胡加瑞，謝億，劉純，歐陽克儉，龔靜

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

主變黃銅抱夾失效分析及解決措施

Analysis and solutions of main transformers brass clamp failure

胡加瑞，謝億，劉純，歐陽克儉，龔靜

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

抱夾作為與主變樁頭連接的重要部件，其安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。通過對(duì)湖南電網(wǎng)近幾年主變ZHPb59-1黃銅抱箍失效事故的調(diào)查，分析并歸納了失效其典型的原因，即材質(zhì)缺陷、應(yīng)力腐蝕，并提出相應(yīng)的解決措施，對(duì)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行有一定的借鑒意義。

應(yīng)力腐蝕；失效；抱夾；ZHPb59－1

ZHPb59－1中Cu含量為58%～63%、Zn含量約為40%、Pb含量為0.5%～2.5%，具有一定的強(qiáng)度、硬度和良好的鑄造性能，特別是具有優(yōu)異的切削性能〔1－2〕。目前， 國(guó)內(nèi)主變樁頭的抱箍線夾(后稱抱夾)多采用ZHPb59－1材質(zhì)，一般采取金屬型鑄造工藝，鑄造溫度在850℃左右，鑄造后的產(chǎn)品需經(jīng)過退火處理，退火溫度區(qū)間為500～600℃，保溫6 h；但ZHPb59－1黃銅的性能與鑄其造工藝如配料、攪拌、退火等密切相關(guān)，且有一定的應(yīng)力腐蝕傾向，易產(chǎn)生斷裂等問題〔3－6〕。 近年來，湖南電網(wǎng)近年來發(fā)生多起因ZHPb59－1抱夾斷裂而導(dǎo)致的主變故障，本文分析了其典型的金屬失效行為，并提出了相應(yīng)的解決措施，可以對(duì)設(shè)計(jì)、運(yùn)行及金屬監(jiān)督提供參考。

1 主變黃銅抱夾典型失效原因

1.1 材質(zhì)缺陷

2012年10月17日，某110 kV變電站2號(hào)主變 (型號(hào):SSZ10－31500/110)進(jìn)行例行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)10 kV樁頭A，C相抱夾開裂，失效抱夾的開裂部位位于連接螺栓的抱耳根部，見圖1。

此類抱夾設(shè)計(jì)材質(zhì)為ZHPb59－1，對(duì)此類失效抱夾進(jìn)行成分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其含有大量的Cu和Zn，同時(shí)還有少量的Pb和Sn，具體數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)參考文獻(xiàn) 〔7〕中鉛黃銅的牌號(hào)規(guī)定，Pb含量最高為2.5%，由表1可知，此類失效抱夾合金中Pb含量嚴(yán)重超標(biāo)，不合格。

圖1 失效抱夾的形貌

表1 第一類失效抱夾成分檢測(cè) %

對(duì)此類失效抱夾進(jìn)行金相顯微組織檢測(cè)，具體見圖2，可知其主要相組成為條狀α和基體β相，另在晶界處存在大量的第三相單質(zhì) Pb。Pb在Cu－Zn合金中的固溶度很小，其主要存在于固溶體的晶界處，晶界處的單質(zhì)Pb硬度很低，具有很強(qiáng)的潤(rùn)滑和減磨作用，可使合金具有極高的切削性能，但是此類抱夾中由于Pb含量超標(biāo)，曾連續(xù)網(wǎng)狀分布，導(dǎo)致晶界弱化，使合金的力學(xué)性能下降，易在螺栓緊固力的作用下產(chǎn)生斷裂，合金中Pb含量超標(biāo)是此類失效線夾斷裂的主要原因。

ZHPb59－1中Pb超標(biāo)可能由以下原因引起:①配料過程中對(duì)各合金的配比不正確；②熔煉爐中溶液未及時(shí)攪拌，黃銅在鑄造過程中，由于Cu，Zn，Pb等元素的比重不一樣，會(huì)存在溶液中Pb元素向熔煉爐下部沉積，若鑄造過程中對(duì)溶液未及時(shí)或有效攪拌，可能導(dǎo)致下部溶液的Pb元素含量較高，產(chǎn)生同爐生產(chǎn)的部分產(chǎn)品出現(xiàn)Pb含量超標(biāo)的問題。

