550 kV斷路器操作機(jī)構(gòu)軸銷的斷裂原因分析

孫明道, 劉 喜, 郭國(guó)芳, 劉曉鋒

(平高集團(tuán) 河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司, 平頂山 467013)

550 kV斷路器操作機(jī)構(gòu)軸銷的斷裂原因分析

孫明道, 劉 喜, 郭國(guó)芳, 劉曉鋒

(平高集團(tuán) 河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司, 平頂山 467013)

在斷路器1 000～2 000次機(jī)械操作試驗(yàn)中，30CrNi3合金鋼滲氮軸銷發(fā)生斷裂。通過(guò)化學(xué)成分分析、斷口分析、低倍檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試的方法，對(duì)軸銷的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該軸銷的斷裂性質(zhì)為雙向彎曲疲勞斷裂；軸銷材料滲氮層存在脈狀氮化物,內(nèi)部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷，降低了材料的力學(xué)性能；在周期性旋轉(zhuǎn)彎曲力作用下，軸銷表面缺陷處出現(xiàn)裂紋并不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軸銷疲勞斷裂。

30CrNi3合金鋼；軸銷；機(jī)械操作試驗(yàn)；缺陷；雙向彎曲疲勞斷裂

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)具有裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、便于安裝、使用周期長(zhǎng)、維護(hù)工作少等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高壓輸電系統(tǒng)。GIS斷路器進(jìn)行機(jī)械操作試驗(yàn)是為了保證開(kāi)關(guān)裝置滿足規(guī)定的操作條件且機(jī)械聯(lián)鎖工作正常。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對(duì)GIS斷路器進(jìn)行機(jī)械開(kāi)斷特性出廠試驗(yàn)，以驗(yàn)證開(kāi)關(guān)裝置在操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源電壓和操作壓力規(guī)定的范圍內(nèi)是否能夠正確地合閘和分閘[1]。

圖1 軸銷裝配、斷裂位置與受力示意圖Fig.1 Schematic diagram of the assembly, fracture location and force of the axis pin

在某550 kV斷路器1 000～2 000次機(jī)械操作試驗(yàn)中，操作機(jī)構(gòu)中連接拐臂與操作桿的軸銷在開(kāi)閘和合閘周期運(yùn)動(dòng)中發(fā)生斷裂，其軸銷裝配、斷裂位置及受力情況如圖1所示。軸銷尺寸規(guī)格為直徑30 mm、長(zhǎng)145 mm，材料為30CrNi3合金鋼，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，軸銷表面進(jìn)行擴(kuò)散滲氮處理。為尋找軸銷早期斷裂的原因，筆者通過(guò)一系列理化檢驗(yàn)方法，對(duì)斷裂的軸銷及同批次未斷裂的軸銷進(jìn)行了調(diào)查分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施[2]。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

斷裂的軸銷基體材料為30CrNi3合金鋼，對(duì)軸銷基體取樣，采用島津PDA7000型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，該斷裂軸銷的化學(xué)成分符合GB/T 3077-2015的要求。

表1 斷裂軸銷的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 斷口宏觀及微觀分析

圖2(a)為斷裂軸銷的宏觀斷口形貌，其中的深色環(huán)狀區(qū)域是被潤(rùn)滑脂污染所形成的，環(huán)狀區(qū)域是最初形成的缺口區(qū)域，其中A區(qū)域污染面積大，并且其對(duì)側(cè)有腐蝕現(xiàn)象，A區(qū)域及對(duì)側(cè)為斷裂的裂紋源。B區(qū)域?yàn)槠跀U(kuò)展區(qū)，呈現(xiàn)出偏心模式的橢圓貝殼狀形貌，這說(shuō)明載荷是不平衡的。軸銷的最終斷裂位置在C區(qū)域，并不在軸銷的中心位置，進(jìn)一步證明了載荷是不平衡的。利用丙酮對(duì)斷口進(jìn)行反復(fù)超聲波清洗，通過(guò)日本電子JSM-6510A型掃描電鏡觀察軸銷斷口的微觀形貌，結(jié)果見(jiàn)圖2(b)～(d)。從圖2(b)可以看出斷裂源區(qū)域A呈現(xiàn)出舌狀花樣形貌；圖2(c)可以看出疲勞擴(kuò)展區(qū)區(qū)域B呈現(xiàn)出疲勞紋花樣，由于斷面在操作過(guò)程中多次磨合，只能在局部區(qū)域觀察到疲勞紋花樣；圖2(d)可以看出最終斷裂區(qū)區(qū)域C呈現(xiàn)出韌窩形貌，韌窩中心存在雜質(zhì)相。因此可以得出，在機(jī)械操作試驗(yàn)開(kāi)閘合閘時(shí)(圖1)，拐臂帶動(dòng)軸銷進(jìn)行往復(fù)弧線周期性運(yùn)動(dòng)，軸銷受到旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力，且開(kāi)閘力大于合閘力，周期載荷不平衡，最終導(dǎo)致疲勞斷裂[3-4]。

