某站失效線夾失效原因分析

某站失效線夾失效原因分析

該線夾主要用于連接輸電器和設(shè)備的輸出導(dǎo)線。空壓線的導(dǎo)線選擇鋼芯鋁絞線作為主要載臂流。目前,在變電站中,有較多數(shù)量的設(shè)備線夾發(fā)生鼓包開裂的失效現(xiàn)象,許多線夾發(fā)生鼓包,有的已經(jīng)開裂,繼續(xù)使用該線夾導(dǎo)致安全系數(shù)大大下降,對(duì)變電站設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。因此有必要分析其失效原因,從而為設(shè)計(jì)生產(chǎn)單位及用戶使用維護(hù)等工作提供參考依據(jù)。所分析設(shè)備線夾的本體材質(zhì)為Al99.5,相當(dāng)于國標(biāo)牌號(hào)L3的工業(yè)純鋁,符合GB2314-1997《電力金具通用技術(shù)條件》及GB2341-1998《設(shè)備線夾》中規(guī)定的材質(zhì)要求。該線夾通過重熔Al99.5鋁錠鑄造加工成坯,再通過機(jī)械加工,分別在兩個(gè)線夾接頭末端沿中心軸線按尺寸要求進(jìn)行鏜孔,將鋼芯鋁絞線插入其中,并采用機(jī)械壓力壓接而成。該線夾目前已經(jīng)服役8年,在其未壓區(qū)段圓柱體根部(與壓接區(qū)段交界處)發(fā)生了鼓包開裂。1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)失效的設(shè)備線夾具有一個(gè)共同特點(diǎn):即出線側(cè)朝上;出線側(cè)水平和向下的設(shè)備線夾未發(fā)生斷裂失效。2失敗的樣品測(cè)試2.1拉伸試樣的制備失效樣品的取樣位置如圖1所示。首先,以發(fā)生鼓包斷裂失效的部位為中心,左右兩側(cè)橫切,如圖1中A部分,長度約70mm;并將A部分沿中心軸線劈開,使裂紋在其中一側(cè),以備觀察鼓包斷裂處的內(nèi)部形貌;再分切成4分樣品,并在靠近裂紋處做金相試樣;靠近斷口的另一部分沿裂紋斷裂的橫截方向掰開,以備觀察斷口原始形貌。另外,在圖1所示的B處及C處分別切厚度為10mm的薄片,以備觀察壓接之后的鋁管與鋼芯鋁絞線間的連接情況;再在D處取4根拉伸試樣,拉伸試樣應(yīng)截取于鋁棒橫截面的外部區(qū)域,而不是中心軸處?；瘜W(xué)成分取樣于鋁棒任意位置。2.2鋼芯鋁絞線的分布樣品失效部位存在非常明顯的鼓包開裂現(xiàn)象,如圖2(a)所示。對(duì)鼓包斷裂處截取的樣品沿軸線縱向剖開,發(fā)現(xiàn)設(shè)備線夾跟鋼芯鋁絞線壓接的開始端有一杯狀空腔,如圖2(b)所示,圖中可見杯狀壓力結(jié)合留下的絞線痕跡,說明鋼芯鋁絞線端頭并沒有伸入到加工孔的最底部,而在深孔底部留有一個(gè)空腔。對(duì)失效樣品壓力連接部位的橫斷面進(jìn)行觀察,可見鋼芯集中在中部,周圍為鋁絞線,最外邊鑄造鋁管壓力變形后的接壓壁,橫斷面中部存在大量孔隙,鋼芯鋼絲沒有發(fā)生塑變,而鋁絲相互之間發(fā)生一定量的塑變,如圖3所示。觀察杯狀空腔縱剖面,發(fā)現(xiàn)腔壁沿周向壁厚并不是非常一致,最厚處大約是最薄處的2倍,如圖4所示。分析認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因,一個(gè)可能是因?yàn)樗苄宰冃我鸬?更為可能的原因是原始壁厚就不均勻,后一種可能性較大。2.3主要化學(xué)成分分析主要對(duì)本次送檢樣品,依照《電力金具通用技術(shù)條件》的相關(guān)規(guī)定,零件本體材質(zhì)為Al99.5,該材質(zhì)的主要化學(xué)成分應(yīng)參考標(biāo)準(zhǔn)GB1196-2008《重熔用鋁錠》中相關(guān)牌號(hào)規(guī)定,據(jù)此對(duì)失效樣品作主要化學(xué)成分分析,結(jié)果示于表1。