沿海濕熱氣候環(huán)境中1Cr13母線閘刀連桿球鉸的斷裂原因

周宇通,張 杰,趙洲峰,魯曠達(dá),裘呂超,徐冬梅

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014)

浙江省位于我國東南沿海地區(qū),是典型的高溫、高濕、高鹽霧、臺風(fēng)頻發(fā)氣候,電氣設(shè)備的使用環(huán)境較為惡劣。近期,浙江某沿海220 kV變電站進(jìn)行220 kV母線由運行改檢修倒母的操作,在此過程中,檢修人員發(fā)現(xiàn)C相的分閘速度明顯快于AB兩相?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)絕緣子頂部連桿球鉸與剪刀式閘刀驅(qū)動桿連接處完全斷裂,對人員及設(shè)備安全構(gòu)成了重大威脅。檢修人員立即報緊急缺陷,故障現(xiàn)場的情況如圖1所示。根據(jù)相關(guān)資料,該閘刀為剪刀式隔離開關(guān),于2008年投運。斷裂連桿球鉸的設(shè)計材料為1Cr13不銹鋼。

圖1 母線閘刀連桿球鉸斷裂的現(xiàn)場示意圖Fig. 1 On site schematic diagram of the fracture of the ball joint of the busbar knife connecting rod

連桿球鉸是一種常見的機(jī)械結(jié)構(gòu),在汽車、橋梁、電氣設(shè)備等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛[1-2]。連桿球鉸結(jié)構(gòu)同時具備三個旋轉(zhuǎn)自由度,這就對其綜合力學(xué)性能提出了較高要求。通常在設(shè)計階段,需要通過ABAQUS、ANSYS等有限元分析軟件,從拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力等多方面對連桿球鉸的受力狀態(tài)進(jìn)行驗證[3-4]。此外,沖擊應(yīng)力,疲勞應(yīng)力、振動應(yīng)力也是對連桿球鉸產(chǎn)生破壞的常見應(yīng)力源。

1 理化檢驗

采用目視法以及ZEISS STEMI 2000-C型體視顯微鏡觀察試樣宏觀形貌,采用ZEISS AXIOVERT 200型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀分析,采用WILSON UH-250型全自動硬度計測試布氏硬度,采用ZEISS EVO 18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察腐蝕產(chǎn)物形貌,采用牛津能譜儀(EDS)分析腐蝕產(chǎn)物成分。

1.1 宏觀形貌

由圖2可見:連桿球鉸直徑約為25 mm,連桿通過螺紋與球頭連接,而球頭在一個可活動的套環(huán)內(nèi)工作,可活動角度約為60°。球桿桿頂部可以明顯觀察到數(shù)量眾多的黃褐色腐蝕斑點。其斷裂處與螺紋根部的最后一齒齊平。斷面附近無明顯的頸縮和塑性變形,可以判定為脆性斷裂。

圖2 斷裂連桿球鉸的宏觀形貌Fig. 2 Macro morphology of fractured connecting rod ball joint

由圖3可見:斷口大致可分為兩個區(qū)域,其中Ⅰ區(qū)域面積較大,大約占斷面總面積的80%。Ⅰ區(qū)斷面為老舊斷面,由于已被腐蝕,其表面呈黃褐色。該區(qū)斷面基本平齊,略微有一定的高低起伏,可見剜狀腐蝕形態(tài)以及條紋狀的腐蝕溝槽。Ⅱ區(qū)域面積較小,為新鮮斷面,只占斷面總面積的20%,斷面呈類似斜劈的凸起狀,部分區(qū)域呈光亮的結(jié)晶狀。Ⅰ區(qū)方框所示位置為軸承斷面的最低處,基本與螺紋最后一齒的高度齊平,為斷裂的起始處。Ⅰ區(qū)方框的兩側(cè)都存在一些磨損形成的波浪狀平行條紋,為裂紋的萌發(fā)處。Ⅱ區(qū)方框所示位置為軸承斷面的最高處,為斷裂的終止處。從斷面的細(xì)節(jié)分析,裂紋應(yīng)從Ⅰ區(qū)方框位置萌生,隨后向深處逐漸發(fā)展,慢慢形成了Ⅰ區(qū)域。當(dāng)裂紋發(fā)展一定程度,受到外力沖擊后迅速擴(kuò)展,使得軸承完全斷裂,同時形成Ⅱ區(qū)域。

圖3 連桿球鉸的斷口形貌Fig. 3 Fracture morphology of connecting rod ball joint

1.2 成分分析

利用磨床去除連桿球鉸表面的氧化膜后,通過火花激發(fā)光譜儀對其成分進(jìn)行分析,由表1可見:斷裂軸承的化學(xué)成分完全符合GB/T 20878-20007 《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分》中1Cr13不銹鋼的要求,連桿球鉸的化學(xué)成分合格。

表1 連桿球鉸的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of connection rod ball joint %