圖2 軸銷斷口的宏觀及微觀形貌Fig.2 Macro and micro morphology of fracture surface of the axis pin:(a) macroscopic fracture surface; (b) tongue patterns of the crack source area; (c) fatigue striations of the fatigue propagation area; (d) dimples of the final fracture area

1.3 低倍檢驗(yàn)

對(duì)斷裂軸銷橫向取樣，經(jīng)磨制、拋光后，放入腐蝕液(硝酸與鹽酸的體積比為1∶3)進(jìn)行酸浸試驗(yàn)，直至顯示出宏觀缺陷。清洗后觀察試樣，其宏觀形貌如圖3(a)所示，可見(jiàn)橫截面存在有較多斑點(diǎn)狀疏松，這是由材料中不規(guī)則孔洞和夾雜物導(dǎo)致的。為進(jìn)一步分析缺陷產(chǎn)生原因，對(duì)同批次軸銷縱向取樣，進(jìn)行低倍酸浸試驗(yàn)，觀察其宏觀形貌，如圖3(b)所示?？梢?jiàn)縱截面有明顯發(fā)紋，這是夾雜物或氣泡在鋼的加工變形過(guò)程中沿加工方向延伸所致，其長(zhǎng)度達(dá)到3 mm。大尺寸帶狀分布夾雜物會(huì)嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能，尤其是疲勞強(qiáng)度[5-6]。

圖3 軸銷酸蝕后的低倍組織形貌Fig.3 Macro structure morphology of the axis pin after acid etching:(a) transversal structure; (b) longitudinal structure

1.4 金相檢驗(yàn)

從軸銷斷裂部位截取橫向試樣，磨制、拋光后使用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，然后通過(guò)OLYMPUS GX51型金相顯微鏡進(jìn)行觀察，其顯微組織形貌如圖4所示。由圖4(a)可見(jiàn)，軸銷的滲氮層表層存在白亮層和脈狀氮化物，軸銷滲氮的化合物白亮層厚度為2～4 μm，滲氮層深度(化合物層+擴(kuò)散層)約為120～130 μm，高于產(chǎn)品技術(shù)規(guī)定值(20 μm)。由圖4(b)可見(jiàn)，軸銷的基體顯微組織為回火索氏體，并保持馬氏體位相[7-8]。按照GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定法》對(duì)軸銷組織的晶粒度進(jìn)行評(píng)定，其級(jí)別約為4.5級(jí)。

圖4 軸銷的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the axis pin:(a) nitride layer structure; (b) tempered sorbite structure

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

使用HVS-5型顯微硬度計(jì)對(duì)軸銷斷口附近表面及心部硬度進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)載荷為2.94 N(0.3 kgf)，加載時(shí)間為10 s，結(jié)果顯示軸銷的表面硬度為710.5，724.2，717.6 HV0.3，心部硬度為320.0，320.0，315.2 HV0.3?？梢钥闯鲚S銷的表面硬度和心部硬度均符合產(chǎn)品技術(shù)條件要求(表面硬度500～750 HV，心部硬度260～325 HV)，且表面硬度遠(yuǎn)高于心部硬度，這是由于軸銷表面進(jìn)行了滲氮處理。

沿軸銷縱向取樣，試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，開(kāi)V型缺口。使用BD-3008型沖擊試驗(yàn)機(jī)，在20 ℃條件下，依據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)軸銷基體材料進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。結(jié)果顯示，軸銷的沖擊吸收能量為116，114 J，而產(chǎn)品技術(shù)要求為118 J。對(duì)比軸銷初次供貨時(shí)的沖擊吸收能量(128，138 J)，斷裂軸銷的沖擊吸收能量明顯低于初次試驗(yàn)的結(jié)果。

2 分析及討論

由斷裂軸銷的宏觀夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果可知，軸銷材料內(nèi)部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷，降低了材料的沖擊性能和疲勞強(qiáng)度。軸銷的沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，缺陷的存在增加了材料脆性，導(dǎo)致沖擊吸收能量小于初次試驗(yàn)記錄的正常軸銷的沖擊吸收能量。軸銷基體材料的金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，其滲氮層存在脆性較大的白亮層和脈狀氮化物,容易萌生微裂紋,成為疲勞裂紋源,顯微組織為回火索氏體，并保持馬氏體位相，可知材料的熱處理工藝正常，保證了軸銷基本的力學(xué)性能。斷口分析結(jié)果顯示軸銷發(fā)生了典型的疲勞斷裂，斷口包括裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)、最終斷裂區(qū)，有撕裂剪切唇特征[9]。軸銷進(jìn)行往復(fù)弧線周期性運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力，而軸銷材料內(nèi)存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷，在周期旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下，尤其是在大尺寸帶狀?yuàn)A雜物處容易產(chǎn)生沿晶開(kāi)裂[10]，如圖5所示斷裂源處的沿晶裂紋花樣。軸銷表面可能存在微小加工刀紋、滲氮化合物層和外部磕碰缺陷，導(dǎo)致了裂紋的形成。但軸銷在操作1 000～2 000次過(guò)程中經(jīng)歷多次摩擦，因此還無(wú)法確定裂紋源的最初誘導(dǎo)因素。

