SSY 型设备线夹断裂故障分析-sup-①-_sup-_王军.pdf

ＳＳＹ 型设备线夹断裂故障分析 ① 王 军１， 黄 蓉１， 姜 涌２， 张 杰３ （１．国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 ４１０００７； ２．国网怀化供电公司，湖南 怀化 ４１８０００； ３．国网浙江省电力有限公司电力科学研 究院，浙江 杭州 ３１００１４） 摘 要 采用断口宏观检查、化学成分分析、力学性能测试、金相组织检验和扫描电镜及能谱分析等手段，对某 ５００ ｋＶ 变电站 ＳＳＹ 型设备线夹断裂的原因进行了分析。 结果表明，设备线夹焊接质量不良、接线板铸造工艺不当导致力学性能明显下降是其发生断 裂的主要原因。 关键词 设备线夹； 失效分析； 断裂； 断口形貌； 焊接 中图分类号 ＴＭ７３２文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０２０．０３．０３５ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０２０）０３-０１３８-０４ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ＳＳＹ Ｔｙｐｅ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｌａｍｐｓ ＷＡＮＧ Ｊｕｎ１， ＨＵＡＮＧ Ｒｏｎｇ１， ＪＩＡＮＧ Ｙｏｎｇ２， ＺＨＡＮＧ Ｊｉｅ３ （１．Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｈｕｎａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０００７， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｈｕａｉｈｕａ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｈｕａｉｈｕａ ４１８０００， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｐｏｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ， Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１４， Ｚｈｅｊｉａｎｇ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｉｎ ＳＳＹ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｌａｍｐｓ ｉｎ ａ ５００ ｋＶ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ， ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ， ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｔｅｓｔｉｎｇ， ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ， ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｐｏｏｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｌａｍｐｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｐｅｒ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｂｌｏｃｋｓ ｌｅａｄ ｔｏ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃｌａｍｐ； ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｆｒａｃｔｕｒｅ； ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ； ｗｅｌｄｉｎｇ 设备线夹在电网系统中广泛使用，主要用于母线 引下线与电气设备的出线端子连接以及电气设备之间 连接。 设备线夹由电气设备连接部分和紧固导线部分 组成，前者为端子板（接线板） 结构，后者为管形结 构［１-３］。 铝设备线夹制备方法主要有采用铝管焊接 端子板或整体铸造。 设备线夹的管形结构和端子板之 间的接合处是一个薄弱部位，在使用过程中容易发生 失效，进而危及电网的安全稳定运行［４-６］。 近期，电网 发生了一起某 ５００ ｋＶ 变电站母线引下线压缩型双导 线设备线夹（ＳＳＹ 型）断裂故障，本文针对该事项，通 过宏观检查、微观分析以及力学性能检测等手段［７-８］， 分析了 ＳＳＹ 型铝设备线夹断裂原因，为此类金具的合 理设计制造、检验检测以及运行维护提供参考依据。 １ 实验方法 采用 ＦＯＵＮＤＲＹ⁃ＭＡＳＴＥＲ ＰＲＯ 牛津全谱直读光 谱仪对断裂设备线夹的接线板进行成分分析。 