SSY 型設(shè)備線夾斷裂故障分析①

王 軍， 黃 蓉， 姜 涌， 張 杰

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007； 2.國網(wǎng)懷化供電公司，湖南 懷化418000； 3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州310014）

設(shè)備線夾在電網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛使用，主要用于母線引下線與電氣設(shè)備的出線端子連接以及電氣設(shè)備之間連接。 設(shè)備線夾由電氣設(shè)備連接部分和緊固導(dǎo)線部分組成，前者為端子板（接線板）結(jié)構(gòu)，后者為管形結(jié)構(gòu)［1-3］。 鋁設(shè)備線夾制備方法主要有：采用鋁管焊接端子板或整體鑄造。 設(shè)備線夾的管形結(jié)構(gòu)和端子板之間的接合處是一個薄弱部位，在使用過程中容易發(fā)生失效，進而危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行［4-6］。 近期，電網(wǎng)發(fā)生了一起某500 kV 變電站母線引下線壓縮型雙導(dǎo)線設(shè)備線夾（SSY 型）斷裂故障，本文針對該事項，通過宏觀檢查、微觀分析以及力學(xué)性能檢測等手段［7-8］，分析了SSY 型鋁設(shè)備線夾斷裂原因，為此類金具的合理設(shè)計制造、檢驗檢測以及運行維護提供參考依據(jù)。

1 實驗方法

采用FOUNDRY?MASTER PRO 牛津全譜直讀光譜儀對斷裂設(shè)備線夾的接線板進行成分分析。 從接線板上切取3 根截面尺寸為20 mm × 8 mm 的矩形拉伸試樣，在UTM5105 型萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗。 從接線板上切取尺寸為60 mm × 20 mm × 8 mm的樣品，在HBE-3000A 型電子布氏硬度計上進行硬度檢測，檢測位置如圖1 所示。 從接線管側(cè)斷口取樣，經(jīng)磨制、拋光并用體積分?jǐn)?shù)0.5%的氫氟酸水溶液浸蝕后，在蔡司Axio Observer A1m 型金相顯微鏡下觀察接線板的顯微組織形貌。 在蔡司EVO18 型掃描電子顯微鏡（SEM）下對金相試樣進行觀察和能譜分析。

圖1 硬度檢測位置示意

2 實驗結(jié)果

2.1 宏觀檢查

設(shè)備線夾的斷裂位置位于接線管和接線板的連接處，如圖2 所示。 檢查其斷口，接線管側(cè)斷口及接線板側(cè)斷口宏觀形貌分別如圖3～4 所示。

圖2 設(shè)備線夾斷裂位置

圖3 接線管側(cè)斷口宏觀形貌

圖4 接線板側(cè)斷口宏觀形貌

由圖2～4 可見，該設(shè)備線夾接線管和接線板的連接方式為焊接，且存在嚴(yán)重的未焊透缺陷，接線管的弧面和接線板的坡口弧面之間存在橫向連續(xù)大面積的空洞。 另外，斷口的斷裂面具有明顯的金屬光澤，說明斷裂的部位有部分位于接線板的本體上。 在圖3 中圓圈標(biāo)記部分取樣拋光后進行觀察，可以更清楚地看出斷裂部位位于接線板的本體上，且接線板和焊料之間存在明顯的未熔合缺陷，而接線管本體和焊料的熔合相對較好，如圖5 所示。

圖5 接線管側(cè)局部斷口截面拋光形貌

2.2 接線板材質(zhì)檢測

接線板材質(zhì)分析結(jié)果見表1。 由表1 可見，接線板的平均化學(xué)成分符合GB／T 1173—2013《鑄造鋁合金》［9］中ZL102 的要求。

表1 接線板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

2.3 接線板拉伸性能檢測

接線板拉伸試驗結(jié)果見表2。 GB／T 9438—2013《鋁合金鑄件》［10］中規(guī)定鋁合金鑄件取樣進行力學(xué)性能試驗，試樣的抗拉強度和伸長率的平均值分別不低于GB／T 1173—2013［9］規(guī)定值（抗拉強度不小于155 MPa，伸長率不小于2%）的75%和50%。 由表2 可知，3 個拉伸試樣的抗拉強度都低于GB／T 9438—2013［10］要求，而延伸率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 拉伸試驗結(jié)果

2.4 接線板硬度檢測

接線板硬度（HBS）檢測結(jié)果見表3。 由表3 可見，接線板的布氏硬度符合GB／T 1173—2013［9］中ZL102 的要求。

表3 接線板布氏硬度檢測值（HBS）

2.5 金相檢驗

按圖5 從接線管側(cè)斷口取接線板金相試樣，進行顯微組織形貌觀察。 其金相組織呈鑄態(tài)，為典型的未經(jīng)變質(zhì)處理的組織。 白色基體為α 固溶體，用字母a標(biāo)識；粗大灰色條片狀為共晶硅，用字母b 標(biāo)識；粗大灰色多角狀為初晶硅，用字母c 標(biāo)識；深灰色細(xì)針狀為β（Al9Fe2Si2）相，用字母d 標(biāo)識，如圖6 所示。

