莊建煌 黃 偉 林明星

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0 引言

戶外高壓隔離開關(guān)是完全暴露在大氣環(huán)境中的電力設(shè)備，長年累月承受著環(huán)境和各種氣候條件的影響，風(fēng)、雨、雷電、潮氣、冰雪、沙塵,加上鹽霧和空氣污染以及各種煙塵污穢,不斷侵蝕著金屬零件,使其生銹腐蝕，進(jìn)而影響產(chǎn)品的機(jī)械性能和電氣性能，威脅到電網(wǎng)的運(yùn)行安全。隔離開關(guān)觸臂開裂會(huì)使導(dǎo)電回路接觸不良，造成發(fā)熱，同樣威脅到電網(wǎng)的運(yùn)行安全。

因此，本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際案例，對(duì)隔離開關(guān)觸臂焊縫裂紋和觸頭處硬鋁合金發(fā)生腐蝕的原因進(jìn)行分析、探討，希望能夠?qū)Ω邏焊綦x開關(guān)防護(hù)水平的提高起到一些促進(jìn)作用。

1 案例概述

2011年11月20日，檢修人員現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)220kV蓋尾變110kV蓋鯉Ⅱ路16N1刀閘A相觸頭側(cè)導(dǎo)電管焊縫存在裂縫，并且導(dǎo)電管觸頭處硬鋁合金還出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。該事故影響了變電站的安全運(yùn)行，帶來了不小的經(jīng)濟(jì)損失。圖1為刀閘觸臂發(fā)生腐蝕和裂紋的位置圖。

圖1 刀閘觸臂的整體形貌

2 案例分析

2.1 外觀分析

根據(jù)GB/T 13298-1991金屬顯微組織檢驗(yàn)方法，采用金相顯微鏡PME3-323UN、顯微數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)DP70對(duì)刀閘觸臂進(jìn)行外觀檢查，檢查結(jié)果分析如下：

如圖2所示，觸臂裂紋位于焊縫連接處靠導(dǎo)電管側(cè)的熔合區(qū)，長度約為周長的二分之三，同時(shí)在焊縫的收弧處發(fā)現(xiàn)有弧坑裂紋（見圖3）。沿縱向破開焊縫發(fā)現(xiàn)該焊縫采用插入式角焊縫連接方式。在外表面已開裂的焊縫縱向截面上發(fā)現(xiàn)焊縫與導(dǎo)電管間的裂紋已經(jīng)沿熔合線貫穿到根部（見圖4），并且存在根部未熔合現(xiàn)象，而焊縫與連接座的坡口則完全熔合在一起。在外表面未開裂的焊縫縱向截面上發(fā)現(xiàn)焊縫的導(dǎo)電管側(cè)存在坡口未熔合現(xiàn)象（見圖5），未熔合區(qū)域約占整個(gè)焊縫熔合線長度的三分之二，只有近表面三分之一的區(qū)域熔合在一起；同時(shí)焊縫的連接座側(cè)也存在坡口未熔合現(xiàn)象，未熔合區(qū)域約占整個(gè)熔合線長度的五分之一。將圖6處焊縫與導(dǎo)電管坡口未熔合區(qū)域放在金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)在坡口未熔合區(qū)域的尖端產(chǎn)生了裂紋（見圖6），并且裂紋的擴(kuò)展方向也發(fā)生了曲折。在金相顯微鏡下對(duì)導(dǎo)電管的外表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其外表面附有一層涂層（見圖7），厚度約為40μm。

導(dǎo)電管觸頭附近的硬鋁合金有較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象（見圖8），其表面附著白色腐蝕產(chǎn)物，并有部分腐蝕產(chǎn)物與基體發(fā)生剝離。導(dǎo)電管端部兩側(cè)安裝觸頭的位置均加工成平臺(tái)，在平臺(tái)段與圓形段導(dǎo)電管間出現(xiàn)明顯的腐蝕分界線，圓形段導(dǎo)電管表面完好，而平臺(tái)段表面則全部腐蝕，看不到表面涂層。導(dǎo)電管端部固定螺栓和鎖緊塊的材質(zhì)為碳鋼，觸頭為銅質(zhì)鍍銀材質(zhì)。

圖2 觸臂裂紋的宏觀形貌

圖3 焊縫弧坑裂紋形貌

圖4 外表面已開裂的焊縫縱向截面

圖5 外表面未開裂的焊縫縱向截面

圖6 焊縫與導(dǎo)電管坡口未熔合區(qū)域形貌

圖7 導(dǎo)電管外表面涂層形貌

圖8 導(dǎo)電管觸頭照片

2.2 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 20975-2008《鋁及鋁合金化學(xué)分析方法》對(duì)連接座和導(dǎo)電管分別進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1所示。