圖2 第一類失效抱夾金相顯微組織

1.2 應(yīng)力腐蝕

2013年5月，某110 kV變電站2號(hào)主變進(jìn)行檢查中發(fā)現(xiàn)35 kV樁頭A，B，C三相抱夾均開裂，2013年7月，另發(fā)現(xiàn)110 kV變2號(hào)主變10 kV低壓樁頭B相抱夾開裂，2臺(tái)主變由同一廠家生產(chǎn)，抱箍線夾設(shè)計(jì)材質(zhì)為ZHPb59－1。

第二類失效線夾的開裂部位處于抱耳中部，裂紋沿軸向延伸，其方向與接觸導(dǎo)電桿所受的應(yīng)力方向一致，見圖3。同時(shí)樁頭螺孔處存在軸向小裂紋，且已貫穿至外表面，見圖4。

圖3 第二類失效抱夾形貌圖

圖4 第二類失效抱夾螺孔處裂紋形貌

此類失效抱夾的斷口宏觀形貌如圖5所示，裂紋斷口平齊，未見明顯的裂紋源，屬典型的脆性斷裂，同時(shí)結(jié)合微觀斷口形貌，見圖6，斷口有一定的臺(tái)階，屬典型的沿晶斷裂。

圖5 第二類失效夾斷口的形貌圖

圖6 第二類失效夾微觀斷口的形貌

對(duì)此類失效抱夾進(jìn)行成分檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)見表2，符合參考文獻(xiàn) 〔7〕的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表2 第二類失效抱夾成分檢測(cè) %

對(duì)此類失效抱夾進(jìn)行金相顯微組織檢測(cè)，如圖7所示，其主要相組成為條狀及棒狀的α相和黑色的基體β相，但該組織不均勻，部分α相較粗大，呈團(tuán)絮狀。不均勻組織的存在說明該抱夾未進(jìn)行退火處理或退火不充分，鑄造后的線夾由于各部位的冷卻速度不一致，其內(nèi)部組織存在差異，并且有較大的內(nèi)應(yīng)力，需進(jìn)行充分的退火處理來調(diào)整其組織及應(yīng)力狀態(tài)，通常ZHPb59－1黃銅的退火工藝為500～600℃，保溫6 h。

同時(shí)對(duì)裂紋處的微觀組織進(jìn)行觀察，可以看出裂紋曾典型的沿晶裂紋形貌，如圖8所示。

圖7 第二類失效抱夾金相顯微組織

圖8 第二類失效抱夾裂紋處金相組織

為進(jìn)一步分析該類抱夾失效的原因，對(duì)其備品進(jìn)行了檢測(cè)。根據(jù)YS/T814—2012《黃銅制成品應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》，采用濃度為140 g/L氨水溶液，溫度 (25±1)℃，試驗(yàn)時(shí)間8 h，并對(duì)其進(jìn)行了模擬安裝，兩側(cè)螺栓的緊固力矩為45 kN·m。

對(duì)經(jīng)過氨熏試驗(yàn)后的此類抱夾進(jìn)行滲透探傷試驗(yàn) (PT)，其表面形貌如圖9所示，可看出表面存在較多裂紋，由端部發(fā)展的裂紋較粗大，且裂紋較深，已深入至壁厚的約1/2處。

圖9 第二類失效抱夾滲透探傷后裂紋形貌

對(duì)裂紋處的的微觀組織進(jìn)行SEM觀察，見圖10可知裂紋也屬于典型的沿晶裂紋。根據(jù)YS/T814—2012標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)氨熏試驗(yàn)后試樣表面有裂紋，應(yīng)判定為不合格。

通常采用人工進(jìn)行冷補(bǔ)料攤鋪，攤鋪時(shí)可根據(jù)坑槽面積、冷補(bǔ)料密度與松鋪系數(shù)粗略計(jì)算冷補(bǔ)料用量，應(yīng)盡量避免材料的浪費(fèi)。冷補(bǔ)瀝青混合料具有初期強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，為避免其產(chǎn)生車轍，攤鋪過程中應(yīng)注意：若在夏季或冷補(bǔ)料儲(chǔ)存時(shí)間要求較短的情況下施工，可適當(dāng)減少冷補(bǔ)料中稀釋劑用量；松鋪系數(shù)的選取應(yīng)保證冷補(bǔ)料修補(bǔ)后高出原路面2～3cm；若坑槽深度大于5cm，則修補(bǔ)時(shí)應(yīng)以3～5cm為一層，分層攤鋪并逐層壓實(shí)。