由表1可以看出,該失效樣品的材質(zhì)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。2.4鑄造件強(qiáng)度檢測(cè)對(duì)本次送檢作了常規(guī)力學(xué)性能檢驗(yàn),測(cè)試了抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率,結(jié)果如表2所示。在工程應(yīng)用中,同種材質(zhì)同種狀態(tài)下,鑄造加工零件強(qiáng)度一般為壓力加工制備的零件強(qiáng)度的70%以上即為合格。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB2341-1998《設(shè)備線夾》的規(guī)定,送檢樣品鑄造件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了同種材質(zhì)鋁管的抗拉強(qiáng)度的70%,由此可知該樣品的抗拉強(qiáng)度滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。此外,由測(cè)試結(jié)果可以看出材料具有較好的塑性。2.5金相組織及裂紋對(duì)杯狀腔壁底部發(fā)生斷裂的側(cè)面進(jìn)行了金相組織觀察,發(fā)現(xiàn)柱狀晶粒非常粗大,晶粒的橫向長度平均達(dá)到15mm以上,如圖5(a)所示。杯狀腔壁底部與杯腔側(cè)壁交界處的金相組織如圖5(b)所示?？梢娭鶢罹Я０l(fā)生較大塑性變形,晶界嚴(yán)重彎曲,裂紋前沿有較大孔洞,應(yīng)為鑄造疏松在拉應(yīng)力下形成。此外,疏松沿晶界分布,在應(yīng)力作用下形成空洞并開裂,從而發(fā)展成為裂紋源。觀察了鼓包斷裂處附近杯壁處的裂紋發(fā)展形貌及趨勢(shì),如圖5(c)所示?？梢娏鸭y沿兩柱狀晶晶界向內(nèi)發(fā)展,較大裂紋的裂紋源為近表面的疏松處,裂紋擴(kuò)展特征類似低周疲勞裂紋。上述觀察表明裂紋一般由表面的疏松和粗大的柱狀晶生成,并沿柱狀晶晶界向內(nèi)擴(kuò)展。2.6斷口形貌觀察在靠近斷口的部分沿裂紋斷裂的橫截方向掰開,形貌如圖6(a)所示?？梢姅嗫陉惻f,表面有黑色垢狀物。對(duì)樣品斷口進(jìn)行電鏡觀察,如圖6(b)所示。結(jié)果表明,線夾鼓包開裂處斷口形貌主要是塑性、韌性斷裂特征,未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕空洞,沒有發(fā)現(xiàn)引起鋁的腐蝕或應(yīng)力腐蝕開裂的痕跡。對(duì)斷口表面的黑色物質(zhì)進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果如圖6(c)所示。能譜分析結(jié)果表明,斷口表面的黑色物質(zhì)并非鋁的腐蝕產(chǎn)物。根據(jù)上述結(jié)果,可以排除外界環(huán)境對(duì)鋁的腐蝕造成裂紋這一因素。