220 kV變電站閘刀相間操作連桿斷裂原因分析

樓玉民，鄭宏曄，鄒君文，王炯耿

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

2008年6月2 日，運行人員發(fā)現(xiàn)某變電站220 kV正母閘刀A、B相間操作連桿斷裂，閘刀型號為DR21-MH25，連桿材料為0Cr18Ni9。該閘刀于2003年投入運行，2008年6月2日發(fā)生首次斷裂，運行約5年。據(jù)了解該斷裂連桿機構(gòu)所在線路比其它線路操作頻繁。

該220 kV變電站現(xiàn)場見圖1，箭頭所指即閘刀操作連桿斷裂部位。

圖1 220 kV變電站現(xiàn)場

該變電站臨近海邊，連桿機構(gòu)所處位置空氣濕度大，空氣中含鹽量也較大（含氯離子），對鋼材有較強的腐蝕性。

1 宏觀檢查

對已斷裂連桿構(gòu)件進行取樣分析。在斷裂連桿上明顯有一段螺桿（與其它部件連接的螺紋段）存在腐蝕現(xiàn)象，斷口也有明顯腐蝕現(xiàn)象，且螺母和螺桿連接處已腐蝕卡澀，而未斷連桿不存在腐蝕現(xiàn)象，見圖2、圖3。

圖2 斷裂的連桿構(gòu)件

檢查結(jié)果表明，連桿斷裂部位位于T型接頭根部，應力集中。斷口明顯分為3個區(qū)域，分別為：

（1）起源部位，區(qū)域很小。

（2）擴展部位，有明顯的貝紋區(qū)（圖4中灰色區(qū)域），貝紋較少但很明顯，面積較小。

（3）撕裂部位（圖4中暗色區(qū)域），裂紋擴展較快，斷面比較粗糙，具有明顯低周疲勞特征。

圖3 斷裂連桿斷口宏觀照片

圖4 斷口體視鏡放大照

2 光譜分析

定量光譜分析結(jié)果見表1。從分析結(jié)果可以看出，未斷連桿螺桿的硼和鎳含量、未斷連桿螺母的硼和鉻含量、斷裂連桿螺母的鉻含量與0Cr18Ni9材料標準要求略有偏差，未斷連桿螺桿、螺母以及斷裂連桿螺母的成分基本符合要求。

而斷裂連桿螺桿的C、Cr、Mn、Ni元素含量與0Cr18Ni9標準要求明顯不符。因而判斷斷裂連桿螺桿與設(shè)計要求不相符。

3 斷口金相組織和形貌分析

圖5、6是斷口中部微裂紋的微觀照片，裂紋細小，呈樹枝分叉，均為沿晶裂紋，有明顯應力腐蝕裂紋特征。圖7為裂紋附近的母材金相組織，為馬氏體，圖8為未斷連桿母材金相組織，為奧氏體。斷裂連桿和未斷連桿的金相組織存在明顯的差別。

圖5 連桿斷口微裂紋未侵蝕

圖6 裂紋尖端裂紋和金相組織

圖7 斷裂連桿橫截面母材金相組織

圖8 未斷連桿斷口顯微組織

對斷裂樣進行掃描電鏡斷口形貌分析，見圖9－11。圖9為斷口起源區(qū)域（即圖4①部位），圖10為放大的貝紋區(qū) （即圖4②部位），圖11為連桿中間部位區(qū)域，有明顯撕裂韌窩特征。從斷口掃描電鏡分析，斷口有明顯的疲勞特征。在①部位起源，經(jīng)過多次疲勞循環(huán)逐漸擴展（有明顯的貝紋區(qū)），最終引起斷裂。

表1 定量光譜分析元素含量結(jié)果 %

圖9 斷裂樣貝紋區(qū)外側(cè)

圖10 貝紋區(qū)放大

圖11 中間區(qū)域

4 試驗分析結(jié)果

（1）光譜分析表明，斷裂連桿材料成分與設(shè)計材料不相符。

（2）金相組織分析表明，斷裂連桿和未斷連桿金相組織有明顯不同，斷裂連桿為馬氏體組織，未斷連桿為奧氏體，這兩種組織的耐腐蝕性能不同。

（3）掃描分析表明，斷口是由低周疲勞造成的。

（4）宏觀和微觀形貌分析表明，裂紋起源位于T型接頭根部應力集中、有加工刀痕和腐蝕的部位，由起源處向內(nèi)擴展，并同時沿根部環(huán)向擴展，微觀裂紋均為沿晶裂紋，有分叉及明顯的應力腐蝕特征。斷口形貌分析表明，起源部位有低周疲勞特征，擴展區(qū)域有應力腐蝕特征。

5 結(jié)語

連桿機構(gòu)操作頻繁，而每次閘刀動作對連桿機構(gòu)的沖擊力比較大，該連桿又處于潮濕易腐蝕的工作環(huán)境中，而斷裂連桿所用材料（Mn含量14%，Cr含量16%）的耐腐蝕性能較差，并非設(shè)計要求采用的耐腐蝕性能好的0Cr18Ni9材料，因此非常容易造成腐蝕。

綜上所述，由于斷裂連桿與設(shè)計材料不符（耐腐蝕性能較差），與螺母材料不同，在接觸部位易產(chǎn)生腐蝕，在T型接頭根部產(chǎn)生局部腐蝕。該連桿機構(gòu)在每次動作時，受到的瞬時應力較大，而應力又集中在根部，因此首先在根部產(chǎn)生應力腐蝕微裂紋，裂紋在多次動作應力作用下擴展，最終引起連桿斷裂。

[1]張國華，李敬高.奧氏體不銹鋼應力腐蝕分析研究[J].焊接技術(shù)，2002，31（6）：53-54.