).研 究 發(fā) 現(xiàn),如 果 鋼 的 抗 拉 強(qiáng) 度達(dá)到１１２８ MPa或者硬度達(dá)到３７ HRC以上時,其氫脆敏感 性 就 會 很 高,零 部 件 在 表 面 處 理(電 鍍、酸洗)后如果去氫工藝不當(dāng),引入的氫元素就很容易誘 發(fā) 氫 脆 斷 裂[６].止 動 螺 栓 斷 口 形 貌 特 征 表明,由于去氫 工 藝 不 當(dāng) 引 入 的 氫 元 素 已 擴(kuò) 散 至 整個螺栓材料中.斷裂止動螺栓強(qiáng)度等級為４５H,屬于高強(qiáng)度螺栓,其硬度達(dá)到了３７HRC以上,因此氫脆敏感性較強(qiáng).螺栓表面進(jìn)行了電鍍鋅處理,其電鍍鋅工藝如下:脫 脂 → 水 洗 → 酸 洗 → 電 解 除 油 → 水 洗 →１０％HCl(體積分?jǐn)?shù))活化→水洗→電鍍鋅→水洗→出光→鈍化(CrO３,H２SO４,HNO３)水洗 → 干燥 →老化,可見在電鍍鋅過程中有酸洗工序和鹽酸活化工序,在進(jìn)行這兩個工序時,極易引入氫.如果在電鍍后去氫工藝不當(dāng)或者漏掉去氫工序,氫元素便會殘留在螺栓中,造成螺栓在使用過程中發(fā)生由氫脆誘發(fā)的延遲斷裂.一般鋼中氫含量在０．０００５％~０．００１％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時就會產(chǎn)生氫脆斷裂,對于高強(qiáng)度鋼,其臨界氫含量還要低的多.斷裂螺栓的硬度和氫脆評估試驗(yàn)結(jié)果,間接驗(yàn)證了螺栓中氫含量的過量,螺栓存在氫脆的危險(xiǎn).該止動螺栓工作時主要受靜態(tài) 應(yīng) 力 和 氫 元 素 作 用,產(chǎn) 品 裝 配 結(jié) 束 進(jìn) 行２００次操作試驗(yàn)后,推測止動螺栓上出現(xiàn)了裂紋,最后在進(jìn)行調(diào)整時受到扭轉(zhuǎn)力作用而發(fā)生最終斷裂.因此,氫和應(yīng)力的共同作用是造成該批次止動螺栓發(fā)生氫脆斷裂的主要原因[７Ｇ８].

３ 結(jié)論及改進(jìn)措施

(１)該批次２５２kV GIS機(jī)構(gòu)止動螺栓斷裂屬于典型的沿晶氫脆斷裂.

(２)螺栓在電鍍鋅表面處理過程中引入了氫元素,去氫工藝不當(dāng)造成氫元素殘留,從而導(dǎo)致螺栓在使用過程中于氫和應(yīng)力的共同作用下發(fā)生延遲斷裂,其中過量氫是造成該批次止動螺栓氫脆斷裂的根本原因.

(３)建議對于抗拉強(qiáng)度大于１１２８MPa或者硬度高于３７HRC的高強(qiáng)度等級的螺栓在電鍍鋅后要及時進(jìn)行去氫處理,且應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行去氫工藝規(guī)范,避免因去氫工藝不當(dāng)誘發(fā)氫脆斷裂;另外可以采取適當(dāng)降低合金鋼的碳含量、適量提高回火溫度等措施;對于要經(jīng)過海上運(yùn)輸?shù)膶浯嗝舾械牧悴考?在運(yùn)輸時要進(jìn)行包裝防護(hù),避免長期接觸海霧而導(dǎo)致零部件局部滲氫.