摘 要:某500kV 變電站高壓六氟化硫斷路器導(dǎo)氣管接頭開裂導(dǎo)致泄壓故障,采用宏觀觀察、 化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗(yàn)、氨熏試驗(yàn)、掃描電鏡和能譜分析等方法,對斷路器導(dǎo)氣管接頭 開裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:導(dǎo)氣管接頭的顯微組織異常,鉛元素的宏觀偏析,加工、熱處理 和安裝過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及腐蝕介質(zhì)的存在,導(dǎo)致接頭因應(yīng)力腐蝕而開裂失效。 

關(guān)鍵詞:高壓六氟化硫斷路器;導(dǎo)氣管接頭;宏觀偏析;應(yīng)力腐蝕開裂 

中圖分類號:TG115.2                                         文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                                       文章編號:1001-4012(2022)05-0030-04

高壓六氟化硫斷路器是變電站的主要電力控制 設(shè)備。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),斷路器和繼電保護(hù)配 合,迅速地切除故障電路,保證系統(tǒng)安全運(yùn)行;電力 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),斷路器能切斷和接通高壓電路中 的空載電流和負(fù)載電流[1]。高壓六氟化硫斷路器是 采用高絕緣性能的六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介 質(zhì)的新型高壓斷路器,具有工作電流大、開斷能力 強(qiáng)、絕緣水平高和斷口電壓高等傳統(tǒng)油斷路器和壓 縮空氣斷路器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[2],被廣泛地應(yīng)用于 電力系統(tǒng)。 2021年5月,某500kV 變電站高壓六氟化硫 斷路器發(fā)生泄壓故障,集控站監(jiān)控發(fā)現(xiàn)斷路器低氣 壓告警,六氟化硫分合閘閉鎖。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn) B相 斷路器導(dǎo)氣管接頭部位開裂,無法通過補(bǔ)氣修復(fù),開 裂部位如圖 1 所示。該 斷 路 器 為 LW35-252 型 設(shè) 備,服役時(shí)間約為兩個月;該斷路器導(dǎo)氣管及其接頭 材料均為黃銅。

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

導(dǎo)氣管接頭沿橫截面呈不規(guī)則開裂,斷口表面 大部分區(qū)域呈現(xiàn)明顯的黑色,斷裂接頭的宏觀形貌 如圖2所示。 

1.2 化學(xué)成分分析 

根據(jù) YS/T482—2005 《銅及銅合金分析方法 光電發(fā)射光譜法》,采用直讀光譜儀對導(dǎo)氣管接頭進(jìn) 行化學(xué)成分分析。根據(jù) GB/T5231—2012《加工銅 及銅合金牌號和化學(xué)成分》,接頭材料大致確定為 HPb59系列,但是鐵元素和雜質(zhì)含量的實(shí)測值大于 GB/T5231—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍,具體化學(xué)成分分 析結(jié)果如表1所示。

1.3 硬度測試 

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T4340.1—2009 《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》,采用維氏硬度計(jì)對導(dǎo)氣 管接頭進(jìn)行硬度測試,其平均硬度為157HV,維氏 硬度測試結(jié)果見表2。

1.4 金相檢驗(yàn) 

采用三氯化鐵+鹽酸+乙醇溶液對拋光后接頭 的表面進(jìn)行侵蝕,然后在光學(xué)顯微鏡下觀察導(dǎo)氣管 接頭的顯微組織[3]。從圖3可以看出,試樣的顯微 組織是由灰色基體β相+白色針條狀α 相+彌散分 布的黑色點(diǎn)狀鉛顆粒組成。該組織晶粒異常粗大, 同時(shí)白色針條狀α 相沿晶界呈網(wǎng)絡(luò)狀分布。粗晶組織會降低材料的力學(xué)性能,沿晶界網(wǎng)絡(luò)狀分布的針 條狀α 相會降低合金晶界的結(jié)合能力,以上兩種情 況均容易使導(dǎo)氣管接頭在服役過程中產(chǎn)生沿晶開裂 缺陷。

