220 kV變電站氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備操作機(jī)構(gòu)碟形彈簧斷裂分析

李文勝，董重里，胡平，王偉，林介東

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

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220 kV變電站氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備操作機(jī)構(gòu)碟形彈簧斷裂分析

李文勝，董重里，胡平，王偉，林介東

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

摘要：通過(guò)宏觀檢查、金相試驗(yàn)、光譜分析、洛氏硬度試驗(yàn)、掃描電鏡觀察和能譜分析等試驗(yàn)，對(duì)一起220 kV變電站氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)操作機(jī)構(gòu)碟形彈簧斷裂的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，碟形彈簧斷裂的原因可以推斷是彈簧下表面外徑邊緣至U形凹槽的區(qū)域在制造過(guò)程中形成原始缺陷，此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在使用過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致彈簧斷裂。此外，碟形彈簧的顯微組織保留了明顯的馬氏體針狀形態(tài)，還出現(xiàn)了少量的羽毛狀回火貝氏體，這些特征表明彈簧在使用過(guò)程中較易發(fā)生脆性斷裂。

關(guān)鍵詞：變電站；氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備；碟形彈簧；斷裂

碟形彈簧又名貝勒維爾彈簧墊圈，由Belleville于1867年在法國(guó)巴黎取得專利，廣泛用于減震等工程應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)外就其制定了成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和加工工藝[1-3]。碟形彈簧是利用金屬板料或鍛壓坯料制成的截錐形截面的墊圈式彈簧，在軸向上呈錐形并承受負(fù)載。由于其剛度大，緩沖吸振能力強(qiáng)，能以小變形承受大載荷，近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注碟形彈簧在豎向隔震裝置中的應(yīng)用，并取得一定的研究成果[4-10]。碟形彈簧軸向空間要求小，因此常常用于電網(wǎng)變電站的高壓開關(guān)上。不少研究者對(duì)碟形彈簧的性能進(jìn)行了系列研究，有的研究結(jié)果顯示，碟形彈簧在二次靜壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生裂紋[11]。

近期，南方電網(wǎng)某220 kV變電站110 kV電壓等級(jí)的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)操作機(jī)構(gòu)的一片碟形彈簧出現(xiàn)裂痕。該GIS型號(hào)為ELK-04，其斷路器操作機(jī)構(gòu)配置采用彈簧儲(chǔ)能液壓操作機(jī)構(gòu)。本文對(duì)斷裂的彈簧進(jìn)行宏觀檢查、光譜分析、洛氏硬度試驗(yàn)、金相試驗(yàn)、掃描電鏡觀察和能譜分析等試驗(yàn)分析，旨在尋找GIS操作機(jī)構(gòu)碟形彈簧斷裂原因，進(jìn)而為變電站設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)儲(chǔ)備。

1試驗(yàn)

1.1取樣情況

對(duì)碟形彈簧斷口進(jìn)行宏觀檢查、掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析，對(duì)碟形彈簧上表面的中心處進(jìn)行光譜分析及硬度試驗(yàn)，并在厚度方向切取金相試樣，詳見圖1和表1。

注：1—4為試樣編號(hào)。圖1　GIS機(jī)構(gòu)碟形彈簧取樣示意圖

表1取樣情況

試樣編號(hào)取樣位置試驗(yàn)項(xiàng)目1斷口掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析2斷口掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析3碟形彈簧上表面光譜分析及硬度試驗(yàn)4碟形彈簧厚度方向切面金相試驗(yàn)及脫碳檢驗(yàn)

1.2宏觀檢查

碟形彈簧的斷口宏觀形貌如圖2所示。肉眼可見裂紋源區(qū)為碟形彈簧外徑邊緣至U形凹槽的區(qū)間。裂紋擴(kuò)展的特征明顯，裂紋從外徑邊緣繞U形凹槽沿著徑向往內(nèi)擴(kuò)展，最終開裂區(qū)在內(nèi)徑邊緣近U形凹槽處，圖2清楚地展示了裂紋擴(kuò)展特征。

