隔離開關刀閘觸臂開裂及腐蝕原因淺析

莊建煌 黃 偉 林明星

（1.國網福建省電力有限公司莆田供電公司，福建 莆田351100；2.國網福建省電力有限公司仙游供電公司，福建 仙游351200）

0 引言

戶外高壓隔離開關是完全暴露在大氣環境中的電力設備，長年累月承受著環境和各種氣候條件的影響，風、雨、雷電、潮氣、冰雪、沙塵,加上鹽霧和空氣污染以及各種煙塵污穢,不斷侵蝕著金屬零件,使其生銹腐蝕，進而影響產品的機械性能和電氣性能，威脅到電網的運行安全。隔離開關觸臂開裂會使導電回路接觸不良，造成發熱，同樣威脅到電網的運行安全。

因此，本文針對現場實際案例，對隔離開關觸臂焊縫裂紋和觸頭處硬鋁合金發生腐蝕的原因進行分析、探討，希望能夠對高壓隔離開關防護水平的提高起到一些促進作用。

1 案例概述

2011年11月20日，檢修人員現場檢查發現220kV蓋尾變110kV蓋鯉Ⅱ路16N1刀閘A相觸頭側導電管焊縫存在裂縫，并且導電管觸頭處硬鋁合金還出現較嚴重的腐蝕現象。該事故影響了變電站的安全運行，帶來了不小的經濟損失。圖1為刀閘觸臂發生腐蝕和裂紋的位置圖。

圖1 刀閘觸臂的整體形貌

2 案例分析

2.1 外觀分析

根據GB/T 13298-1991金屬顯微組織檢驗方法，采用金相顯微鏡PME3-323UN、顯微數字攝像系統DP70對刀閘觸臂進行外觀檢查，檢查結果分析如下：

如圖2所示，觸臂裂紋位于焊縫連接處靠導電管側的熔合區，長度約為周長的二分之三，同時在焊縫的收弧處發現有弧坑裂紋（見圖3）。沿縱向破開焊縫發現該焊縫采用插入式角焊縫連接方式。在外表面已開裂的焊縫縱向截面上發現焊縫與導電管間的裂紋已經沿熔合線貫穿到根部（見圖4），并且存在根部未熔合現象，而焊縫與連接座的坡口則完全熔合在一起。在外表面未開裂的焊縫縱向截面上發現焊縫的導電管側存在坡口未熔合現象（見圖5），未熔合區域約占整個焊縫熔合線長度的三分之二，只有近表面三分之一的區域熔合在一起；同時焊縫的連接座側也存在坡口未熔合現象，未熔合區域約占整個熔合線長度的五分之一。將圖6處焊縫與導電管坡口未熔合區域放在金相顯微鏡下觀察，發現在坡口未熔合區域的尖端產生了裂紋（見圖6），并且裂紋的擴展方向也發生了曲折。在金相顯微鏡下對導電管的外表面進行觀察，發現其外表面附有一層涂層（見圖7），厚度約為40μm。

導電管觸頭附近的硬鋁合金有較嚴重的腐蝕現象（見圖8），其表面附著白色腐蝕產物，并有部分腐蝕產物與基體發生剝離。導電管端部兩側安裝觸頭的位置均加工成平臺，在平臺段與圓形段導電管間出現明顯的腐蝕分界線，圓形段導電管表面完好，而平臺段表面則全部腐蝕，看不到表面涂層。導電管端部固定螺栓和鎖緊塊的材質為碳鋼，觸頭為銅質鍍銀材質。

圖2 觸臂裂紋的宏觀形貌

圖3 焊縫弧坑裂紋形貌

圖4 外表面已開裂的焊縫縱向截面

圖5 外表面未開裂的焊縫縱向截面

圖6 焊縫與導電管坡口未熔合區域形貌

圖7 導電管外表面涂層形貌

圖8 導電管觸頭照片

2.2 化學成分分析

依據GB/T 20975-2008《鋁及鋁合金化學分析方法》對連接座和導電管分別進行化學成分分析，結果見表1所示。

表1 導電管和連接座的化學成分wt%

3 綜合分析與討論

從焊縫的縱向截面觀察發現受檢焊縫存在嚴重坡口未熔合及根部未焊透現象，同時在焊縫的收弧處還發現有弧坑裂紋，以上現象說明該焊縫的焊接質量不合格。焊縫存在的嚴重坡口未熔合使其承載截面減小，同時在未熔合尖端產生應力集中，導致部件承載能力嚴重下降。從圖7觀察到在坡口未熔合區域的尖端產生了裂紋，由此推斷裂紋是在未熔合區域的尖端萌生，并沿著熔合線由內向外壁擴展，最后貫穿到外表面。所以焊接質量不合格是造成裂紋產生的主要原因。

影響金屬材料大氣腐蝕的主要因素有本身材質及氣象、污染等環境因素。若將鋁合金置于大氣環境中，在表面會形成致密的氧化膜Al2O3，若有水或有大量水蒸氣存在，Al2O3將會轉化為Al(OH)3。Al(OH)3屬于兩性氧化物，在酸堿環境中都會溶解，所以大部分的降雨、霧和鋁表面小孔內的電解質都會使鋁合金處于腐蝕狀態。除了鋁合金本身的腐蝕特性外，材料服役的環境因素（濕度、溫度、腐蝕性介質濃度等）都可以誘使鋁合金加速腐蝕，特別是大氣環境中若含有二氧化硫、二氧化氮、氯化物等氣體，腐蝕速率將急劇加劇。此外，化學成分分析結果表明導電管鋁合金材料的Cu、Mg含量較高，因而導致其耐腐蝕性降低。

導電管觸頭在露天環境下工作，長時間與雨水和大氣中的腐蝕性氣體接觸，若未進行一定的防腐處理，極容易發生腐蝕。生產廠家未能提供導電管具體的牌號和表面處理狀況，給分析工作帶來一定的困難。用便攜式合金分析儀對導電管圓形段表面進行金屬元素分析時發現表面測不出金屬元素，結合金相顯微觀察結果判斷該段導電管表面附有一層非金屬涂層，所以未發生腐蝕。而導電管觸頭附近平臺段表面已全部發生較嚴重的腐蝕，故推斷該區域表面極可能沒有保護涂層。導電管端部螺栓和鎖緊塊的材質為碳鋼，觸頭為銅質鍍銀材質，在含有電解質水汽的作用下也會與鋁合金構成腐蝕原電池系統，從而發生電化學腐蝕，上述兩種腐蝕機理的共同作用導致導電管鋁合金局部受到嚴重腐蝕。

4 結論

220kV蓋尾變110kV蓋鯉Ⅱ路16N1刀閘A相觸臂導電管和連接座間的焊縫開裂主要是由于焊接質量不合格所（焊縫存在嚴重未熔合缺陷）造成的；同時，導電管觸頭附近由于防腐保護措施不當，在環境腐蝕介質和異種金屬電化學腐蝕的共同作用下，導致其局部發生嚴重腐蝕。

5 措施及建議

（1）加強對同類型刀閘觸臂的檢查工作，發現異常及時更換。

（2）加強入網設備及其零部件的質量驗收與管理工作，并要求廠家提供完整的技術資料（包括設計圖紙、產品質量證明書等）。

［1］楊德鈞,沈卓身.金屬腐蝕學[M].北京：冶金工業出版社,1999.

［2］張李峰,周愛君,張兵,等.330kV換流站隔離開關靜觸頭失效原因分析[J].陜西電力,2012,40(12)：72-74.

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