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1純金屬鋁線夾接頭的抗強(qiáng)和強(qiáng)度根據(jù)失效樣品的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相及斷口數(shù)據(jù)等各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合其服役地區(qū)天氣特征綜合分析如下:現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明失效的設(shè)備線夾均為出線端朝上,而出現(xiàn)端水平和朝下的設(shè)備線夾則沒有失效斷裂。宏觀觀察發(fā)現(xiàn)設(shè)備線夾與鋼芯鋁絞線接頭部位存在空腔,且連接部位不能完全將外部環(huán)境與空腔密封起來。由于失效樣品服役地區(qū)夏季濕熱多雨,冬季寒冷干燥,氣溫晝夜溫差較大,對(duì)于出線側(cè)向上的設(shè)備線夾,雨水完全可以順著鋼芯間的鋼絲空隙以及鋁絞線間的縫隙滲入接頭底部的空腔內(nèi)。一般情況下,樣品服役地區(qū)入冬以后天氣比較干旱,每次降水量不足以使空腔蓄滿水,滲入的少量水分在以后的好天氣會(huì)順著絞線的空隙很快蒸發(fā),因此空腔內(nèi)的水一般無法積累到滿腔水平。但是,該零件服役8年,在較大降水量的陰雨雪天氣,雨水就會(huì)積滿空腔。在低溫天氣下,與金屬鋁線夾壁接觸的水首先結(jié)冰凝固,空腔內(nèi)的積水被封閉并繼續(xù)凝固。水結(jié)成冰產(chǎn)生體積膨脹造成的巨大壓力由于沒有有效的釋放途徑而全部集中在空腔的四壁上。已知純鋁線夾接頭的抗拉強(qiáng)度很低,加之線夾接頭空腔沿周向壁厚不一,因此較薄部位的鋁腔壁首先達(dá)到抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生塑性變形,且一次變形量非常大,破壞力驚人;白天氣溫高于0℃時(shí),冰發(fā)生融化,由于絞線導(dǎo)熱性好,其間縫隙的冰首先融化成水,通道打開,然后腔內(nèi)的冰逐步融化,體積收縮,絞線縫間已融化的水流入空腔。夜間氣溫再次降至0℃以下時(shí),水再次發(fā)生冰凍,反復(fù)多次就可能導(dǎo)致鋁腔壁鼓包開裂。對(duì)線夾的材質(zhì)分析、力學(xué)性能和金相檢驗(yàn)結(jié)果表明,雖然化學(xué)成分和力學(xué)性能符合產(chǎn)品要求,但樣品鼓包斷裂處附近的金相組織柱狀晶非常發(fā)達(dá),裂紋源一般為樣品表面附近柱狀晶間的疏松,且裂紋一般沿柱狀晶晶界向內(nèi)發(fā)展,所以粗大柱狀晶和疏松促進(jìn)了裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展。3.2心絲間裂縫分析認(rèn)為失效樣品斷裂的原因有如下三個(gè)方面:(1)線夾未壓區(qū)段圓柱體根部內(nèi)存在一較大的杯狀空腔,鋼芯鋁絞線與線夾壓接接頭的截面沒有完全密封,雨水、雪水可以順鋼芯鋁絞線的中心鋼絲間的縫隙和鋁絞線間的縫隙滲入到連接處的杯狀空腔中,存留其中無法流出。寒流來臨時(shí),特別是夜晚溫度降到零下幾度,而白天升高到零攝氏度以上,其間存留的水反復(fù)冰凍解凍,交變幾次至幾十次后,就極有可能使線夾接頭發(fā)生鼓包斷裂。分析認(rèn)為凍裂是發(fā)生鼓包斷裂的主要原因。(2)裂紋一般是從表面疏松處及粗大柱狀晶的晶界處產(chǎn)生的,并向內(nèi)部擴(kuò)展,因此,表面疏松及粗大柱狀晶也是開裂的一個(gè)次要促進(jìn)因素。(3)鼓包開裂發(fā)生在杯腔壁較薄弱處,可見在線夾的端部鏜孔時(shí),發(fā)生偏心,使得部分區(qū)域孔壁較薄,成為鼓包開裂的另一個(gè)次要誘發(fā)因素。4線夾底部空腔的鑄造(1)改善接頭施工工藝,采用防滲措施,將線夾壓接后中心鋼芯鋁絞線的各股鋼絲及鋁絲間的縫隙封堵,使雨雪水不能順絞線縫隙滲入線夾底部的空腔中。另一有效措施是在線