从接线 板上切取 ３ 根截面尺寸为 ２０ ｍｍ ８ ｍｍ 的矩形拉伸 试样，在 ＵＴＭ５１０５ 型万能试验机上进行室温拉伸试 验。 从接线板上切取尺寸为 ６０ ｍｍ ２０ ｍｍ ８ ｍｍ 的样品，在 ＨＢＥ-３０００Ａ 型电子布氏硬度计上进行硬 度检测，检测位置如图 １ 所示。 从接线管侧断口取样， 经磨制、抛光并用体积分数 ０．５％的氢氟酸水溶液浸蚀 后，在蔡司 Ａｘｉｏ Ｏｂｓｅｒｖｅｒ Ａ１ｍ 型金相显微镜下观察接 线板的显微组织形貌。 在蔡司 ＥＶＯ１８ 型扫描电子显 微镜（ＳＥＭ）下对金相试样进行观察和能谱分析。 ①收稿日期 ２０２０-０１-２１ 基金项目 国家电网有限公司科技项目（５２１６Ａ０１８０００８） 作者简介 王 军（１９８４-），男，湖北武汉人，高级工程师，博士，主要研究方向为电网金属材料失效分析及腐蚀防护。 第 ４０ 卷第 ３ 期 ２０２０ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №３ Ｊｕｎｅ ２０２０ ChaoXing 图 １ 硬度检测位置示意 ２ 实验结果 ２．１ 宏观检查 设备线夹的断裂位置位于接线管和接线板的连接 处，如图 ２ 所示。 检查其断口，接线管侧断口及接线板 侧断口宏观形貌分别如图 ３～４ 所示。 图 ２ 设备线夹断裂位置 图 ３ 接线管侧断口宏观形貌 图 ４ 接线板侧断口宏观形貌 由图 ２～４ 可见，该设备线夹接线管和接线板的连 接方式为焊接，且存在严重的未焊透缺陷，接线管的弧 面和接线板的坡口弧面之间存在横向连续大面积的空 洞。 另外，断口的断裂面具有明显的金属光泽，说明断 裂的部位有部分位于接线板的本体上。 在图 ３ 中圆圈 标记部分取样抛光后进行观察，可以更清楚地看出断 裂部位位于接线板的本体上，且接线板和焊料之间存 在明显的未熔合缺陷，而接线管本体和焊料的熔合相 对较好，如图 ５ 所示。 图 ５ 接线管侧局部断口截面抛光形貌 ２．２ 接线板材质检测 接线板材质分析结果见表 １。 由表 １ 可见，接线 板的平均化学成分符合 ＧＢ／ Ｔ １１７３２０１３铸造铝合 金 ［９］中 ＺＬ１０２ 的要求。 表 １ 接线板化学成分（质量分数） ／ ％ 项目ＳｉＦｅＣｕＭｎＭｇＺｎＰｂＡｌ 标准 １０～１３ ≤０．７≤０．３≤０．５≤０．１≤０．１余量 试样１２．６０．６７３０．１５４０．０４８０．０３３０．２４８０．０１９余量 ２．３ 接线板拉伸性能检测 接线板拉伸试验结果见表 ２。 ＧＢ／ Ｔ ９４３８２０１３ 铝合金铸件 ［１０］中规定铝合金铸件取样进行力学性 能试验，试样的抗拉强度和伸长率的平均值分别不低 于 ＧＢ／ Ｔ １１７３２０１３［９］规定值（抗拉强度不小于 １５５ ＭＰａ，伸长率不小于 ２％） 的 ７５％和 ５０％。 由表 ２ 可 知，３ 个拉伸试样的抗拉强度都低于 ＧＢ／ Ｔ ９４３８ ２０１３［１０］要求，而延伸率均符合标准要求。 表 ２ 拉伸试验结果 试样编号抗拉强度／ ＭＰａ延伸率／ ％ １１１２３ ２１０７３ ３１００３ 标准≥１１６≥１ ９３１第 ３ 期王 军等 ＳＳＹ 型设备线夹断裂故障分析 ChaoXing ２．４ 接线板硬度检测 接线板硬度（ＨＢＳ）检测结果见表 ３。 由表 ３ 可 见，接线板的布氏硬度符合 ＧＢ／ Ｔ １１７３２０１３［９］中 ＺＬ１０２ 的要求。 表 ３ 接线板布氏硬度检测值（ＨＢＳ） 测点 １测点 ２测点 ３测点 ４测点 ５平均值标准 ５９．５５９．８５９．２６０．１５９．８５９．７≥５０ ２．５ 金相检验 按图 ５ 从接线管侧断口取接线板金相试样，进行 显微组织形貌观察。 其金相组织呈铸态，为典型的未 经变质处理的组织。 白色基体为 α 固溶体，用字母 ａ 标识；粗大灰色条片状为共晶硅，用字母 ｂ 标识；粗大 灰色多角状为初晶硅，用字母 ｃ 标识；深灰色细针状为 β（Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２）相，用字母 ｄ 标识，如图 ６ 所示。 图 ６ 接线板组织形貌 ２．６ 扫描电镜分析及能谱分析 为进一步了解组织并确认相的组成，对金相试样 进行扫描电镜及能谱分析。 接线板基体与焊缝交界处 的背散射电子像（ＢＳＥ）如图 ７ 所示。 从图 ７ 可以清晰 地看到，接线板基体与焊料之间存在缝隙，是明显的未 熔合缺陷。 接线板基体上存在大量的亮白色区域，该 区域放大图像如图 ８ 所示。 在图 ８ 中，基体 α 固溶体 显示为深色，粗大条片状共晶硅和粗大块状初晶硅均 图 ７ 背散射电子图像（ＢＳＥ） 图 ８ β 相背散射电子图像（ＢＳＥ） 显示为亮灰色，针状初晶 β（Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２）相显示为亮白 色。 β（Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２）相的能谱分析结果见表 ４。 可见，在 选区中准确检测到了 Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ 这 ３ 种元素，且其原子 比例接近 β（Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２）相中合金元素比例，确证了白 色针状相为 β（Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２）相。 