一例500kV高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭斷裂情況的分析

蔣慶云　蔣林高

摘 要：針對某500 kV變電所GW35-550DW型高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭傳動(dòng)軸承倒閘操作過程中發(fā)生斷裂的情況，對高壓隔離開關(guān)斷裂萬向節(jié)頭進(jìn)行了外觀檢查、試驗(yàn)掃描電鏡分析、金相分析以及化學(xué)成分分析。通過檢查和試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，高壓隔離開關(guān)斷裂萬向節(jié)頭存在較多的鑄造工藝缺陷，且其化學(xué)成分中碳含量明顯超標(biāo)，由此確定高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭斷裂的主要原因?yàn)橹圃旃に嚾毕莺筒馁|(zhì)不良，并針對高壓隔離開關(guān)故障提出了提高高壓隔離開關(guān)運(yùn)行可靠性的意見和建議。

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān) 萬向節(jié)頭 斷裂 分析 鑄造

中圖分類號：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0032-02

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中使用量最大、應(yīng)用范圍最廣的高壓電器設(shè)備，其可靠性事關(guān)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。但是由于高壓隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)相對簡單，制造相對不受重視，且由于制造工藝、維護(hù)管理、環(huán)境等因素的影響，其在運(yùn)行中存在著諸如分合閘不到位、合分閘三相不同步、拒合、拒分、回路電阻超標(biāo)、零部件表面銹蝕所致操作不靈、金屬部件斷裂等問題，因而其質(zhì)量難以保證[1-2]。

2014年10月17日，某500 kV變電所一垂直伸縮式高壓隔離開關(guān)在停電倒閘操作過程中其發(fā)生B、C相可調(diào)拉桿萬向節(jié)頭傳動(dòng)軸承斷裂，下圖1所示為該故障高壓隔離開關(guān)導(dǎo)電底座裝配圖，發(fā)生斷裂的部位為圖示高壓隔離開關(guān)右側(cè)萬向節(jié)頭。故障高壓隔離開關(guān)型號為GW35-550DW，出廠時(shí)間為2008年12月，投運(yùn)時(shí)間為2009年12月。

1 高壓隔離開關(guān)的外觀檢查

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，故障高壓隔離開關(guān)的斷裂萬向節(jié)頭外觀完整且無明顯塑性變形，其裸露在空氣中的關(guān)節(jié)軸承和部分螺桿表面有明顯的紅褐色腐蝕斑點(diǎn)，擰緊在拉桿內(nèi)部的螺桿表面無腐蝕跡象。從故障高壓隔離開關(guān)上更換下來的萬向節(jié)頭中觀察，其中A相的一個(gè)萬向節(jié)頭也銹蝕較重，并存在大量的微裂紋，而其它萬向節(jié)頭銹蝕輕微或無明顯銹蝕，且外觀檢查未見明顯裂紋。

外觀檢查還發(fā)現(xiàn)，在斷裂的萬向節(jié)頭軸承圓形受力區(qū)域表面分布有大量的宏觀裂紋和微裂紋，而對斷裂萬向節(jié)頭進(jìn)行滲透探傷發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過滲透探傷后萬向節(jié)頭裂紋顯示更明。在實(shí)驗(yàn)室對斷裂的萬向節(jié)頭關(guān)節(jié)軸承斷口形貌觀察和分析，發(fā)現(xiàn)其斷面粗糙、起伏明顯，具有較強(qiáng)的金屬光澤和粗大的條狀結(jié)晶顆粒，且其部分區(qū)域已經(jīng)生銹，但斷口邊緣沒有明顯的塑性變形痕跡，上述現(xiàn)象說明斷裂萬向節(jié)頭斷口具有鑄件脆性斷裂的典型特征[3]。

2 故障高壓隔離開關(guān)的試驗(yàn)分析

2.1 斷口的掃描電鏡分析

掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀掃描電子顯微鏡察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。將斷裂的萬向節(jié)頭斷口表面經(jīng)超聲波清洗后，在實(shí)驗(yàn)室掃描電鏡下進(jìn)行觀察，其在低倍下斷口即可觀察到粗大的柱狀晶顆粒，部分晶粒之間還存在晶間裂紋；另一部分區(qū)域可以明顯的觀察到河流狀花紋，為準(zhǔn)解理形貌，上述現(xiàn)象說明此次故障高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭斷裂同時(shí)具有沿晶斷裂和準(zhǔn)解理斷裂的特征，其屬于脆性斷裂。

