220 kV斷路器合閘儲能彈簧內(nèi)嵌緊固件斷裂分析

程 翔，陳國宏，楊 波，繆春輝，王若民，邢明軍

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司銅陵供電公司，安徽 銅陵 244100)

0 引言

2018-06-17,某220 kV 線路按計劃停電檢修,檢修人員對線路開關(guān)進(jìn)行雙跳閘線圈排查,檢查結(jié)果合格且開關(guān)傳動分合閘正常,開關(guān)儲能正常。5 日后,檢修人員在更換線路保護(hù)工作中進(jìn)行開關(guān)傳動時,發(fā)現(xiàn)合開關(guān)時合閘不成功,后臺顯示開關(guān)非全相動作。因此立即對開關(guān)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)開關(guān)A 相位置未變,且現(xiàn)場檢查開關(guān)A 相未儲能,儲能電源空氣開關(guān)斷開。嘗試送上開關(guān)A 相儲能電源空氣開關(guān)后,儲能電機(jī)空轉(zhuǎn)一段時間后,儲能電源空氣開關(guān)出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。開關(guān)型號：LTB245E1；機(jī)構(gòu)型號為BLK222；投運(yùn)日期：2011-12-24。

1 故障現(xiàn)場情況

檢驗人員到達(dá)現(xiàn)場并了解現(xiàn)場開關(guān)調(diào)試情況后,試送了開關(guān)A 相儲能電源空氣開關(guān),儲能驅(qū)動裝置動作正常但指示標(biāo)桿沒有動作,同時發(fā)現(xiàn)儲能聲音明顯異于正常聲音,在空儲能10 s 左右后儲能電源空氣開關(guān)跳閘。隨后,檢驗人員打開開關(guān)A 相機(jī)構(gòu)頂板,對儲能驅(qū)動裝置和合閘彈簧進(jìn)行檢查,檢查發(fā)現(xiàn)合閘彈簧內(nèi)嵌緩沖橡膠圈已被擠壓變形,部分已凸出。嘗試手動儲能,發(fā)現(xiàn)搖柄無法朝儲能方向轉(zhuǎn)動,只能朝反方向轉(zhuǎn)動,同時發(fā)現(xiàn)合閘彈簧內(nèi)嵌緊固件端部有金屬塊脫落,合閘彈簧輪轂十字架一處有明顯被金屬塊削切痕跡,損傷嚴(yán)重。

2 試驗分析

2.1 宏觀檢查

圖1 所示為合閘彈簧內(nèi)嵌金屬塊斷裂塊的照片,合閘彈簧內(nèi)嵌緊固件端部金屬塊斷裂凸出,使得儲能過程中斷裂金屬塊切削入輪轂十字架,儲能受阻,驅(qū)動負(fù)荷加大。儲能電機(jī)電源空氣開關(guān)設(shè)有定值為4 A 的過負(fù)荷保護(hù),當(dāng)負(fù)荷電流大于4 A 且達(dá)到整定時間時會自動切斷電機(jī)電源空氣開關(guān),這導(dǎo)致了電機(jī)電源送上后儲能10 s 左右電源空氣開關(guān)跳閘。合閘彈簧內(nèi)嵌緊固件主要起緊固作用,在多次動作后可能有變形損傷。金屬塊表面存在有損傷(斷后與輪轂十字架碰觸所致),斷裂面沿一螺孔中心開裂,斷口面比較平整,未見明顯的塑性變形,斷面附近區(qū)域未見明顯機(jī)械損傷痕跡、材料本身缺陷以及被腐蝕跡象。這表明該金屬構(gòu)件在使用過程中,在應(yīng)力的作用下,裂紋由螺孔處起源,并沿晶界及晶粒內(nèi)的解理面迅速擴(kuò)展發(fā)生脆性斷裂。

圖1 合閘彈簧內(nèi)嵌金屬塊斷裂塊照片

2.2 化學(xué)成分分析

用全定量光譜儀對該金屬緊固件斷裂塊化學(xué)成分進(jìn)行檢測分析,檢測三次,檢驗結(jié)果見表1。

從表1 中可以大致看出,該金屬塊的化學(xué)成分與牌號為17-4PH 不銹鋼的化學(xué)成分類似,成分值參照標(biāo)準(zhǔn)(ASTM A 564：S 17400),推斷該金屬塊即為17-4PH 不銹鋼,同時檢測值顯示該材料的各合金元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定要求。

