某變電站電流互感器接地引線螺栓斷裂分析

馮紅武，高瑞陽，沈祎儂，田 澤，葉建鋒

（1.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

螺栓作為緊固件連，主要用于機械產品、電力設備、船舶、車輛、水利工程等部件的連接［1-7］，是目前應用最為廣泛的連接方式。螺栓多采用碳鋼、不銹鋼、銅材質，碳鋼一般為低碳鋼、中碳鋼以及合金鋼［8-9］，不銹鋼為奧氏體和馬氏體鋼［10-12］，銅多為黃銅H62、H65、H68，鉛黃銅螺栓很少見，將鉛加入到銅鋅合金中，可以獲得一定的強度、硬度，并顯著提升鑄造性能和切削加工性能［13］。

黃銅材質具有一定的應力腐蝕傾向，容易產生應力腐蝕開裂，即季裂［14］。近年來，省內外鉛黃銅配件斷裂故障時有發生［15-20］，而鉛黃銅螺栓斷裂失效未有報道。

本文以斷裂的鉛黃銅螺栓為例，采用宏觀檢查、化學成分、硬度檢測、金相分析及掃描電鏡等分析手段，分析螺栓斷裂失效原因并提出改進措施。

1 概況

2021 年04 月15 日，某變電站電流互感器接地引線固定螺栓在運行中發生開裂，現場安裝位置如圖1（a），該螺栓型號為M8*45，無廠家和性能等級標識，材質為鉛黃銅。

2 試驗與分析

依據《GB/T 5231-2012 加工銅及銅合金牌號和化學成分》《GB/T 1176-2013 鑄造銅及銅合金》《JB/T 5108-2018 鑄造黃銅金相檢驗》等技術要求［21-23］，對斷裂鉛黃銅螺栓進行分析，結果如下。

2.1 宏觀檢測

圖1（b）為螺栓斷裂位置，斷裂位置靠近螺帽端，位于連接板與螺帽交界面，于第3根螺紋和第4根螺紋之間，從圖1（c）螺栓斷口宏觀形貌看，斷面與螺栓軸線垂直，斷口附近無明顯塑性變形，為脆性斷裂，同時表面存在疲勞擴展線，螺帽與連接板交界面承受了低應力交變載荷。

圖1 螺栓宏觀圖Fig.1 Macroscopic bolt diagram

2.2 材質分析

用奧林巴斯VANTA-VCR 便攜式熒光光譜儀，對斷裂螺栓的大端面、斷口、小端面分別進行光譜分析，位置如圖1（d）所示，分析結果如表1。

表1 螺栓化學成分檢測（單位：%）Table 1 The chemical composition detection of bolt(Unit:%)

從光譜分析可見，該銅合金為鉛黃銅，根據標準《GB/T 5231-2012 加工銅及銅合金牌號和化學成分》對鉛黃銅化學成分要求，該螺栓與黃銅牌號HPb57-4最接近，斷口處Cu含量低于標準的最低要求，Pb、Fe和Sn含量超標。

2.3 硬度分析

硬度結果如表2 所示，鉛黃銅螺栓大端面、斷口、小端面的硬度值高于標準要求80 HBW2.5/187.5，根據文獻［24］，少量的Sn固溶于α及α+β黃銅中，可提高銅合金的耐蝕性、強度和硬度。通常只在黃銅中加入1%左右的Sn，能抑制普通黃銅的脫鋅，文獻［25］中提到，黃銅中加入1%Sn后，硬度明顯增高，而文獻［26］中隨著Sn 的不斷增加，黃銅的硬度一直在增高，Sn 含量過多，則使銅合金的塑性下降。根據文獻［27］，加工鉛黃銅具有較強的加工硬化特性，而螺栓的螺紋成形需要經過冷加工，加工后硬度也會變大。

表2 螺栓硬度檢測(HB)Table 2 Hardness testing of bolt（HB）

含36%Zn 的α 相黃銅Sn 的溶解度僅為0.7%［28］，而標準中規定Sn 含量不大于0.5%，多余的Sn 以CuSnZn化合物即γ相在晶界析出。

根據Zn當量計算公式（1）［29］，斷裂螺栓大端面、斷口、小端面的Zn 當量分別為43.40%、45.20%、43.53%，大端面、小端面的Zn當量接近45%，而斷口位置Zn當量超過45%。鋅當量越高，黃銅的硬度越高，而塑性越低。