圖2　斷口宏觀形貌

圖2展示了斷口一側(cè)的宏觀形貌，而圖3所示為斷口另一側(cè)的宏觀形貌。圖3示出了裂紋源區(qū)及裂紋擴(kuò)展方向。通過(guò)肉眼可以觀察到外徑邊緣至U形凹槽邊緣之間有一條橫向裂紋，裂紋自圖示左下角往右上方擴(kuò)展。由圖3可見，裂紋呈現(xiàn)出放射性條紋的特征，放射性條紋的匯聚點(diǎn)為裂源。

圖3　裂紋源區(qū)及裂紋擴(kuò)展方向示意圖

1.3光譜分析試驗(yàn)

據(jù)廠家提供資料，碟形彈簧材質(zhì)為51CrV4，交貨技術(shù)條件為DIN EN 10089—2002《淬火和回火彈簧用熱軋鋼材·交貨技術(shù)條件》[1]。采用島津PDA-7000型火花光電直讀光譜儀對(duì)碟形彈簧試樣進(jìn)行材質(zhì)分析。表2為試樣的成分分析結(jié)果以及DIN EN 10089—2002對(duì)51CrV4的成分要求。由表2可見，試樣的成分與設(shè)計(jì)牌號(hào)相符。

表2試樣光譜分析結(jié)果

項(xiàng)目各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%CSiMnPSCrV實(shí)測(cè)值0.470.240.970.010.000.970.11標(biāo)準(zhǔn)要求0.47～0.54≤0.400.70～1.10≤0.025≤0.0250.90～1.200.10～0.25

1.4洛氏硬度試驗(yàn)

用WHR-60D型全數(shù)顯式洛氏硬度計(jì)對(duì)碟形彈簧試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷選取1 471 N，實(shí)測(cè)值為42.7HRC、47.3HRC、47.5HRC，GB/T 1972—2005規(guī)定50CrVA碟形彈簧熱處理硬度在42HRC～52HRC。需要說(shuō)明的是，DIN EN 10089—2002未明確規(guī)定碟形彈簧熱處理硬度，而GB/T 1972—2005《碟形彈簧》[2]明確規(guī)定了碟形彈簧熱處理硬度。DIN EN 10089—2002中的51CrV4可對(duì)應(yīng)GB/T 1972—2005中的50CrVA，因此GB/T 1972—2005對(duì)50CrVA碟形彈簧熱處理硬度規(guī)定可作為一個(gè)基本的評(píng)判依據(jù)。可見，試樣的實(shí)測(cè)硬度符合GB/T 1972—2005規(guī)定的硬度范圍。

1.5金相試驗(yàn)

將碟形彈簧斷口沿厚度方向切開，取垂直彈簧表面的剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光后用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精溶液腐蝕10 s，然后在Leica DMI3000M金相顯微鏡下觀察。

圖4所示為基體顯微組織，可見組織為保留馬氏體針狀位相的回火托氏體，然而圖4(b)中也可以觀察到極少的區(qū)域還出現(xiàn)了羽毛狀回火貝氏體。圖5為斷口附近的金相照片，可見微裂紋由斷口往內(nèi)部擴(kuò)展。

(a)保留馬氏體針狀位相的回火托氏體

(b)出現(xiàn)少量羽毛狀回火貝氏體圖4　基體金相組織

圖5　斷口附近金相組織及微裂紋形貌

對(duì)彈簧表面脫碳層進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。需要說(shuō)明的是，脫碳層試樣取的是垂直彈簧表面的剖面試樣，試樣必須經(jīng)鑲嵌保護(hù)磨制。由圖6可知，彈簧表面未見明顯的脫碳層，從表面到基體未見明顯的組織變化。

圖6　表面金相組織

1.6掃描電鏡及能譜分析

將斷口放在盛酒精的燒杯中，用超聲波清洗，然后在Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)下進(jìn)行斷口形貌觀察。