表1 導(dǎo)電管和連接座的化學(xué)成分wt%

3 綜合分析與討論

從焊縫的縱向截面觀察發(fā)現(xiàn)受檢焊縫存在嚴(yán)重坡口未熔合及根部未焊透現(xiàn)象，同時(shí)在焊縫的收弧處還發(fā)現(xiàn)有弧坑裂紋，以上現(xiàn)象說明該焊縫的焊接質(zhì)量不合格。焊縫存在的嚴(yán)重坡口未熔合使其承載截面減小，同時(shí)在未熔合尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致部件承載能力嚴(yán)重下降。從圖7觀察到在坡口未熔合區(qū)域的尖端產(chǎn)生了裂紋，由此推斷裂紋是在未熔合區(qū)域的尖端萌生，并沿著熔合線由內(nèi)向外壁擴(kuò)展，最后貫穿到外表面。所以焊接質(zhì)量不合格是造成裂紋產(chǎn)生的主要原因。

影響金屬材料大氣腐蝕的主要因素有本身材質(zhì)及氣象、污染等環(huán)境因素。若將鋁合金置于大氣環(huán)境中，在表面會(huì)形成致密的氧化膜Al2O3，若有水或有大量水蒸氣存在，Al2O3將會(huì)轉(zhuǎn)化為Al(OH)3。Al(OH)3屬于兩性氧化物，在酸堿環(huán)境中都會(huì)溶解，所以大部分的降雨、霧和鋁表面小孔內(nèi)的電解質(zhì)都會(huì)使鋁合金處于腐蝕狀態(tài)。除了鋁合金本身的腐蝕特性外，材料服役的環(huán)境因素（濕度、溫度、腐蝕性介質(zhì)濃度等）都可以誘使鋁合金加速腐蝕，特別是大氣環(huán)境中若含有二氧化硫、二氧化氮、氯化物等氣體，腐蝕速率將急劇加劇。此外，化學(xué)成分分析結(jié)果表明導(dǎo)電管鋁合金材料的Cu、Mg含量較高，因而導(dǎo)致其耐腐蝕性降低。

導(dǎo)電管觸頭在露天環(huán)境下工作，長時(shí)間與雨水和大氣中的腐蝕性氣體接觸，若未進(jìn)行一定的防腐處理，極容易發(fā)生腐蝕。生產(chǎn)廠家未能提供導(dǎo)電管具體的牌號(hào)和表面處理狀況，給分析工作帶來一定的困難。用便攜式合金分析儀對(duì)導(dǎo)電管圓形段表面進(jìn)行金屬元素分析時(shí)發(fā)現(xiàn)表面測(cè)不出金屬元素，結(jié)合金相顯微觀察結(jié)果判斷該段導(dǎo)電管表面附有一層非金屬涂層，所以未發(fā)生腐蝕。而導(dǎo)電管觸頭附近平臺(tái)段表面已全部發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕，故推斷該區(qū)域表面極可能沒有保護(hù)涂層。導(dǎo)電管端部螺栓和鎖緊塊的材質(zhì)為碳鋼，觸頭為銅質(zhì)鍍銀材質(zhì)，在含有電解質(zhì)水汽的作用下也會(huì)與鋁合金構(gòu)成腐蝕原電池系統(tǒng)，從而發(fā)生電化學(xué)腐蝕，上述兩種腐蝕機(jī)理的共同作用導(dǎo)致導(dǎo)電管鋁合金局部受到嚴(yán)重腐蝕。

4 結(jié)論

220kV蓋尾變110kV蓋鯉Ⅱ路16N1刀閘A相觸臂導(dǎo)電管和連接座間的焊縫開裂主要是由于焊接質(zhì)量不合格所（焊縫存在嚴(yán)重未熔合缺陷）造成的；同時(shí)，導(dǎo)電管觸頭附近由于防腐保護(hù)措施不當(dāng)，在環(huán)境腐蝕介質(zhì)和異種金屬電化學(xué)腐蝕的共同作用下，導(dǎo)致其局部發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。

5 措施及建議

（1）加強(qiáng)對(duì)同類型刀閘觸臂的檢查工作，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)更換。

（2）加強(qiáng)入網(wǎng)設(shè)備及其零部件的質(zhì)量驗(yàn)收與管理工作，并要求廠家提供完整的技術(shù)資料（包括設(shè)計(jì)圖紙、產(chǎn)品質(zhì)量證明書等）。

［1］楊德鈞,沈卓身.金屬腐蝕學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1999.

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