Zn%=A，Cu%=B，其他元素含量為C，η為當量系數，∑為各種合金元素的總和；η值（Sn：2，Pb：1，Fe：0.9）。

2.4 掃描電鏡分析

使用場發射掃描電鏡觀察斷口部位形貌，圖2（a）為斷口掃描電鏡低倍圖，由圖可見，斷裂源起始于螺紋底部，斷口無明顯塑性變形，屬于脆性斷裂［30-32］；圖2（b）為斷口邊沿處掃描電鏡圖，斷口呈冰糖狀，為沿晶脆性斷裂特征［33-35］；圖2（c）為斷口中部形貌，可以看到有部分韌窩，屬于韌性斷裂；圖2（d）可以看到，斷口處有許多大顆粒狀物質，為聚集的Pb顆粒。

圖2 螺栓斷口表面形貌Fig.2 The surface morphology of fracture bolt

2.5 EDS分析

對鉛黃銅螺栓斷口進行能譜分析，如圖3所示，圖譜標記位置Pb聚集成顆粒狀，含量達到了12.51%。

圖3 螺栓斷口能譜點掃描圖Fig.3 Point scan of bolt fracture energy spectrum

2.6 金相分析

對螺栓斷口處、大端面進行金相試驗，腐蝕液為三氯化鐵的鹽酸水溶液，結果如圖4。

圖4（a）為斷口處低倍組織圖，可以看出靠近邊緣處，有大量的Pb顆粒聚集成線狀，橫向延伸；圖4（b）可以看出，斷口處Pb 顆粒明顯聚集，組織晶粒粗大；圖4（c）為斷口的高倍圖，可以看出，α相和β相組織較粗，部分α相呈長條狀，分布于β相內，與文獻［25］類似，α相與β 相交界處或β 相邊緣處有亮白色組織，為CuSnZn化合物，即γ相［24］；圖4（d）為大端面的組織圖，可以看出，組織較均勻，為白色的α相、灰色的β相、點狀分布的Pb顆粒以及少量的γ相。

圖4 螺栓金相組織Fig.4 Metallographic microstructure of bolt

將斷口處組織進行晶粒度評定，如圖所示，根據標準《JB/T 5108-2018 鑄造黃銅金相檢驗》中鑄造黃銅晶粒度的分級，可將該鉛黃銅螺栓基體組織評為3級，為較大晶粒度。

黃銅為銅鋅合金，加入少量Pb 形成鉛黃銅，Pb 不固溶于合金，以游離態分布于固溶體中，改善切削性能。鉛黃銅中加入合金元素Sn后會改變顯微組織，從而獲得不同性能，但是在Cu含量減少的基礎上增加合金元素，會導致組織中β 相增多，該相硬而脆，使材料的脆性提高。

黃銅有3種組織，Zn含量小于35%時，為單相α組織，Zn 含量在36%～45%時，為α+β 兩相組織，隨Zn 增加，β相會增多，當Zn含量大于45%時，α相將消失，組織為單一β相。

斷裂的鉛黃銅螺栓Zn含量為36.48%，加入2.02%的Sn后，Zn當量為45.20%，超過45%，同時β相周圍出現脆性的γ 相，造成硬度過高，而塑性下降，在外應力作用下，發生脆性斷裂。

3 結論

本次檢測的鉛黃銅螺栓斷裂主要原因是材質不合格，錫含量過高，出現脆性的γ 相組織，在外應力作用下，發生脆性斷裂；斷口邊緣處聚集大量的鉛，形成帶狀，破壞了基體的連續性，容易形成裂紋源，是斷裂的重要原因。

4 結語

通過對鉛黃銅螺栓的斷裂分析，找到了斷裂主要原因。黃銅螺栓的韌性較差，很少用于電力設備的緊固件，建議把黃銅螺栓全部換成不銹鋼螺栓或熱鍍鋅螺栓。