圖7為斷口SEM形貌，可以觀察到自外徑邊緣(右)往凹槽方向(左)延伸的一條橫向裂紋，區(qū)域Z1為近外徑邊緣的表面處理層，Z2為橫向裂紋分叉的基體區(qū)域。需要注意的是，裂紋在區(qū)域Z2開始一方面繼續(xù)往左發(fā)展，一方面往上方發(fā)展，如圖8所示。圖8還示出橫向裂紋分叉后的區(qū)域Z3，橫向主裂紋的發(fā)展方向?yàn)椋篫1→Z2→Z3。在圖8所示的區(qū)域Z3中，除了橫向主裂紋，還可以觀察到多條二次裂紋，此外還觀察到斷口的微觀形貌呈冰糖狀，符合沿晶脆性斷裂的特征。

圖7　斷口表面形貌

對(duì)斷口基體和表面處理層進(jìn)行微區(qū)能譜分析，結(jié)果如圖9所示。通過(guò)能譜成分分析可知，基體選區(qū)未檢測(cè)到異常的化學(xué)元素，未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物和偏析；表面處理層選區(qū)則檢測(cè)到一定量的Al、Ca等元素。

(a)基體選區(qū)

(b)表面處理層選區(qū)圖9　微區(qū)能譜分析結(jié)果

2討論

2.1理化性能

光譜分析發(fā)現(xiàn)斷裂的碟形彈簧材質(zhì)與設(shè)計(jì)材質(zhì)51CrV4相符。洛氏硬度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)彈簧的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。金相試驗(yàn)表明顯微組織基本正常，為回火托氏體組織，保留了馬氏體針狀位相，然而也發(fā)現(xiàn)有少量的羽毛狀回火貝氏體。這種組織一般具有較高的裂紋敏感性，是硬而脆的組織特征，在使用過(guò)程中發(fā)生脆性斷裂的傾向較大[12]。

2.2斷裂原因分析

碟形彈簧結(jié)構(gòu)形式如圖10所示，其特征是在彈簧的上表面靠近內(nèi)徑邊緣處和下表面靠近外徑邊緣處加工有U形凹槽，彈簧在組合使用時(shí)采用支撐圈定位。然而在儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)中，彈簧始終處于接近壓平的狀態(tài)[3]，這種情況下彈簧的X、Y區(qū)域(見圖10)的工作應(yīng)力很高，而且附近加工有U形凹槽，是彈簧容易開裂的部位。

圖10　碟形彈簧結(jié)構(gòu)形式

碟形彈簧的生產(chǎn)工序一般為：下料→鍛造→機(jī)加工→熱成型→熱處理→強(qiáng)壓處理→表面強(qiáng)化處理→表面防腐處理。碟形彈簧在生產(chǎn)過(guò)程中易發(fā)生裂紋，裂紋一般出現(xiàn)在強(qiáng)壓處理后，部分出現(xiàn)在淬火或回火后，且裂紋發(fā)生的部位一般是在圖10所示的上表面內(nèi)緣(X區(qū)域)或下表面外緣(Y區(qū)域)。

結(jié)合掃描電鏡分析的結(jié)果，進(jìn)一步推斷碟形彈簧斷裂的內(nèi)因：在制造過(guò)程中碟形彈簧表面預(yù)先形成裂紋，裂紋呈現(xiàn)橫條狀、平直的特征(見圖7)，可能是在淬火時(shí)產(chǎn)生的微裂紋。

通過(guò)以上分析可以推斷，碟形彈簧下表面外徑邊緣處(圖10所示Y區(qū)域)在制造過(guò)程中形成裂紋等原始缺陷，在使用過(guò)程中U形凹槽附近應(yīng)力集中的條件下，裂紋擴(kuò)展并導(dǎo)致彈簧斷裂失效。

3結(jié)論

a)碟形彈簧斷裂的原因推斷是彈簧下表面外徑邊緣至U形凹槽的區(qū)域在制造過(guò)程中形成原始缺陷，此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在使用過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致彈簧斷裂。

b)碟形彈簧的顯微組織保留了明顯的馬氏體針狀形態(tài)，還出現(xiàn)了少量的羽毛狀回火貝氏體，這些特征表明彈簧在使用過(guò)程中容易發(fā)生脆性斷裂。

c)建議檢修及運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中對(duì)碟形彈簧進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)表面處理層損壞或發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)更換。

參考文獻(xiàn)：

[1] DIN EN 10089—2002，Hot-rolled Steels for Quenched and Tempered Aprings—Technical Delivery Conditions[S].