1.3 顯微組織

將連桿球鉸的腐蝕部分打磨去除,在未見明顯缺陷的部位切割制樣,打磨拋光后,經(jīng)鹽酸氯化鐵溶液腐蝕,將其置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察。由圖4可見:連桿球鉸基體的顯微組織為塊狀分布的灰色回火索氏體以及白色鐵素體,晶粒尺寸多為20～40 μm。塊狀或多邊形狀的鐵素體沿軋制方向帶狀分布,回火索氏體內(nèi)部清晰可見馬氏體留下的呈位向分布的針葉狀組織。根據(jù)顯微組織觀察結(jié)果,連桿球鉸的熱處理工藝應(yīng)該是鍛造加工后經(jīng)淬火回火處理。連桿球鉸的整體顯微組織符合1Cr13不銹鋼塑性加工后的標(biāo)準(zhǔn)要求,未見明顯異常。

圖4 連桿球鉸的顯微組織Fig. 4 Microstructure of the connecting rod ball joint

1.4 硬度

根據(jù)GB/T 231.1-2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,從連桿球鉸上取樣在全自動萬能硬度計上進(jìn)行了布氏硬度試驗。根據(jù)GB/T 1220-2007 《不銹鋼棒》要求,經(jīng)回火淬火的1Cr13不銹鋼的布氏硬度應(yīng)不小于159 HB。對比連桿球鉸的測試結(jié)果(169HB),符合國標(biāo)的要求,可以判定其硬度合格。由于試樣的尺寸限制,無法開展力學(xué)性能試驗。而根據(jù)相關(guān)的研究,鋼材硬度與強(qiáng)度基本存在正相關(guān)關(guān)系,在很多場合呈線性關(guān)系[5]。在一定生產(chǎn)條件下建立鋼材硬度與強(qiáng)度的聯(lián)系,可以實現(xiàn)監(jiān)控鋼材整體質(zhì)量的目的。因此,硬度試驗結(jié)果間接表明連桿球鉸材質(zhì)及強(qiáng)度合格的可能性較大。

1.5 SEM及EDS分析

將連桿球鉸的斷面置于掃描電子顯微鏡(SEM)中以觀察其斷面的微觀形貌,由圖5可見:Ⅰ區(qū)域斷面較為齊平,高倍下可見斷口表面已經(jīng)完全被球狀的腐蝕產(chǎn)物覆蓋;Ⅱ區(qū)域斷面在高度上略有起伏,部分?jǐn)嗝娴木w學(xué)取向明顯,河流花樣形貌大面積分布在斷面上。斷面上未見韌窩或撕裂棱等韌性斷裂特征以及明顯的晶界。綜合來看,其斷裂模式應(yīng)為脆性穿晶準(zhǔn)解理斷裂,與常見的1Cr13不銹鋼的斷裂模式相符[6]。

(a) Ⅰ區(qū),低倍 (b) Ⅰ區(qū),高倍 (c) Ⅱ區(qū),低倍 (d) Ⅱ區(qū),高倍圖5 連桿球鉸斷面Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的SEM形貌Fig. 5 SEM morphology at zone I (a,b) and zone II (c,d) of the connecting rod ball joint section

由表2可見:連桿球鉸斷面Ⅰ區(qū)的腐蝕產(chǎn)物主要由Fe元素以及O元素組成,說明斷面表面的腐蝕產(chǎn)物主要由Fe的氧化物組成。除了Fe以及O兩種元素以外,Cr元素來自于基體材料1Cr13鋼,而K元素的存在大概率與自然環(huán)境有關(guān),例如雨水將K攜帶至斷面。值得注意的是,在Ⅰ區(qū)存在腐蝕性元素Cl,證明Cl離子在連桿球鉸的腐蝕過程中發(fā)揮了作用。連桿球鉸斷面Ⅱ區(qū)的元素組成除了未含有腐蝕性元素Cl以外,與Ⅰ區(qū)基本相同,主要由Fe、O、C、Cr組成。對比來看,Cl離子誘發(fā)的電化學(xué)腐蝕是造成Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)表面宏觀形貌存在明顯差異的主要原因。

表2 連桿球鉸斷面不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果Tab. 2 EDS analysis results of the connecting rod ball joint section at different regions %

2 腐蝕機(jī)理

綜合上述試驗結(jié)果,斷裂連桿球鉸的材質(zhì)為1Cr13馬氏體不銹鋼,顯微組織及硬度正常,加工工藝以及熱處理工藝都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。連桿球鉸的斷口明顯可分為兩個區(qū)域。Ⅰ區(qū)域首先斷裂,斷口形成時間較早。Ⅱ區(qū)域表面具備金屬光澤,說明該區(qū)域隨后斷裂,斷口形成時間較晚。斷口形成的時間是不一致的,據(jù)此推斷連桿球鉸的斷裂過程可分為兩個階段。第一階段,由于變電站位于沿海地區(qū),海洋性氣候使得沿海地區(qū)的鹽霧量較大。鹽霧中的強(qiáng)腐蝕性Cl-隨風(fēng)附著在連桿球鉸的表面。由于1Cr13不銹鋼抵抗Cl-腐蝕的能力較弱,Cl-會破壞不銹鋼表面的鈍化膜(主要由Fe2O3以及Cr2O3組成)。隨后,連桿球鉸基體金屬會在濕熱環(huán)境(水分含量較高)中形成點狀腐蝕,使得鋼材表面強(qiáng)度下降。反應(yīng)式見式(1)～(4)。

