陳家慧,劉 曦,馮 杰,趙興虹,趙玉珍,吳隆文
(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,成都 610041; 2. 四川蜀能電力有限公司高新分公司,成都 610041;3. 清華大學(xué) 材料學(xué)院,北京 100084; 4. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610065)
鑄造鋁合金因具有導(dǎo)電性好、比強(qiáng)度高、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制小等綜合優(yōu)點(diǎn),在電網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[1-8]。鑄造鋁合金接線板是連接變電站導(dǎo)線與電網(wǎng)設(shè)備的重要電氣部件,對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要的輔助作用。由于其制造門檻低,若生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量把控不嚴(yán),如材質(zhì)選擇不當(dāng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、鑄造質(zhì)量差等[9-10],鑄造鋁合金接線板會(huì)出現(xiàn)缺陷。鋁合金接線板工作時(shí),大多直接暴露在大氣中,易受腐蝕介質(zhì)影響[11-14]。其自身缺陷和腐蝕環(huán)境均會(huì)導(dǎo)致接線板開裂失效事件的發(fā)生,給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)重大隱患。2018年9月,某變電站電容式電壓互感器(CVT)頂部接線板出現(xiàn)不同程度的斷裂或開裂,如圖1所示。接線板為一體式鑄造鋁合金,投運(yùn)時(shí)間為2005年6月。本工作以該起典型事故為例,通過(guò)宏觀檢查、材料檢測(cè)、力學(xué)試驗(yàn)等理化分析手段分析了接線板失效的原因,并提出了有效防護(hù)措施,為接線板的設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等工作提供參考。
(a) 兩側(cè)斷裂(b) 一側(cè)斷裂(c) 一側(cè)開裂圖1 現(xiàn)場(chǎng)失效接線板的宏觀形貌Fig. 1 Macrographs of failed terminal boards on site: (a) fracture on both sides; (b) fracture on one side; (c) crack on one side
正常情況下,接線板通過(guò)螺栓分別與CVT頂蓋和30°雙導(dǎo)線設(shè)備線夾相連。裂紋和開裂均出現(xiàn)在垂直板與底板的側(cè)面交界處,在底板與鋼制CVT頂蓋接觸面有大量的白色粉末及塊狀腐蝕產(chǎn)物,CVT頂蓋表面凹凸不平,已被嚴(yán)重銹蝕,如圖1所示。
選取一側(cè)開裂的接線板進(jìn)行進(jìn)一步觀察,如圖2所示??梢?,接線板結(jié)構(gòu)近似一個(gè)倒置的T型,底板厚11 mm、垂直板厚14 mm,垂直板與底板在正面與背面的連接處有弧形過(guò)渡,在兩側(cè)面則為直角連接,裂紋位于一側(cè)直角連接處,貫穿底板表面,且在A端的深度和寬度大于B端的,這表明裂紋是由上而下、從A端擴(kuò)展到B端,其中垂直板與雙導(dǎo)線設(shè)備線夾的接觸面與B端在同一側(cè)。從接線板的斷面可見腐蝕深度已達(dá)4 mm,斷口整體較平整,未見明顯塑性變形,可見較多氣孔缺陷,具有脆性斷口特征,如圖2(d)所示。
通過(guò)直讀火花光譜儀分析失效接線板的化學(xué)成分,結(jié)果如表1所示??梢?,該接線板的化學(xué)成分接近GB/T 1173-2013《鑄造鋁合金》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ZL108鋁合金的要求 ,但Zn、Fe、Pb含量高于標(biāo)準(zhǔn)ZL108鋁合金的,Mn含量低于標(biāo)準(zhǔn)ZL108鋁合金的。ZL108鋁合金具有優(yōu)良的鑄造性、耐磨性及耐熱性,但耐蝕性較差,過(guò)量的三種雜質(zhì)元素會(huì)進(jìn)一步降低材料的耐蝕性。