2.2 金相分析

金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要方法，采用定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計(jì)算來確定金屬組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。對斷裂的高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭和新的萬向節(jié)頭取樣制成金相樣品，用FeCl3鹽酸水溶液浸蝕，在實(shí)驗(yàn)室金相顯微鏡下觀察。根據(jù)金相顯微鏡觀察，兩個(gè)試樣的金相組織都是奧氏體，但斷裂的萬向節(jié)頭其制造工藝為鑄造，由金相試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)其金相組織晶粒明顯粗大，大小不均勻，存在晶間孔洞和第二相組織，且其靠近邊沿處還發(fā)現(xiàn)有晶間孔洞和晶間裂紋連接在一起形成的微裂紋。而新的萬向節(jié)頭其制造工藝為鍛造，其金相組織晶粒細(xì)小、均勻，屬于典型、正常的鍛件組織[4]。

2.3 化學(xué)成分分析

化學(xué)分析從大類可分為經(jīng)典的重量分析和容量分析。重量分析是指根據(jù)試樣經(jīng)過化學(xué)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后生成產(chǎn)物的質(zhì)量來計(jì)算式樣的化學(xué)組成；而容量分析法則根據(jù)試樣在反應(yīng)中所需要消耗標(biāo)準(zhǔn)試液的體積測定式樣的主要成分，也可以測定試樣的次要成分。對斷裂的高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭、未斷裂且表面無銹跡的萬向節(jié)頭以及新的萬向節(jié)頭進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。由表1可知，其中斷裂萬向節(jié)頭的碳元素含量明顯偏高，不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，而未斷裂的萬向節(jié)頭Ni元素含量略低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，新的萬向節(jié)頭完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

3 結(jié)語

高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭的外觀檢查結(jié)果表明，斷裂萬向節(jié)頭的關(guān)節(jié)軸承塑性較差，其在使用過程中萌生了大量的宏觀裂紋和微裂紋，且其表面有大量的銹斑。綜合萬向節(jié)頭斷口掃描電鏡觀察分析、金相分析、化學(xué)成分分析，斷裂萬向節(jié)頭其材質(zhì)的碳含量為國家標(biāo)準(zhǔn)兩倍，同時(shí)存在較多的鑄造缺陷。

不銹鋼材質(zhì)碳含量超標(biāo)，其碳元素會(huì)與其他元素形成—系列復(fù)雜的碳化物，從而增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性，并容易引起晶間腐蝕和降低鋼的耐大氣腐蝕能力。此外，由于斷裂萬向節(jié)頭屬于鑄造件，其內(nèi)部容易出現(xiàn)組織粗大、孔洞、夾雜或第二相等冶金缺陷，而晶粒粗大會(huì)降低鋼材的綜合力學(xué)性能和裂紋擴(kuò)展功并提高冷脆區(qū)域，不銹鋼中存在的晶間孔洞和第二相會(huì)則會(huì)降低不銹鋼的塑性和韌性，并在材質(zhì)內(nèi)部引起應(yīng)力集中并導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。外觀檢查和試驗(yàn)分析表明，制造工藝缺陷以及材質(zhì)不良是故障高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭斷裂的主要原因。

提高高壓隔離開關(guān)的可靠性事關(guān)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，針對該文中所反映出的高壓隔離開關(guān)故障，建議設(shè)備運(yùn)行維護(hù)單位加強(qiáng)入網(wǎng)設(shè)備及其零部件的質(zhì)量驗(yàn)收與管理工作，特別是高壓隔離開關(guān)的質(zhì)量驗(yàn)收工作，并在高壓隔離開關(guān)的招標(biāo)技術(shù)協(xié)議中明確高壓隔離開關(guān)的萬向節(jié)頭部件必須為鍛造件，并在設(shè)備停電檢修過程中加強(qiáng)對高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭等金屬部件的檢查和維護(hù)工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘振蛟.戶外隔離開關(guān)機(jī)械故障的起因及預(yù)防[J].高壓電器，2006，42（6）：55-56.

[2] 盛明學(xué)，王志清.戶外高壓隔離開關(guān)常見故障的原因分析與處理[J].高壓電器，2010，46（10）：28-29.

[3] 鄭偉濤.材料科學(xué)與工程導(dǎo)論[M].長春：吉林大學(xué)出版社，1999.

[4] 趙程，楊建民.機(jī)械工程材料[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.