圖6 接線板組織形貌

2.6 掃描電鏡分析及能譜分析

為進一步了解組織并確認(rèn)相的組成，對金相試樣進行掃描電鏡及能譜分析。 接線板基體與焊縫交界處的背散射電子像（BSE）如圖7 所示。 從圖7 可以清晰地看到，接線板基體與焊料之間存在縫隙，是明顯的未熔合缺陷。 接線板基體上存在大量的亮白色區(qū)域，該區(qū)域放大圖像如圖8 所示。 在圖8 中，基體α 固溶體顯示為深色，粗大條片狀共晶硅和粗大塊狀初晶硅均

圖7 背散射電子圖像（BSE）

圖8 β 相背散射電子圖像（BSE）

顯示為亮灰色，針狀初晶β（Al9Fe2Si2）相顯示為亮白色。 β（Al9Fe2Si2）相的能譜分析結(jié)果見表4。 可見，在選區(qū)中準(zhǔn)確檢測到了Al、Fe、Si 這3 種元素，且其原子比例接近β（Al9Fe2Si2）相中合金元素比例，確證了白色針狀相為β（Al9Fe2Si2）相。

表4 β（Al9Fe2Si2）相能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

3 分析與討論

3.1 制造工藝

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，設(shè)備線夾是由接線管和接線板焊接而成。 整個焊縫根部存在未焊透缺陷，同時焊縫和接線板基體之間還存在未熔合缺陷。 由于整個焊縫根部未焊透，導(dǎo)致接線板和接線管的實際有效連接面積大幅減少，且里面的空洞使得接線板和焊縫交界處存在很高的應(yīng)力集中，導(dǎo)致設(shè)備線夾的承載可靠性急劇下降。

同時發(fā)現(xiàn)，斷裂部位部分位于接線板上。 從材質(zhì)檢測結(jié)果分析，接線板為鑄造鋁合金材質(zhì)，其成分符合GB／T 1173—2013［9］中ZL102 的要求。

3.2 力學(xué)性能

硬度試驗發(fā)現(xiàn)所檢測的設(shè)備線夾材料的布氏硬度符合GB／T 1173—2013［9］中ZL102 的要求，拉伸試驗發(fā)現(xiàn)所檢測的設(shè)備線夾材料的抗拉強度不符合GB／T 9438—2013［10］中ZL102 的要求。 可以認(rèn)為，接線板本體力學(xué)性能的劣化也必然會影響設(shè)備線夾的整體強度，降低結(jié)構(gòu)的安全性。

3.3 金相組織

金相試驗發(fā)現(xiàn)，設(shè)備線夾接線板材料的金相組織中有大量粗大灰色條片狀的共晶硅，還有少量由于成分不均勻和凝固冷卻緩慢導(dǎo)致局部出現(xiàn)的粗大灰色多角狀初晶硅。 條片狀共晶硅嚴(yán)重割裂基體的連續(xù)性，易引起應(yīng)力集中，從而降低合金力學(xué)性能，尤其是塑性降低更為顯著［11-12］。 形成這種不良組織的原因是合金熔煉過程中未進行變質(zhì)處理。 通常，鋁硅合金只能通過變質(zhì)處理來改變共晶硅和α 固溶體的組織分布形態(tài)，獲得亞共晶分布的組織，硅晶體變成顆粒狀分布，從而提高合金的力學(xué)性能。 根據(jù)JB／T 7946.1—2017《鑄造鋁硅合金變質(zhì)》［13］，未經(jīng)變質(zhì)的組織是不允許存在的組織，因此，可以推斷接線板的組織不合格。

在掃描電鏡中通過背散射電子像的不同程度鑒別出了α 固溶體、共晶硅、初晶硅和β 相，能譜分析則進一步確證了β（Al9Fe2Si2）相的存在。 β 相的形成和雜質(zhì)元素Fe 含量較高有關(guān)，且會隨著含鐵量增加而長大［11］。 β 相為針狀的金屬間化合物，一般以共晶體形式存在，它會顯著降低合金的力學(xué)性能，特別是塑性和韌性［14］。

3.4 斷裂原因分析

由上述分析可知，設(shè)備線夾的焊縫存在嚴(yán)重的未熔合、未焊透缺陷，一方面降低了線夾的整體承載能力，另一方面會引起接線板和焊縫交界處的應(yīng)力集中，使得接線板承受較高的應(yīng)力。 設(shè)備線夾接線板由于熔煉過程中未采用變質(zhì)處理，形成了大量條片狀共晶硅組織。 合金中Fe 含量較高，導(dǎo)致組織中存在較多的細(xì)針狀的β 相。 條片狀共晶硅及β 相嚴(yán)重割裂了基體的連續(xù)性，顯著降低接線板的力學(xué)性能，尤其是塑性和韌性。 設(shè)備線夾在服役過程中長期受到風(fēng)力作用而擺動，在應(yīng)力幅值較高的交變載荷作用下最終發(fā)生斷裂。

3.5 改進措施

加強設(shè)備線夾制造工藝的管控，確保焊接質(zhì)量優(yōu)良。 接線板原材料中Fe 含量應(yīng)盡可能低，在熔煉過程中必須進行變質(zhì)處理。 加強現(xiàn)場巡查與設(shè)備維護，及時發(fā)現(xiàn)與排除安全隱患。

4 結(jié) 論

1） SSY 型設(shè)備線夾發(fā)生斷裂的主要原因是焊接質(zhì)量不良、接線板鑄造工藝不當(dāng)，從而導(dǎo)致設(shè)備線夾的承載可靠性顯著下降。

2） 應(yīng)加強設(shè)備線夾制造工藝的管控，確保焊接質(zhì)量；加強設(shè)備維護，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患。