LW12-550型罐式斷路器儲氣罐黃銅節流閥開裂原因分析

張艷飛，陳 浩，劉 俊，王英軍

(內蒙古電力(集團)有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

高壓斷路器作為電力系統中重要的控制與保護設備，起到控制線路投切和開斷短路電流的作用，其可靠性對電網安全穩定運行具有重要影響[1]。高壓斷路器由通斷元件、中間傳動機構、操動機構、絕緣支撐件和基座5個部分組成[2]。斷路器對操作機構動作的可靠性要求極高，斷路器的拒分、拒合及誤動作都會給電網造成巨大的經濟損失[3-5]。

按照驅動方式，斷路器操作機構可分為電磁機構、氣動機構、彈簧機構和液壓機構等。其中，氣動操作機構因其“動作快，操作平穩，直流電源功率小，短時失去電源仍能操作若干次”的優點被廣泛應用[6]。由于氣動操動機構要依靠壓縮氣體作為斷路器分合閘的動力，所以斷路器能否正常斷合取決于供氣回路能否保持其額定的壓力。

1 設備概況

某超高壓供電局LW12-550型罐式斷路器儲氣罐的氣動操作機構的黃銅節流閥元器件多次發生開裂漏氣，導致儲氣筒壓力下降，影響設備安全穩定運行。該型號斷路器于2011年12月出廠，儲氣罐連接到氣動操作機構的黃銅節流閥元器件，屬于氣動機構中的配件，其工作壓力為1.60 MPa。

2 試驗檢測

2.1 化學成分分析

在黃銅節流閥上取樣，依據YS/T 482—2005《銅及銅合金分析方法 光電發射光譜法》，利用SPECTROLAB型臺式直讀火花源原子發射光譜儀對節流閥材質進行分析。

對黃銅節流閥取樣進行化學成分檢測，檢測數據如表1所示。結果表明，節流閥材質屬于鉛黃銅，按照鉛、鐵含量要求嚴重超標，材質純凈度很差，含銅量嚴重不足。

表1 黃銅節流閥化學成分分析結果 單位：%

2.2 裂紋形態觀察

利用Hitachi掃描電子顯微鏡S3700及其Bruker能譜儀XFLash Detector 510綜合測試系統對黃銅節流閥開裂形貌、開裂特征進行掃描觀察，并對其腐蝕產物進行微區能譜分析。

黃銅節流閥沿外壁向內壁方向開裂，呈脆性開裂，如圖1—圖2所示。主裂紋附近存在大量微裂紋，如圖3所示。主裂紋內存在腐蝕產物，如圖4所示。

圖1 黃銅節流閥裂紋形貌1

圖2 黃銅節流閥裂紋形貌2

圖3 節流閥主裂紋附近微裂紋

圖4 節流閥主裂紋內的腐蝕產物

裂紋內部腐蝕產物主要以硫化物為主，如圖5—圖6所示。此外，黃銅節流閥裂紋附近外表面存在大量圓形腐蝕坑，坑下腐蝕產物同樣也以硫化物為主。

圖5 節流閥微裂紋腐蝕產物

圖6 節流閥微裂紋腐蝕產物檢測結果

如圖7所示，節流閥裂紋分初始裂紋區和終斷區2部分。初始斷裂區為脆性開裂，裂紋內存在大量發紋狀開裂，如圖8所示。最終斷裂區為韌性開裂，如圖9所示。

圖7 節流閥裂紋區微觀形貌

圖8 初始斷裂區脆性斷裂形貌

圖9 最終斷裂區韌性斷裂形貌

2.3 顯微組織觀察

在黃銅節流閥上取樣，按照YS/T449—2002《銅及銅合金鑄造和加工制品顯微組織檢驗方法》，利用型號為Axio Observer.Alm金相顯微鏡進行顯微組織觀察。黃銅節流閥顯微組織為β+α(沿晶分布)，為黃銅過熱組織，可導致黃銅強度、韌性均下降，如圖10—圖11所示。

圖10 黃銅節流閥主裂紋微觀形態

圖11 黃銅節流閥顯微組織形態

3 原因分析

黃銅節流閥材質屬于鉛黃銅，按照鉛、鐵元素含量要求其含量嚴重超標，材質純凈度差，含銅量嚴重不足，鋅含量較多，易產生應力腐蝕傾向[7-10]。其次，黃銅節流閥顯微組織為過熱組織，導致黃銅強度、韌性均下降。另外，通過對初始裂紋形態SEM觀察及微區成分EDS分析,黃銅節流閥初始開裂形式屬于應力腐蝕開裂，腐蝕產物主要為硫化物；最終斷裂形式為韌性斷裂。

綜合分析可以判定，由于黃銅節流閥材質含銅量嚴重不足，鋅含量較多，產生應力腐蝕傾向，在硫化物及應力聯合作用下，外表面發生應力腐蝕開裂，并逐漸擴展，使得有效承載面積減小，最終在內部工作壓力作用下，發生韌性開裂。

4 結論

a.黃銅節流閥開裂的主要原因是外表面發生應力腐蝕，并逐漸擴展，使有效承載面積減小，最終在內部工作壓力作用下發生開裂。

b.建議對黃銅節流閥進行去除應力退火，并選用材質純凈度高的黃銅來制造節流閥。

c.建議查找黃銅節流閥硫腐蝕環境來源，改善其制造環境或服役環境。