韓紀(jì)層，何 建，林德源，邵艷群，鄭躍勝

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007；2.國網(wǎng)強臺風(fēng)環(huán)境抗風(fēng)減災(zāi)實驗室(培育)，福州 350007；福州大學(xué)3.材料科學(xué)與工程學(xué)院，4.電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116)

0 引 言

電力金具是連接和組合電力系統(tǒng)中的各類裝置，起到傳遞機械負荷、電氣負荷及某種防護作用的金屬附件。電力金具的質(zhì)量、正確安裝與否均對電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行具有十分重要的影響。由于電力金具長年暴露在自然環(huán)境中遭受環(huán)境的侵蝕以及受到各種外力作用，因此經(jīng)常會發(fā)生失效事故[1-6]。目前，雖然工廠對原材料的質(zhì)量控制越來越嚴(yán)格，但仍然存在很多電力金具遠未達到其設(shè)計壽命而失效的事故[7-9]。

2018年，福建省沿海某變電站2號并聯(lián)電抗器500 kV側(cè)電容式電壓互感器(CVT)附件L型接線板在臺風(fēng)中發(fā)生突然斷裂。接線板用材料為ZL101鋁合金，經(jīng)過砂型鑄造、T6熱處理制造而成，其生產(chǎn)過程符合工藝要求。為防止此類事故的再次發(fā)生，作者對L型接線板進行失效分析，并對其受力情況進行有限元模擬，以為相關(guān)生產(chǎn)廠家以及電網(wǎng)建設(shè)和運維單位提供試驗參考。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，接線板與CVT及出線線夾通過螺栓連接，出線線夾較厚，其厚度約為接線板的2倍，接線板中間有加強筋。觀察發(fā)現(xiàn)，接線板所連接的引線較長，且處于松弛狀態(tài)。在強臺風(fēng)環(huán)境中，引線會發(fā)生劇烈舞動，從而產(chǎn)生交變應(yīng)力，并通過出線線夾傳遞到接線板上。

圖1 接線板結(jié)構(gòu)示意

由圖2可知：接線板在其與CVT頂端的連接側(cè)斷裂，接線板與CVT頂端凸臺的接觸面有一條小裂紋，接線板在沿A到B的方向發(fā)生開裂；接線板由向內(nèi)45°轉(zhuǎn)換到向外45°開裂，說明接線板不是單一方向受力，而是多個方向受力；在接線板的螺栓孔處，接線板與CVT頂端凸臺有明顯的摩擦痕跡(圓圈所示位置)，并形成明顯的壓痕，說明該處的接線板發(fā)生了塑性變形。塑性變形會導(dǎo)致該處截面積減小，所受應(yīng)力增加，導(dǎo)致接線板發(fā)生脆性斷裂。

圖2 失效接線板的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分

在接線板斷裂位置附近取樣，按照GB/T 7999-2015，采用Bruker Q8型固定式金屬元素分析儀對其化學(xué)成分進行分析。由表1可知，失效接線板的化學(xué)成分滿足GB/T 1173-2013的規(guī)定，也符合采購要求[10-12]，但硅含量處在規(guī)定值的上限。

表1 失效接線板的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))

1.3 物相組成

采用MiniFlex 600型X射線衍射儀(XRD)對失效接線板進行物相分析，采用連續(xù)掃描模式，管電壓為40 kV，管電流為15 mA，掃描范圍為5°～85°。由圖3可知，該接線板主要由鋁相和硅相組成，未檢測到其他物相。

圖3 失效接線板的XRD譜

1.4 顯微組織與斷口形貌

在接線板斷裂位置附近截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用Keller溶液(1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O)腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡(OM)上觀察顯微組織。由圖4(a)可知：接線板的顯微組織主要由共晶硅和鋁基體組成，與XRD分析結(jié)果一致，表明該合金未經(jīng)變質(zhì)處理；共晶硅分布在基體鋁相的晶界處，晶粒尺寸較大，約為100 μm，主要呈球狀、板條狀和長片狀。板條狀與長片狀的共晶硅為脆性相，割裂了晶粒的延續(xù)性，對材料性能有不利影響。

采用SUPRA 55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察失效接線板斷口形貌，并利用附帶的能量色散X射線能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。由圖4(b)～圖4(d)可以看出：接線板斷口上未見氧化物，說明斷口新鮮；斷口表面有較多微裂紋，未見明顯韌窩，說明接線板的斷裂類型主要為脆性斷裂；裂紋兩側(cè)主要為硅元素，推測裂紋沿晶界處共晶硅相延伸擴展；微量鐵元素的分布范圍較廣，但分布不均勻，在裂紋萌生處分布較多，同時未檢測出鎂元素。失效接線板斷口微區(qū)域含有過量硅元素和鐵雜質(zhì)元素，說明合金中存在粗大AlFeSi第二相顆粒，粗大的第二相顆粒是應(yīng)力集中和裂紋萌生之處[13-16]。

