LW12-550型罐式斷路器儲(chǔ)氣罐黃銅節(jié)流閥開裂原因分析

張艷飛，陳 浩，劉 俊，王英軍

(內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的控制與保護(hù)設(shè)備，起到控制線路投切和開斷短路電流的作用，其可靠性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響[1]。高壓斷路器由通斷元件、中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、絕緣支撐件和基座5個(gè)部分組成[2]。斷路器對(duì)操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性要求極高，斷路器的拒分、拒合及誤動(dòng)作都會(huì)給電網(wǎng)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。

按照驅(qū)動(dòng)方式，斷路器操作機(jī)構(gòu)可分為電磁機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧機(jī)構(gòu)和液壓機(jī)構(gòu)等。其中，氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)因其“動(dòng)作快，操作平穩(wěn)，直流電源功率小，短時(shí)失去電源仍能操作若干次”的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[6]。由于氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)要依靠壓縮氣體作為斷路器分合閘的動(dòng)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(shè)備概況

某超高壓供電局LW12-550型罐式斷路器儲(chǔ)氣罐的氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的黃銅節(jié)流閥元器件多次發(fā)生開裂漏氣，導(dǎo)致儲(chǔ)氣筒壓力下降，影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。該型號(hào)斷路器于2011年12月出廠，儲(chǔ)氣罐連接到氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的黃銅節(jié)流閥元器件，屬于氣動(dòng)機(jī)構(gòu)中的配件，其工作壓力為1.60 MPa。

2 試驗(yàn)檢測

2.1 化學(xué)成分分析

在黃銅節(jié)流閥上取樣，依據(jù)YS/T 482—2005《銅及銅合金分析方法 光電發(fā)射光譜法》，利用SPECTROLAB型臺(tái)式直讀火花源原子發(fā)射光譜儀對(duì)節(jié)流閥材質(zhì)進(jìn)行分析。

對(duì)黃銅節(jié)流閥取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，節(jié)流閥材質(zhì)屬于鉛黃銅，按照鉛、鐵含量要求嚴(yán)重超標(biāo)，材質(zhì)純凈度很差，含銅量嚴(yán)重不足。

表1 黃銅節(jié)流閥化學(xué)成分分析結(jié)果 單位：%

2.2 裂紋形態(tài)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(tǒng)對(duì)黃銅節(jié)流閥開裂形貌、開裂特征進(jìn)行掃描觀察，并對(duì)其腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行微區(qū)能譜分析。

黃銅節(jié)流閥沿外壁向內(nèi)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(nèi)存在腐蝕產(chǎn)物，如圖4所示。

圖1 黃銅節(jié)流閥裂紋形貌1

圖2 黃銅節(jié)流閥裂紋形貌2

圖3 節(jié)流閥主裂紋附近微裂紋

圖4 節(jié)流閥主裂紋內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物

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

圖5 節(jié)流閥微裂紋腐蝕產(chǎn)物

圖6 節(jié)流閥微裂紋腐蝕產(chǎn)物檢測結(jié)果

如圖7所示，節(jié)流閥裂紋分初始裂紋區(qū)和終斷區(qū)2部分。初始斷裂區(qū)為脆性開裂，裂紋內(nèi)存在大量發(fā)紋狀開裂，如圖8所示。最終斷裂區(qū)為韌性開裂，如圖9所示。

圖7 節(jié)流閥裂紋區(qū)微觀形貌

圖8 初始斷裂區(qū)脆性斷裂形貌

圖9 最終斷裂區(qū)韌性斷裂形貌

2.3 顯微組織觀察

在黃銅節(jié)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(yàn)方法》，利用型號(hào)為Axio Observer.Alm金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。黃銅節(jié)流閥顯微組織為β+α(沿晶分布)，為黃銅過熱組織，可導(dǎo)致黃銅強(qiáng)度、韌性均下降，如圖10—圖11所示。

圖10 黃銅節(jié)流閥主裂紋微觀形態(tài)

圖11 黃銅節(jié)流閥顯微組織形態(tài)

3 原因分析

黃銅節(jié)流閥材質(zhì)屬于鉛黃銅，按照鉛、鐵元素含量要求其含量嚴(yán)重超標(biāo)，材質(zhì)純凈度差，含銅量嚴(yán)重不足，鋅含量較多，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕傾向[7-10]。其次，黃銅節(jié)流閥顯微組織為過熱組織，導(dǎo)致黃銅強(qiáng)度、韌性均下降。另外，通過對(duì)初始裂紋形態(tài)SEM觀察及微區(qū)成分EDS分析,黃銅節(jié)流閥初始開裂形式屬于應(yīng)力腐蝕開裂，腐蝕產(chǎn)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(jié)流閥材質(zhì)含銅量嚴(yán)重不足，鋅含量較多，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕傾向，在硫化物及應(yīng)力聯(lián)合作用下，外表面發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，并逐漸擴(kuò)展，使得有效承載面積減小，最終在內(nèi)部工作壓力作用下，發(fā)生韌性開裂。

4 結(jié)論

a.黃銅節(jié)流閥開裂的主要原因是外表面發(fā)生應(yīng)力腐蝕，并逐漸擴(kuò)展，使有效承載面積減小，最終在內(nèi)部工作壓力作用下發(fā)生開裂。

b.建議對(duì)黃銅節(jié)流閥進(jìn)行去除應(yīng)力退火，并選用材質(zhì)純凈度高的黃銅來制造節(jié)流閥。

c.建議查找黃銅節(jié)流閥硫腐蝕環(huán)境來源，改善其制造環(huán)境或服役環(huán)境。