1.5 掃描電鏡和能譜分析 

采用掃描電鏡觀察導(dǎo)氣管接頭斷口表面的微觀 形貌,掃描區(qū)域如圖4所示,斷口微觀形貌如圖5所 示。同時(shí)對宏觀斷口處黑色、黃色及其交界區(qū)域進(jìn)行 能譜分析,能譜分層圖像如圖6所示,其中,鉛元素分 布呈現(xiàn)明顯的宏觀偏析現(xiàn)象。表3是能譜分析面總 譜圖和分布區(qū)1~4的元素含量,由表3可知,在分布 區(qū)1和分布區(qū)3的鉛元素含量明顯高于分布區(qū)2和 分布區(qū)4的鉛元素含量,整個斷口區(qū)域的鉛元素總含 量也明顯高于工件的平均鉛元素含量(1.87%)。鉛 元素分布情況如圖7所示,由圖7可以看出:斷口黑 色區(qū)域的鉛元素含量明顯高于黃色區(qū)域,存在鉛元 素宏觀偏析現(xiàn)象,這會導(dǎo)致導(dǎo)氣管接頭的塑性降低, 脆性增強(qiáng),易產(chǎn)生開裂缺陷。對斷口表面微觀形貌 進(jìn)行分析,可見較多的微小裂紋(見圖8)。 

對顯微組織的α 相和β相腐蝕后進(jìn)行掃描電鏡 和能譜分析,在晶界處可看到針條狀分布的α 相,α 相和β相能譜圖未見異常(見圖9~11)。

1.6 氨熏試驗(yàn)

對尚 未 安 裝 的 全 新 導(dǎo) 氣 管 接 頭 采 用 氯 化 銨 24h試驗(yàn)法進(jìn)行氨熏試驗(yàn),試驗(yàn)前將試樣 分 為 兩 組,分別施加安裝預(yù)應(yīng)力和未施加安裝預(yù)應(yīng)力。從 氨熏試驗(yàn)結(jié)果可知,施加安裝預(yù)應(yīng)力的黃銅接頭表 面有明顯裂紋,而未施加應(yīng)力的黃銅接頭表面也存在微裂紋缺陷(見圖12)。由圖12可以看出,裂紋 圖12 黃銅接頭氨熏試樣宏觀形貌 位置很可能是導(dǎo)氣管接頭的開裂源,與圖2所示開裂位置吻合。

2 綜合分析 

2.1 顯微組織 

導(dǎo)氣管接頭顯微組織晶粒異常粗大,α 相沿晶 界呈針條狀網(wǎng)絡(luò)分布的原因是:導(dǎo)氣管接頭采用熱 鍛成型,在熱加工生產(chǎn)過程中,坯料鍛造溫度過高或 者加熱時(shí)間過長,使得晶粒粗大;熱加工過程成型很 快,成型過程中沒有明顯降溫,終鍛溫度仍然很高, 在這種條件下,如果冷卻速率較快,α 相將在較高的 過冷溫度下析出,相變因受應(yīng)力的作用而具有位向 性,并且不均勻地發(fā)展,使析出的α 相呈現(xiàn)針條狀分 布在晶界[4-5]。晶粒粗大、針條狀網(wǎng)絡(luò)組織均會降低 合金晶界的結(jié)合能力,從而導(dǎo)致導(dǎo)氣管接頭在服役 過程中沿著晶界產(chǎn)生開裂缺陷。

2.2 斷口分析 

導(dǎo)氣管接頭的斷口處存在較多微裂紋和明顯的 鉛元素宏觀偏析現(xiàn)象,且試樣的鉛元素含量高出導(dǎo) 氣管接頭的平均鉛元素含量10多倍[6-8]。這是因?yàn)? 材料在熔煉澆鑄環(huán)節(jié)熔液不均勻,導(dǎo)致鉛元素宏觀 偏析,加工后導(dǎo)氣管接頭的塑性降低,脆性增強(qiáng),從 而易產(chǎn)生開裂缺陷。

2.3 材料選擇 

根據(jù) GB2314—2016《電力金具通用技術(shù)條件》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,以銅合金材料制造的金具,其銅元素含量 應(yīng)不低于80%,如果黃銅材料如果加工和熱處理工 藝不當(dāng),也容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和氫脆開裂等缺陷。

2.4 內(nèi)應(yīng)力和環(huán)境影響 

如果導(dǎo)氣管接頭在加工過程中工藝不良,接頭 內(nèi)部就會存在加工應(yīng)力,而且在熱處理過程中,退火 不充分會導(dǎo)致材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力;另外,導(dǎo)氣管接頭在 裝配過程中也需要施加安裝預(yù)應(yīng)力,從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng) 力,接頭在內(nèi)應(yīng)力和大氣腐蝕介質(zhì)(大氣中的 CO2, SO2,NO2 等氣體溶解于雨水中,容易形成酸性、氧 化性化合物)的共同作用下,表面的氧化膜被腐蝕而 受到破壞,破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽 極和陰極,陽極處的金屬成為離子而被溶解,產(chǎn)生電 流流向陰極,從而導(dǎo)致接頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

<文章來源   >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊 > 58卷 > 5期 (pp:30-33)>