[2] GB/T 1972—2005，碟形彈簧[S].

[3] 朱龍標(biāo)，沈子建，胡藝賓. 儲(chǔ)能裝置中高應(yīng)力碟形彈簧的工藝研究[J]. 機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2012(增刊1)：152-153.

ZHU Longbiao，SHEN Zijian，HU Yibin. Study on Technology of High Stress Disc Spring in Energy Storage Device[J]. Machinery Industry Standardization & Quality，2012(S1)：152-153.

[4] 榮強(qiáng)，程文瀼. 隔震層中設(shè)置碟形彈簧的豎向隔震研究[J]. 工業(yè)建筑，2006(36)：22-23.

RONG Qiang，CHENG Wenrang. A Study on Vertical Seismic Isolation of Isolation Layer with Disk Spring[J]. Industrial Construction，2006(36)：22-23.

[5] 熊世樹. 三維基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[6] 黃河. 三維復(fù)合隔震支座的蝶形彈簧試驗(yàn)與應(yīng)用研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2013.

[7] 張家云. 三維復(fù)合隔震支座及其在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2014.

[8] 趙亞敏，蘇經(jīng)宇，周錫元，等. 碟形彈簧豎向隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29(6)：99-106.

ZHAO Yamin，SU Jingyu，ZHOU Xiyuan，et al. Shaking Table Test and Numerical Analysis of Vertical-Isolated Building Model with Combined Disk Spring Bearing[J]. Journal of Building Structures，2008，29(6)：99-106.

[9] 馮海龍. 碟形彈簧豎向減震裝置的設(shè)計(jì)[J]. 山西建筑，2010(36)：72-73.

FENG Hailong. Design of Vertical Seismic Isolation Device by Disk Spring[J]. Shanxi Architecture，2010(36)：72-73.

[10] 王曉波. 碟形彈簧的力學(xué)性能研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2007.

[11] 荀環(huán)，尹祖成，楊闊飛. 碟形彈簧產(chǎn)生裂紋原因分析[J]. 金屬熱處理，2005(30)：95-96.

XUN Huan，YIN Zucheng，YANG Kuofei. Failure Analysis for Cracked Disk Spring[J]. Heat Treatment of Metals，2005(30)：95-96.

[12] 崔忠圻. 金屬學(xué)及熱處理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

李文勝(1984)，男，湖南湘鄉(xiāng)人。工程師，工學(xué)博士，從事電網(wǎng)金屬監(jiān)督和理化檢驗(yàn)技術(shù)研究。

董重里(1972)，男，河北秦皇島人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，從事電網(wǎng)金屬監(jiān)督和材料表面工程工作。

胡平(1973)，女，安徽蕪湖人。高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事電網(wǎng)設(shè)備材料和理化檢驗(yàn)技術(shù)研究。

(編輯彭艷)

Analysis on Belleville Spring Fracture of Controlling Gear of Gas Insulated Switchgear in 220 kV Substation

LI Wensheng, DONG Zhongli, HU Ping, WANG Wei, LIN Jiedong

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

Abstract：This paper analyzes reasons for Belleville spring fracture of controlling gear of gas insulated switchgear in 220 kV substation by experiments of microscopic test, metallographic test, spectral analysis, Rockwell hardness test, scanning electron microscope observation, energy spectrum analysis, and so on. Results indicate that reasons for Belleville spring fracture may be deduced for original defect of the area along the edge of external diameter of the lower surface of the spring to the U-shaped groove in manufacturing process where exists stress concentration, and in use procedure, cracks extend and finally cause spring fracture. In addition, microscopic structure of the Belleville spring keeps obvious martensitic acicular form and there is a little featheriness tempered bainite, which indicates that brittle fracture is easy to occur on the spring in use procedure.

Key words：substation; gas insulated switchgear; Belleville spring; fracture

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TG142.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)02-0116-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.023

基金項(xiàng)目：中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDKJ00000081)

收稿日期：2015-09-21修回日期：2015-11-16