從失效接線板上切取3塊尺寸為5 mm×10mm×130mm的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明,試樣的抗拉強(qiáng)度分別為128、149、110 MPa,均小于GB/T 1173-2013標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)ZL108鋁合金抗拉強(qiáng)度的最低要求(195 MPa)。
(a) 正視圖(b) 側(cè)視圖(c) 底面 (d) 斷面 圖2 開裂接線板的宏觀形貌Fig. 2 Macrographs of cracked terminal board: (a) front view; (b) side view; (c) under-surface; (d) fracture
表1 失效接線板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of failed terminal board (mass fraction) %
在失效接線板斷口附近取樣進(jìn)行金相分析,腐蝕劑為Keller′s試劑(VH2O∶VHNO3∶VHCl∶VHF=95.0∶2.5∶1.5∶1.0)。由圖3(a)可知,開裂接線板組織為白色固溶體α相(Al)、灰色針狀β相(Al-Fe-Si)和塊狀初晶Si,屬于未經(jīng)變質(zhì)處理的過(guò)共晶鑄造鋁硅合金。圖3(b)顯示,裂紋主要沿針狀β相擴(kuò)展,斷口附近存在較多形狀不規(guī)則的黑色區(qū)域,為鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的孔洞缺陷。通過(guò)掃描電鏡附帶的能譜儀對(duì)斷口附近的針狀β相進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。從微觀形貌可見,針狀β相內(nèi)部存在明顯的裂紋,其組成元素為Al,Si,F(xiàn)e。
(a) 無(wú)裂紋處
(b) 裂紋處圖3 失效接線板的顯微組織Fig. 3 Microstructure of failed terminal board: (a) crack free zone; (b) crack zone
通過(guò)掃描電鏡觀察失效接線板斷口的微觀形貌。由圖5(a)和5(b)可知,圖2中近A側(cè)斷口的腐蝕深度大于近B側(cè)斷口的,這與裂紋從A端向B端擴(kuò)展的路徑相符合。進(jìn)一步放大近B側(cè)斷口后可見,區(qū)域I呈“泥紋和龜裂”特征,為明顯的應(yīng)力腐蝕產(chǎn)物形貌,區(qū)域II以準(zhǔn)解理形貌為主,符合脆性斷裂特性,如圖5(c)和圖5(d)所示。
圖4 針狀β相的微觀形貌及能譜圖Fig. 4 Micro-morphology and energy spectrum of needle-like β phase
從圖5中斷口Ⅰ區(qū)域腐蝕產(chǎn)物取樣,采用掃描電鏡附帶的能譜儀及X射線衍射儀進(jìn)行分析。能譜分析結(jié)果表明,失效接線板的腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:62.7% O、33.5% Al、1.9% Fe、0.9%Si、0.9%S;XRD譜顯示,腐蝕產(chǎn)物為Al(OH)3,如圖6所示。
通過(guò)Abquas有限元分析軟件,對(duì)失效接線板的受力情況進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果如圖7所示。模擬計(jì)算結(jié)果表明,垂直板與底板的交界處為應(yīng)力集中區(qū)域,底面孔邊距會(huì)影響接線板受力情況:當(dāng)接線板底面螺栓孔的邊距L為20 mm,最大等效應(yīng)力值為2.9 MPa。當(dāng)L為40 mm和60 mm時(shí),最大等效應(yīng)力均有所減小,分別為2.4 MPa和2.1 MPa。
通過(guò)材料的化學(xué)成分和顯微組織分析可見,鐵含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鋁合金中出現(xiàn)大量針狀β相。β相硬而脆,不溶于鋁合金基體,鋁合金受力時(shí)易在硬脆性相處形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋,大大降低了鋁合金的抗拉強(qiáng)度、延伸性及耐蝕性。另外,鋁合金中的孔洞為受力薄弱區(qū)域,為裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展提供有利條件。在β相和孔洞缺陷共同作用下,鋁合金接線板的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求值。