圖4 失效接線板斷口附近的顯微組織與斷口SEM形貌及元素面掃描結(jié)果

1.5 硬 度

按照GB/T 231.1-2009，采用UH250型布洛維硬度計對失效接線板斷口附近的硬度進行測試。測得失效接線板的平均硬度為92 HBW，最小硬度為85 HBW，符合GB/T 1173-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的經(jīng)砂型鑄造、T6熱處理后ZL101合金的硬度不小于70 HBW的要求。

1.6 拉伸性能

按照GB/T 228.1-2010，在失效接線板上截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在CMT5205型微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為1.5 mm·s-1。由表2可知，該接線板的拉伸性能符合GB/T 1173-2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 失效接線板的拉伸性能

1.7 受力情況分析

為方便分析，將接線板與出線線夾連接的螺栓孔依次標(biāo)記為C1，C2，C3，C4，將L接線板與CVT頂端連接的螺栓孔依次標(biāo)記為D1，D2，D3，D4，如圖5(a)所示。由圖5可以看出，C1，C2，C3，D1，D2螺栓孔均與螺栓發(fā)生摩擦，螺栓孔處留下螺紋磨損痕跡。對螺紋痕跡分析可以判斷出，該接線板在臺風(fēng)作用下受到明顯的扭矩與拉力作用而產(chǎn)生塑性變形。

圖5 失效接線板上螺栓孔處的宏觀形貌

接線板在運行過程中，除受到出線線夾的重力和拉力作用外，在臺風(fēng)環(huán)境中還受到出線線夾的扭轉(zhuǎn)作用。采用Ansys workbench 15.0有限元模擬軟件對接線板進行有限元建模并劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分采用三角形自由網(wǎng)格劃分，共劃分22 221個網(wǎng)格。接線板的有限元模型如圖6(a)所示。D1～D4螺栓孔固定，在C1～C4螺栓孔上施加1 kN的重力、1 kN的拉力以及1 kN·m的彎矩，然后進行有限元求解，得到接線板的等效應(yīng)力分布，如圖6(b)所示。由圖6(b)可知，接線板在直邊與圓弧過渡處存在應(yīng)力集中，而D1螺栓孔與CVT頂端凸臺邊緣接觸處的應(yīng)力集中程度最大。

圖6 接線板的有限元模型及模擬得到的等效應(yīng)力分布

2 斷裂原因分析

由上述檢驗結(jié)果可知，該接線板的化學(xué)成分與力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但因未經(jīng)變質(zhì)處理，顯微組織中存在尺寸較大的長片狀或板條狀共晶硅相和粗大的AlFeSi第二相顆粒。共晶硅分布在基體鋁相的晶界處，割裂了晶粒之間的連續(xù)性。微區(qū)成分分布不均勻，過量硅元素和鐵元素聚集形成了粗大的AlFeSi第二相顆粒，并成為應(yīng)力集中和裂紋萌生處。接線板的設(shè)計厚度偏薄，在臺風(fēng)的作用下，當(dāng)引線劇烈舞動產(chǎn)生的扭矩和拉應(yīng)力超過接線板的承載強度時，接線板會產(chǎn)生變形開裂。綜上所述，顯微組織中尺寸較大的長片狀或板條狀共晶硅相和粗大的AlFeSi第二相是接線板斷裂的主要原因，而結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是其斷裂的另一原因。在引線因受臺風(fēng)影響劇烈舞動產(chǎn)生的拉應(yīng)力和扭矩作用下，接線板螺栓孔與CVT頂端凸臺邊緣接觸處的應(yīng)力集中程度較大，微裂紋在應(yīng)力集中位置的粗大第二相AlFeSi顆粒處萌生，然后沿脆性共晶硅相擴展，最終導(dǎo)致接線板發(fā)生脆性斷裂。

3 結(jié) 論

(1) CVT附件L型接線板的斷裂性質(zhì)為脆性斷裂。接線板顯微組織中尺寸較大的長片狀或板條狀共晶硅和AlFeSi第二相是其斷裂的主要原因，而結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是其斷裂的另一原因；在引線因受臺風(fēng)影響劇烈舞動產(chǎn)生的拉應(yīng)力和扭矩作用下，微裂紋在接線板螺栓孔與CVT頂端凸臺邊緣接觸處應(yīng)力集中位置的粗大AlFeSi第二相顆粒處萌生，并沿脆性共晶硅相擴展，最終導(dǎo)致接線板發(fā)生脆性斷裂。

(2) 為避免類似事故發(fā)生，建議增加L型接線板的厚度或使用更高強度的鋁合金，以提高其整體強度；增加CVT頂端凸臺與接線板的接觸面積，避免凸臺邊緣與螺栓孔處應(yīng)力的疊加；通過有限元模擬等方法進行零件受力分析，以指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)。