表1 金屬緊固件斷裂塊的化學(xué)成分 wt%

2.3 金相組織分析

該金屬緊固件為17-4PH 不銹鋼,一種具有馬氏體結(jié)構(gòu)的不銹鋼[1],一般經(jīng)過固溶+時效熱處理工藝處理[2]后使用,組織為回火馬氏體組織+殘余奧氏體,有時會存在有少量的δ-鐵素體和碳化物等。在斷裂塊螺紋孔附近截取金相試樣,經(jīng)磨制拋光后,對其拋光態(tài)進(jìn)行觀察(100 倍顯微鏡下),后采用CuSO4+HCl 腐蝕溶液進(jìn)行腐蝕處理,在蔡司研究級倒置式金相顯微鏡上觀察試樣的金相組織(500 倍下)。從顯微鏡中可以看出,該斷裂塊存在有較多的非金屬夾雜物。金相組織為板條狀馬氏體組織,板條狀明顯,板條內(nèi)可能只有碳原子的偏聚,而合金元素仍然固溶在板條馬氏體中,回火效應(yīng)不明顯,時效處理時溫度偏低。其中馬氏體較粗,同時該組織顏色較淺,該組織難以腐蝕,固溶時的沉淀相析出不充分[3]。

2.4 硬度檢驗分析

使用THB-3000MDX 型自動布氏硬度計,對試驗試樣進(jìn)行硬度測試,測試試樣編號1 為在金相試樣的金相面；試樣編號2 為截取另一遠(yuǎn)離螺孔部位制成的金相試樣。試驗條件：負(fù)荷187.5 kgf (1 kgf ≈9.8 N)、鋼球直徑2.5 mm、負(fù)荷保持時間15 s,試樣測量3 次,結(jié)果取平均值,試驗結(jié)果見表2。

表2 布氏硬度試驗結(jié)果 HB

從表2 可以看出,該金屬塊的硬度值高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值(363HB),硬度高表明該金屬塊較脆,容易斷裂。

3 分析與討論

該金屬部件主要起緊固作用,該金屬塊斷裂面的螺孔位置為斷裂源區(qū),源區(qū)附近未見明顯的機(jī)械損傷痕跡。金屬塊在多次動作后可能有變形損傷,其中螺孔位置最為薄弱,應(yīng)力最為集中,隨著應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力大小的變化,該處首先會萌生源裂紋,微裂紋形成后,會立即進(jìn)入擴(kuò)展階段,主要沿晶界及晶粒的解理面迅速擴(kuò)張,最終導(dǎo)致斷裂。

金相組織結(jié)果顯示,該顯微組織中存在有較多的非金屬夾雜物,非金屬夾雜物的存在會造成組織成分的不均勻,在夾雜物附近容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,破壞組織結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,導(dǎo)致塑韌性降低。馬氏體板條狀明顯,馬氏體較粗,顏色較淺,這說明其馬氏體組織在回火轉(zhuǎn)變時不充分,可能只發(fā)生了碳原子的偏聚,而碳及合金元素仍然固溶在馬氏體板條中,使得其組織的強(qiáng)度、硬度高(硬度測試結(jié)果顯示該斷裂塊的硬度值高于標(biāo)準(zhǔn)上限值30 ～40HB),塑性、韌性變差。材料的性能取決于其組織結(jié)構(gòu),其組織結(jié)構(gòu)又取決于其熱處理工藝[5-6]。17-4PH不銹鋼需要經(jīng)過固溶和強(qiáng)化這兩道熱處理工藝,該熱處理工藝需要嚴(yán)格控制,以使得組織成分均勻,性能良好。

該金屬構(gòu)件在熱處理時工藝處理不當(dāng),第一,其固溶時溫度控制不好,高溫度會使得材料的MS點降低,在其冷卻后組織中殘留奧氏體量會增多,從而出現(xiàn)組織粗大的現(xiàn)象；第二,時效處理過程中,其時效溫度與材料的強(qiáng)度、硬度和塑性均相關(guān),但時效的溫度偏低,會導(dǎo)致材料的強(qiáng)度增高,硬度越高,塑性越差。

該金屬構(gòu)件硬度高于標(biāo)準(zhǔn)值,發(fā)生脆性斷裂,這表明該構(gòu)件的時效溫度偏低,時效處理結(jié)果差,組織中碳化物的析出沉淀不充分,馬氏體的回火效應(yīng)不明顯,材料的塑性和韌性持續(xù)惡化導(dǎo)致材料脆性斷裂。

4 結(jié)論與建議

合閘彈簧內(nèi)嵌金屬緊固件斷裂凸出脫落是本開關(guān)A 相機(jī)構(gòu)無法儲能與合閘的主要原因,而金屬部件的脆性斷裂一是由于其組織非金屬夾雜物含量較多,容易引起應(yīng)力集中,降低其力學(xué)性能；二是由于該金屬部件的熱處理工藝控制不嚴(yán),時效處理時溫度偏低,使得材質(zhì)過硬,性能劣化。對涉及同型號開關(guān)C 類檢修均要對開關(guān)各相機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真檢查。同時加強(qiáng)電網(wǎng)入庫部件的監(jiān)督檢驗工作,保障電網(wǎng)安全運(yùn)行。此故障的處理也為其他電廠提供了參考。