陽極反應(yīng):

(1)

陰極反應(yīng):

(2)

腐蝕產(chǎn)物形成過程:

(3)

(4)

連桿球頭隨著母線閘刀操作在活動套環(huán)中反復(fù)受力,形成微磨損,使得受力最大的連桿球鉸最后一齒螺紋處形成了較大應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力大于腐蝕后1Cr13不銹鋼的強(qiáng)度時產(chǎn)生裂紋。在閘刀隨后的動作過程中,球頭反復(fù)受力,腐蝕與磨損交互作用,促使裂紋重新向內(nèi)部擴(kuò)展。王志剛等[7]的研究證明腐蝕與磨損的交互作用將明顯提高1Cr13不銹鋼的腐蝕速度,加重材料損失的程度,嚴(yán)重危害材料的力學(xué)性能。由于閘刀動作并不頻繁,裂紋擴(kuò)展的速度也不是很快,每次擴(kuò)展的距離也不是很大,因而在起裂點附近形成了波浪狀的平行條紋。在閘刀保持不動作的時間里,海洋性鹽霧以及濕氣沿著裂紋擴(kuò)展形成的縫隙向里滲透。鹽霧攜帶腐蝕性Cl離子進(jìn)入裂紋,而濕氣導(dǎo)致斷面長時間處于潮濕環(huán)境中。隨后,同樣通過化學(xué)反應(yīng),斷面慢慢形成氧化腐蝕產(chǎn)物Fe2O3。腐蝕降低了材料的強(qiáng)度,為裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展提供了便利。裂紋擴(kuò)展和腐蝕相互促進(jìn),最終造成了Ⅰ區(qū)域的表面形貌。

第二階段,由于裂紋已經(jīng)擴(kuò)展至內(nèi)部,連桿球鉸的大部分面積(即Ⅰ區(qū)域)已經(jīng)不能承受應(yīng)力。在某次閘刀動作過程中,連桿球鉸剩余連接部分的承載能力已經(jīng)低于閘刀動作形成的沖擊載荷,故在一瞬間發(fā)生脆性穿晶準(zhǔn)解理斷裂,形成Ⅱ區(qū)域。

相關(guān)研究資料表明,以S元素為代表的H2S是最能引起1Cr13不銹鋼形成應(yīng)力腐蝕開裂的敏感物質(zhì)[8]。但是,連桿球鉸斷口的能譜分析結(jié)果顯示,斷面多個區(qū)域表面均未檢測出S元素,因此可以基本排除本次斷裂連桿球鉸是由于應(yīng)力腐蝕開裂引起的可能性。王鋒濤等[9]的研究表明,Cl離子對于1Cr13不銹鋼的腐蝕能力僅次于SO42-,Cl離子會使1Cr13不銹鋼產(chǎn)生表面點蝕,并逐漸發(fā)展成裂紋。

從本次故障的情況來看,1Cr13馬氏體不銹鋼的耐蝕性不足以支撐其在沿海濕熱、重鹽霧的強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中長期露天運行。造成本次故障的重要原因就是設(shè)備生產(chǎn)廠家在材質(zhì)設(shè)計環(huán)節(jié)未充分考慮使用環(huán)境,形成了家族性缺陷。值得注意的是,國家電網(wǎng)公司曾針對類似隔離開關(guān)連桿球鉸材質(zhì)問題形成過專項意見。意見指出,該型隔離開關(guān)主刀相間連桿球鉸的材質(zhì)應(yīng)更換為OCr18Ni9(304不銹鋼)。但是,304不銹鋼在海洋性氣候及工業(yè)廢氣環(huán)境中發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的情況也不是少數(shù)[9-11]。應(yīng)對更換后的304不銹鋼連桿球鉸的工作情況予以持續(xù)關(guān)注。沿海濕熱氣候?qū)τ谌魏尾牧蟻碚f都是較為苛刻的,而電氣設(shè)備的設(shè)計使用壽命普遍較長。為了提高電氣設(shè)備的可靠性,應(yīng)盡量避免電氣設(shè)備在沿海濕熱氣候條件下露天運行。

3 結(jié)論

(1) 本次連桿球鉸斷裂是一起典型的材料設(shè)計與運行工況不相符的案例。1Cr13不銹鋼在沿海濕熱氣候中的抗Cl-腐蝕能力不足,形成Cl-誘發(fā)的電化學(xué)腐蝕。1Cr13不銹鋼的防銹能力不足以支撐其在沿海強(qiáng)腐蝕性環(huán)境中長期露天工作。

(2) 在海洋性氣候條件下,連桿球鉸在Cl-的作用下,鈍化膜破壞,進(jìn)而誘發(fā)不銹鋼發(fā)生電化學(xué)腐蝕,形成了腐蝕產(chǎn)物Fe2O3。同時,開關(guān)動作使得腐蝕與磨損交互作用,材料強(qiáng)度降低,導(dǎo)致連桿球鉸在運行中產(chǎn)生裂紋,而裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直至斷裂。