汽輪發(fā)電機定子出線罩柔性連接失效分析

吳雙輝，霍 巖

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

大型汽輪發(fā)電機定子端部主引線受機組模態(tài)固有頻率的影響，不可避免的會發(fā)生電磁力振動[1-2]，在復雜工況運行條件下往往更有可能產(chǎn)生二倍頻，從而產(chǎn)生更大的電磁擾動。柔性連接在此過程中起到了至關重要的作用，會吸收振動過程中產(chǎn)生的能量。但是，在長時間運行的條件下，較大的振動力會引起柔性連接發(fā)生振動失效破壞，這對柔性連接的疲勞性能是一個考驗[3]。

某汽輪發(fā)電機組在2010年并網(wǎng)發(fā)電，2017年檢修時發(fā)現(xiàn)定子主引線柔性連接發(fā)生不同程度的失效破壞。以面向勵端為基準面，U1相的六根柔性連接中，前左方上側(cè)整體斷裂，斷口陳舊，無電腐蝕痕跡；前中方上側(cè)中間部分有裂紋。W1相的六根柔性連接前右方下側(cè)整體斷裂，斷口陳舊，未見明顯電腐蝕痕跡。

柔性連接為多層0.5厚的薄銅帶彎型而成(材質(zhì)為JIS H 3100C1020P-1/4H薄銅帶)，兩端夾持部分用電阻釬焊進行焊接，表面鍍銀，柔性連接。為找出柔性連接失效原因，對其化學成分、力學性能、金相組織、斷口進行綜合性分析。

圖1 定子主引線柔性連接失效實物

1 理化檢驗與分析

1．1 化學成分

采用直讀光譜儀對柔性連接的上表層、中間層、下表層三層薄銅帶進行化學成分分析，檢驗結果見表1，可以看出，結果滿足JIS H 3100 C1020材質(zhì)要求。

表1 化學成分 %

1．2 力學性能

由于中間部位Ω彎實測長度僅為200 mm左右，因此僅能進行拉伸、硬度、彎曲性能試驗，拉伸試樣采用JIS Z 2201《金屬材料抗拉試驗用試樣》中5號試樣見圖2，檢驗結果見表2。下表層性能結果滿足JIS H 3100 CP1020-1/4H的要求，中間層和上表層性能略低于JIS H 3100 CP1020-1/4H的要求。

圖2 斷裂的拉伸試樣(上表層、中間層、下表層)

表2 力學性能

上表層、中間層和下表層母材拉伸試樣斷口微觀形貌如圖3所示，均可觀察到明顯的韌窩，Ω彎母材斷口均為韌性斷口，說明母材的韌性較好。

圖3 拉伸微觀斷口形貌

1.3 金相組織與硬度測試

對中間Ω彎母材、斷裂區(qū)附近分別取樣進行金相組織分析，經(jīng)鑲嵌、粗磨、精磨、拋光后，采用氯化高鐵酒精溶液腐蝕，如圖4所示。中間Ω彎母材金相組織全部為α相，晶粒度尺寸為0.028 mm，屬完全再結晶退火組織，滿足JIS H 3100 C1020的晶粒度要求(≤0.050 mm)。斷裂區(qū)附近金相組織α相晶粒尺寸無異常。

1．4 硬度

對中間Ω彎母材、斷裂區(qū)附近進行硬度測試：中間Ω彎母材硬度：HV67．5、HV68．9、HV67．6；斷裂區(qū)附近硬度：為HV66．2、HV62．5、HV65．3，說明斷裂區(qū)附近的性能無明顯的減弱。

2 斷口分析

2．1 斷口宏觀分析

如圖5(a)所示為W1相柔性連接斷裂實物照片，可以看出斷裂位置位于左側(cè)夾持部位焊接區(qū)與未焊接區(qū)域的水平過渡區(qū)(以下簡稱過渡區(qū))，斷口無宏觀的塑性變形(圖5(b))，右側(cè)水平過渡區(qū)中間層薄銅帶同樣發(fā)生了斷裂(圖5(c))，從斷口正面的宏觀形貌可以看出，斷口平齊，表面較光亮，上表層腐蝕痕跡明顯。

2．2 微觀斷口分析

對斷口中間層形貌較清晰的部位進行取樣，采用超聲波清洗去除表面油污及污染物，采用S-3700掃描電鏡對斷口進行微觀形貌觀察，斷口大部分區(qū)域可觀察到巖石狀花樣(圖6(a))，在局部區(qū)域可觀察到疲勞輝紋特征(圖6(b))，整個斷口表現(xiàn)為疲勞斷口的形貌特征[4]。

圖4 母材、斷裂區(qū)金相組織

圖5 W1相柔性連接斷裂實物

圖6 薄銅帶斷口微觀形貌

對斷口表面的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，分析結果表明表面污染物為含C、O、Si、Cu的復合化合物，見圖7和表3，不含K、Na、Ca、Mg、Cl等腐蝕性元素，排除了腐蝕失效的可能。

圖7 能譜分析

元素COSiCuwt%4.822.482.3390.37At%19.477.514.0368.99

3 斷裂原因分析

3．1 腐蝕因素的影響

對斷口表面的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結果可以看出，表面污染物為含C、O、Si、Cu的復合化合物，不含K、Na、Ca、Mg、Cl等腐蝕性元素，說明腐蝕不是造成失效的原因。

3．2 原材料因素

上表層、中間層、下表層銅帶化學成分滿足標準要求，金相組織無異常，上表層和中間層的力學性能實測結果雖略低于標準值要求，但柔性連接并沒有在母材處斷裂，而是斷裂在電阻焊接頭與母材之間的過渡區(qū)，說明材料本身是可以滿足實際使用要求的，材料因素不是引起失效的原因。

3．3 制造工藝

該柔性連接端部采用電阻釬焊制造成型[5]。部件的水平過渡區(qū)晶粒尺寸無異常，經(jīng)硬度測試后與母材相當，說明電阻焊制造工藝得當，制造因素不是引起失效的原因。

3．4 運行環(huán)境

柔性連接在工作過程中由于機組擾動的作用而受到反復的拉壓、彎曲載荷的作用，在長期運行的過程中交變載荷作用使得柔性連接在過渡區(qū)應力集中處受到交變載荷的作用而發(fā)生疲勞破壞。

4 結論

柔性連接失效排除了腐蝕因素、原材料因素、制造工藝因素的原因，是由于在長期的運行過程中機組擾動產(chǎn)生交變載荷作用使得過渡區(qū)應力集中處優(yōu)先萌生裂紋繼而發(fā)生疲勞破壞。