從接線板斷裂的現(xiàn)場(chǎng)形貌可知,鋼制CVT頂蓋與接線板底板通過(guò)螺栓連接,兩者之間縫隙較小,易聚集潮氣和雨水,形成腐蝕環(huán)境。腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果顯示,除了氧元素以外,腐蝕產(chǎn)物中存在一定比例的硫元素,這表明腐蝕介質(zhì)中含有硫。這些硫主要來(lái)自于周邊工業(yè)區(qū)產(chǎn)生的SO2。SO2在水中溶解后呈酸性,易破壞鋁合金表面的氧化膜,使新鮮金屬基體裸露在環(huán)境中并被不斷腐蝕為Al3+,最終在陰極區(qū)吸氧形成白色腐蝕產(chǎn)物[14]。接線板與引線均通過(guò)30°雙線夾相連,接線板長(zhǎng)期承受由引線彈力及重力產(chǎn)生的外應(yīng)力。由力學(xué)模擬結(jié)果可知,受力時(shí)在接線板垂直板與底板的交界處形成應(yīng)力集中區(qū),最大等效應(yīng)力為2.9 MPa,增大底面螺栓孔邊距可以有效減小應(yīng)力。在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用下,接線板在垂直板與底板的交界處產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。由失效接線板的顯微組織和斷口形貌分析可知,接線板斷裂為沿晶脆性斷裂,斷口被“泥紋和龜裂”狀腐蝕產(chǎn)物覆蓋,具有應(yīng)力腐蝕斷口特征。
(a) 近A側(cè)(b) 近B側(cè)
(c) Ⅰ區(qū)域(d) Ⅱ區(qū)域圖5 失效接線板的斷口形貌Fig. 5 Fracture morphology of failed terminal board: (a) near A side; (b) near B side; (c) at Ⅰ area; (d) at Ⅱ area
圖6 腐蝕產(chǎn)物的XRD譜Fig. 6 XRD pattern of corrosion products
鋼制品在空氣中極易氧化,常采用熱鍍鋅層對(duì)其進(jìn)行腐蝕防護(hù)。該事故變電站CVT頂蓋為鍍鋅鋼板,鋅和鐵的標(biāo)準(zhǔn)電極電位分別為-0.762 V和-0.441 V,在酸性腐蝕環(huán)境中鍍鋅層作為犧牲陽(yáng)極對(duì)鋼板起到陰極保護(hù)作用,隨著鍍鋅層腐蝕程度的加重,鋼板失去了鋅的防護(hù)作用而開始氧化,產(chǎn)生紅褐色腐蝕產(chǎn)物[15]。另一方面,鋁的電極電位負(fù)于鐵且電位差較大,鋁合金和失去保護(hù)層的鋼板通過(guò)介質(zhì)溶液接觸,形成原電池,發(fā)生電偶腐蝕,電位較低的鋁作為陽(yáng)極不斷被氧化,腐蝕速率加快,鐵作為陰極吸收離子,腐蝕速率降低。接線板的腐蝕減薄,極大削弱了其力學(xué)性能,促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展,嚴(yán)重時(shí)造成接線板斷裂。
(a) 20 mm (b) 40 mm (c) 60 mm圖7 底面孔邊距對(duì)接線板受力情況的影響Fig. 7 The influence of hole edge space on the stress of terminal board
鋁合金中大量針狀β(Al-Fe-Si)相及孔洞缺陷導(dǎo)致接線板抗拉強(qiáng)度偏低,在外應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下,在接線板的垂直板與底板交界處產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂,鋁合金底板與失去保護(hù)層的鋼通過(guò)腐蝕介質(zhì)接觸形成原電池,加速了鋁合金的腐蝕溶解,使底板厚度不斷減薄,增大了裂紋擴(kuò)展速率,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致接線板快速斷裂。
根據(jù)以上分析,為今后工作提出以下幾點(diǎn)建議:
(1) 加強(qiáng)對(duì)接線板的監(jiān)督檢測(cè),防止部件“帶病”入網(wǎng)。
(2) 優(yōu)化接線板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減小接線板受力,如增大接線板底面螺栓孔邊距。
(3) 改變接線板與CVT頂蓋的連接方式,避免產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。