圖10 裂紋SEM形貌

應(yīng)力腐蝕破裂是指金屬材料在特定介質(zhì)中與拉應(yīng)力的同時(shí)作用下所產(chǎn)生的一種破裂現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱應(yīng)力腐蝕 (SCC)。通常應(yīng)力集中的部位成為陽極而首先遭受腐蝕，在腐蝕的進(jìn)程中，材料一般是先出現(xiàn)微觀裂紋之后迅速擴(kuò)展為宏觀裂紋，微觀裂紋一旦形成，擴(kuò)展速度比其它的局部腐蝕快得多。應(yīng)力腐蝕引起的部件失效往往無明顯的預(yù)兆而突然發(fā)生脆性斷裂.是危害性和破壞性最大的一類腐蝕。

鉛黃銅具有良好的工藝性能和力學(xué)性能，但隨Zn含量的增加，其應(yīng)力腐蝕 (SCC)的敏感性增大，當(dāng)Zn含量高于20%時(shí)，高Zn的α相以及β相對(duì)應(yīng)力腐蝕十分敏感。ZHPb59－1黃銅的含Zn含量約為40%，所以其具有很強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕傾向。

主變抱夾若無應(yīng)力存在，腐蝕很難向深處侵入。而主變抱夾由于退火工藝不合格，導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力未消除，且受到一定的螺栓緊固力，螺栓緊固應(yīng)力沿抱耳周向分布，在周圍介質(zhì) (如潮濕空氣、腐蝕性氣體、微量NH3或SO2)的作用下，腐蝕將沿應(yīng)力分布不均勻的晶粒邊界進(jìn)行，并在拉應(yīng)力作用下導(dǎo)致開裂，裂紋的發(fā)展方向垂直于所受的拉應(yīng)力方向；同時(shí)拉應(yīng)力促使腐蝕介質(zhì)向內(nèi)部侵入，使腐蝕裂紋向縱深發(fā)展，直至抱夾產(chǎn)生斷裂。

1.3 其他缺陷

ZHPb59－1黃銅抱夾除存在以上缺陷外，由于金屬型鑄造工藝流程較長(zhǎng)，且鑄造過程受環(huán)境溫度、濕度、操作水平的影響較大，其在鑄造過程中不可避免的產(chǎn)生氣孔、疏松、夾雜等缺陷；但目前無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行規(guī)定，造成了制造單位、使用單位均對(duì)其未引起重視，且一般未開展相關(guān)檢測(cè)。

2 解決措施

為了避免ZHPb59－1等鉛黃銅的以上問題，目前部分廠家采用了T2銅板材制備抱夾，效果良好。該類抱夾使用T2銅板材制造，在800℃對(duì)其進(jìn)行沖壓成型，并對(duì)成品進(jìn)行鍍錫處理，鍍錫層厚度不低于12 μm。一般 T2銅板材的抗拉強(qiáng)度為 200 MPa，高于ZHPb59－1抱夾的設(shè)計(jì)強(qiáng)度150 MPa，且軋制的T2銅板材不易產(chǎn)生成分不合格、應(yīng)力腐蝕等問題，也避免了由鑄造工藝不規(guī)范引入的各種缺陷，可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3 結(jié)論與建議

1)主變抱夾斷裂的原因主要表現(xiàn)為ZHPb59－1的材質(zhì)缺陷及應(yīng)力腐蝕。

2)建議檢修及運(yùn)行過程中重點(diǎn)對(duì)ZHPb59－1黃銅主變抱夾進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)裂紋及時(shí)更換，

3)ZHPb59－1黃銅對(duì)應(yīng)力腐蝕十分敏感，不宜作為抱夾材質(zhì)使用，在設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)中可選用T2銅材質(zhì)的沖壓型抱夾。

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〔2〕倪自飛，程巨強(qiáng)，劉志學(xué).B變質(zhì)對(duì)HPb59－I黃銅組織細(xì)化的影響 〔J〕.特種鑄造及有色合金，2007，27(1):70-71.

〔3〕朱志平，陳天江，吳志宏.某熱電廠凝汽器銅管汽側(cè)腐蝕原因分析 〔J〕.材料保護(hù)，1998，31(12):31.

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10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.010

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