表 ４ β（Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２）相能谱分析结果（质量分数） ／ ％ ＡｌＳｉＦｅ ５８．５９１３．５４２７．８７ ３ 分析与讨论 ３．１ 制造工艺 宏观检查发现，设备线夹是由接线管和接线板焊 接而成。 整个焊缝根部存在未焊透缺陷，同时焊缝和 接线板基体之间还存在未熔合缺陷。 由于整个焊缝根 部未焊透，导致接线板和接线管的实际有效连接面积 大幅减少，且里面的空洞使得接线板和焊缝交界处存 在很高的应力集中，导致设备线夹的承载可靠性急剧 下降。 同时发现，断裂部位部分位于接线板上。 从材质 检测结果分析，接线板为铸造铝合金材质，其成分符合 ＧＢ／ Ｔ １１７３２０１３［９］中 ＺＬ１０２ 的要求。 ３．２ 力学性能 硬度试验发现所检测的设备线夹材料的布氏硬度 符合 ＧＢ／ Ｔ １１７３２０１３［９］中 ＺＬ１０２ 的要求，拉伸试验 发现所检测的设备线夹材料的抗拉强度不符合 ＧＢ／ Ｔ ９４３８２０１３［１０］中 ＺＬ１０２ 的要求。 可以认为，接线板本 体力学性能的劣化也必然会影响设备线夹的整体强 度，降低结构的安全性。 ３．３ 金相组织 金相试验发现，设备线夹接线板材料的金相组织 中有大量粗大灰色条片状的共晶硅，还有少量由于成 分不均匀和凝固冷却缓慢导致局部出现的粗大灰色多 ０４１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 ChaoXing 角状初晶硅。 条片状共晶硅严重割裂基体的连续性， 易引起应力集中，从而降低合金力学性能，尤其是塑性 降低更为显著［１１-１２］。 形成这种不良组织的原因是合 金熔炼过程中未进行变质处理。 通常，铝硅合金只能 通过变质处理来改变共晶硅和 α 固溶体的组织分布 形态，获得亚共晶分布的组织，硅晶体变成颗粒状分 布，从而提高合金的力学性能。 根据 ＪＢ／ Ｔ ７９４６．１ ２０１７铸造铝硅合金变质 ［１３］，未经变质的组织是不允 许存在的组织，因此，可以推断接线板的组织不合格。 在扫描电镜中通过背散射电子像的不同程度鉴别 出了 α 固溶体、共晶硅、初晶硅和 β 相，能谱分析则进 一步确证了 β（Ａｌ９Ｆｅ２Ｓｉ２）相的存在。 β 相的形成和杂 质元素 Ｆｅ 含量较高有关，且会随着含铁量增加而长 大［１１］。 β 相为针状的金属间化合物，一般以共晶体形 式存在，它会显著降低合金的力学性能，特别是塑性和 韧性［１４］。 ３．４ 断裂原因分析 由上述分析可知，设备线夹的焊缝存在严重的未 熔合、未焊透缺陷，一方面降低了线夹的整体承载能 力，另一方面会引起接线板和焊缝交界处的应力集中， 使得接线板承受较高的应力。 设备线夹接线板由于熔 炼过程中未采用变质处理，形成了大量条片状共晶硅 组织。 合金中 Ｆｅ 含量较高，导致组织中存在较多的细 针状的 β 相。 条片状共晶硅及 β 相严重割裂了基体 的连续性，显著降低接线板的力学性能，尤其是塑性和 韧性。 设备线夹在服役过程中长期受到风力作用而摆 动，在应力幅值较高的交变载荷作用下最终发生断裂。 ３．５ 改进措施 加强设备线夹制造工艺的管控，确保焊接质量优 良。 接线板原材料中 Ｆｅ 含量应尽可能低，在熔炼过程 中必须进行变质处理。 加强现场巡查与设备维护，及 时发现与排除安全隐患。 ４ 结 论 １） ＳＳＹ 型设备线夹发生断裂的主要原因是焊接 质量不良、接线板铸造工艺不当，从而导致设备线夹的 承载可靠性显著下降。 ２） 应加强设备线夹制造工艺的管控，确保焊接质 量；加强设备维护，及时发现安全隐患。 参考文献 ［１］ ＤＬ／ Ｔ ３４６２０１０， 设备线夹［Ｓ］． 北京中国电力出版社， ２０１１． ［２］ 董吉谔． 电力金具手册（第 ３ 版）［Ｍ］． 北京中国电力出版社， ２０１０． ［３］ 卢振字，李文胜，何凤生． ５００ｋＶ 变电站 ＳＳＹ 型设备线夹断裂分析［Ｊ］． 广东电力， ２０１５，２８（３）７７-８１． ［４］ 徐雪霞，欧阳杰，冯砚厅，等． 设备线夹开裂失效原因分析［Ｊ］． 热 加工工艺， ２０１１，４０（１３）１６０-１６３． ［５］ 徐 贤，吴国忠，包艳蓉，等． 变电站铝设备线夹断裂事故分析［Ｊ］． 热加工工艺， ２０１２，４１（７）１９１-１９５． ［６］ 谢 亿，陈军君，牟申周，等． 电网铸铝件典型失效形式［Ｊ］． 铸造 技术， ２０１２（４）４２３-４２５． ［７］ 胡加瑞，刘 旺，谢 亿，等． 末级过热器１２Ｃｒ２ＭｏＷＶＴｉＢ／ ＴＰ３４７Ｈ 异种钢焊口失效分析［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１５，３５（１）１２３-１２５． ［８］ 彭碧草，何鹏非，熊 亮，等． 凝结水泵主轴断裂分析［Ｊ］． 矿冶工 程， ２０１５，３５（３）１３８-１４０． ［９］ ＧＢ／ Ｔ １１７３２０１３， 铸造铝合金［Ｓ］． 北京中国标准出版社， ２０１４． ［１０］ ＧＢ／ Ｔ ９４３８２０１３， 铝合金铸件［Ｓ］． 北京中国标准出版社， ２０１４． ［１１］ 李炯辉． 金属材料金相图谱［Ｍ］． 北京机械工业出版社， ２００６． ［１２］ 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