圖5 裂紋源處的沿晶裂紋形貌Fig.5 Morphology of intergranular cracks in the crack source area

軸銷承受周期性高應(yīng)力往復(fù)作用，并且開(kāi)閘力大于合閘力，載荷不平衡，裂紋源A位置對(duì)側(cè)裂紋產(chǎn)生相對(duì)滯后，因此軸銷斷裂趨勢(shì)是由A位置及其對(duì)側(cè)逐步向中間推進(jìn)的。軸銷的顯微組織為回火索氏體，并保持馬氏體位相，具有較好的力學(xué)性能。在周期性載荷作用下，裂紋源緩慢逐步擴(kuò)展，并在推進(jìn)過(guò)程中形成疲勞紋路，呈現(xiàn)出偏心模式的橢圓貝殼狀形貌。最終軸銷在中心偏A位置對(duì)側(cè)處斷裂，這是由于A位置對(duì)側(cè)所受力相對(duì)較小，裂紋源起始晚且推進(jìn)速率低。

3 結(jié)論及建議

該軸銷的斷裂失效形式為周期性高應(yīng)力往復(fù)作用引起的雙向彎曲疲勞斷裂。斷裂原因是軸銷材料滲氮層存在脈狀氮化物,內(nèi)部存在疏松、大尺寸夾雜物和氣泡缺陷，在周期性旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力的作用下產(chǎn)生沿晶開(kāi)裂，軸銷表面可能存在微小加工刀紋、滲氮化合物層和外部磕碰缺陷，加速了裂紋源的形成。

建議嚴(yán)格控制軸銷的原材料質(zhì)量，對(duì)購(gòu)入原材料進(jìn)行宏觀組織檢查，控制疏松和夾雜物級(jí)別，避免使用帶有密集疏松和大尺寸帶狀?yuàn)A雜物缺陷的原材料；在加工生產(chǎn)中避免微小加工刀紋、滲氮化合物層的產(chǎn)生，并且在運(yùn)輸和搬運(yùn)過(guò)程中避免軸銷磕碰。

[1] 汪沨,邱毓昌.氣體絕緣開(kāi)關(guān)裝置(GIS)的近期發(fā)展動(dòng)向[J].電網(wǎng)技術(shù),2003,27(2):54-57.

[2] 王榮.機(jī)械裝備的失效分析(待續(xù)) 第1講 現(xiàn)場(chǎng)勘查技術(shù)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(6):361-369.

[3] 王榮.機(jī)械裝備的失效分析(續(xù)前) 第3講 斷口分析技術(shù)(上)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(10):698-704.

[4] 查理R布魯克斯,阿肖克 考霍萊.工程材料的失效分析[M].1版.謝斐娟,孫家驤,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[5] 蔡宏偉.金相檢驗(yàn)[M].2版.北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2008.

[6] 呂建剛,肖李鵬.鋼中非金屬夾雜物及其金相檢驗(yàn)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(4):229-233.

[7] 崔忠圻,劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理[M].3版.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2007.

[8] 李炯輝.金屬材料金相圖譜[M].1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[9] 王榮.機(jī)械裝備的失效分析(續(xù)前) 第3講 斷口分析技術(shù)(下)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(12):833-840.

[10] 趙文成,王偉,王云閣,等.抽油桿20CrMoA斷裂失效分析[J].熱加工工藝,2009,38(24):182-184.

Analysis on Fracture Reasons of the Axis Pin of Operation Mechanism for the 550 kV Breaker

SUN Mingdao, LIU Xi, GUO Guofang, LIU Xiaofeng

(Henan Pingzhi High-voltage Switchgear Co., Ltd., Ping Gao Group, Pingdingshan 467013, China)

The 30CrNi3 alloy steel nitride axis pin fractured during mechanical operational testing of the breaker for 1 000-2 000 times. The fracture reasons of the axis pin were analyzed by chemical composition analysis, fracture analysis, macro examination, metallographic examination and mechanical property testing. The results show that: the fracture property of the axis pin was the biaxial bending fatigue fracture; veined nitrides existed in the nitride layer of the axis pin material, and interior defects such as porosity, large-scale inclusions and bubbles also existed, which reduced the mechanical property of the material; under the action of periodic rotating bending force, cracks appeared on the position of surface defects and constantly extended, and finally resulted in the fatigue fracture of the axis pin.

30CrNi3 alloy steel; axis pin; mechanical operational testing; defect; biaxial bending fatigue fracture

質(zhì)量控制與失效分析

10.11973/lhjy-wl201705010

2016-08-31

國(guó)家電網(wǎng)平高集團(tuán)研究開(kāi)發(fā)資助項(xiàng)目(PGKJ2016019)

孫明道(1985-)，男，工學(xué)碩士，主要從事氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備相關(guān)材料的分析與工藝質(zhì)量控制，sunmd@ptchv.com

TG157

B

1001-4012(2017)05-0349-04