電流互感器鋁合金法蘭開裂失效分析

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(國網福建省電力有限公司 電力科學研究院, 福州 350007)

質量控制與失效分析

電流互感器鋁合金法蘭開裂失效分析

夏曉健,張孔林,林德源

(國網福建省電力有限公司 電力科學研究院, 福州 350007)

某福建沿海地區用于電流互感器的鋁合金法蘭發生多處開裂，采用宏觀檢驗、化學成分分析、金相分析、掃描電鏡以及能譜分析等方法對該法蘭開裂原因進行了分析。結果表明：法蘭開裂均起始于螺栓孔處，為在腐蝕介質和應力共同作用下發生的應力腐蝕開裂；法蘭螺栓扭緊力高、服役環境氯離子含量高以及法蘭所用鋁合金材料應力腐蝕開裂敏感性高等是造成該法蘭開裂的主要原因。最后針對法蘭開裂原因提出了預防措施。

電流互感器; 鋁合金; 法蘭; 失效分析; 應力腐蝕開裂

鋁合金具有耐蝕性能和力學性能良好以及密度小等優點，在電網電器設備中有著廣泛的應用。但鋁合金設備的失效時有發生，對電網的穩定安全運行造成了一定的影響。福建省某供電站在例行檢修中發現某電流互感器法蘭開裂，現場形貌如圖1所示。該組法蘭于2010年3月出廠，2010年12月22日投運。根據所提供的資料，該法蘭材料為鋁合金，設計使用壽命為10～15 a(年)，因此其服役時間遠未達到預計的使用壽命。為了探究其開裂原因，筆者在開裂鋁合金法蘭上取樣進行了檢驗和分析，并針對法蘭開裂原因提出了預防措施。

圖1 失效電流互感器法蘭現場形貌Fig.1 The field morphology of the failed flange for current transformer

1 理化檢驗

1.1宏觀檢驗

開裂法蘭宏觀形貌如圖2所示,可見該法蘭共有6個螺栓孔，其中3個螺栓孔開裂并橫穿整個截面(圖2中1，2，3所標注位置)。觀察法蘭斷口和周圍表面，可以發現：①斷口無明顯塑性變形痕跡，屬于脆性斷口；②斷口上覆蓋有灰白色和黑色的腐蝕產物，說明裂紋已存在較長時間,如圖3所示。

圖2 開裂法蘭宏觀形貌Fig.2 The macro morphology of the cracked flange

圖3 法蘭斷口宏觀形貌Fig.3 The macro morphology of fracture surface of the flange

1.2化學成分分析

在開裂法蘭上取樣，采用化學法對其進行化學成分分析，結果如表1所示。分析結果表明，該鋁合金含有的合金元素主要有鋅、銅、鎂、鐵、硅、錳等，其中鐵和硅為鋁合金中常見的雜質元素。由此判斷，該法蘭材料為Al-Zn-Cu-Mg系鋁合金。

表1 開裂法蘭化學成分分析結果(質量分數)Tab.1 The chemical composition analysis resultsof the cracked flange (mass fraction) %

1.3金相分析

在開裂法蘭上取樣制成金相試樣并用Keller試劑進行侵蝕，在光學顯微鏡(OM)下觀察其顯微組織形貌，如圖4所示，可見鋁合金晶粒形狀不規則并多呈長條形。由此判斷該法蘭材料為鑄態鋁合金。

圖4 開裂法蘭顯微組織OM形貌Fig.4 The OM morphology of microstructure of the cracked flange

圖5 開裂法蘭顯微組織EBSD形貌Fig.5 The EBSD morphology of microstructure of the cracked flange

使用ZEISS EVO 18掃描電鏡的電子背散射衍射(EBSD)模式對該金相試樣進行觀察，其顯微形貌如圖5所示，可見大量難熔金屬間化合物沿晶界不連續分布。使用Oxford X-ray能譜儀對其進行分析，可知晶界上的析出相主要含有鋅、銅、鐵、鎂、硅等元素，如表2所示。

表2 晶界第二相能譜分析結果(質量分數)Tab.2 The energy spectrum analysis results of the secondary particleson the grain boundary (mass fraction) %

1.4掃描電鏡分析

1.4.1 斷口分析

使用ZEISS EVO 18掃描電鏡(SEM)對法蘭斷口形貌進行分析，結果如圖6所示。由圖6a)可以看出,斷口呈沿晶冰糖狀，由于該鋁合金受到嚴重腐蝕，冰糖塊狀的棱角明顯變鈍并且出現蝕坑和蝕溝，與劉建華等[1]的研究相吻合。由圖6b)可以看到,斷口表面有腐蝕產物覆蓋層，并且由于腐蝕產物脫水出現了龜裂現象。采用能譜儀對斷口表面腐蝕產物進行分析，結果如表3所示，其中腐蝕性元素氯和硫的含量(質量分數)分別為2.02%和0.48%。

圖6 法蘭斷口SEM形貌Fig.6 The SEM morphology of fracture surface of the flange: a) the intergranular morphology; b) the chapping morphology

1.4.2 裂紋分析

圖7 斷口附近區域裂紋擴展微觀形貌Fig.7 The micro morphology of crack propagation of the area adjacent to the fracture surface: a) the SE morphology; b) the EBSD morphology

在法蘭斷口處及附近區域取樣制成金相試樣，在掃描電鏡下對裂紋擴展形貌進行觀察，結果如圖7所示。由圖7a)二次電子(SE)形貌可見,在斷口附近存在裂紋，裂紋起源于有應力的表面(螺栓孔處)，沿晶界擴展。為了進一步分析裂紋成因及擴展機理，在高放大倍數下使用電子背散射衍射模式對斷口附近區域進行觀察。由圖7b)可見，裂紋起源于腐蝕表面并且沿著晶界擴展，屬于典型的晶間腐蝕。從裂紋的擴展形貌可以判斷，該開裂法蘭裂紋為應力腐蝕裂紋。

2 分析與討論

通過以上理化檢驗結果可知，開裂法蘭材料為Al-Zn-Cu-Mg系鋁合金，屬于可熱處理強化鋁合金，具有強度高的優點，但此類鋁合金容易發生局部腐蝕，在應力作用下暴露在海洋或工業環境中易發生應力腐蝕開裂[2]。

法蘭開裂均發生在緊固螺栓孔處，斷口平整無塑性變形痕跡，具有明顯的腐蝕特征。掃描電鏡及能譜分析結果表明，斷口表面覆蓋較多腐蝕產物，并含有硫、氯等腐蝕性元素，斷口附近裂紋萌生于受力表面并沿晶界擴展，這些均為典型的應力腐蝕特征。

應力腐蝕開裂是指材料在拉應力和特定腐蝕介質的共同作用下引起的低應力脆性開裂現象[3]。福建沿海地區大氣環境中含有較高含量的氯離子，鋁合金對氯離子的應力腐蝕開裂敏感性較高，構成了造成應力腐蝕開裂的環境因素。由于氧化膜與鋁合金基體具有不同的延展性[4]，緊固螺栓在螺栓孔處造成拉應力導致氧化膜破裂，使內部鋁合金暴露在腐蝕介質中。該鋁合金含有較多的金屬間化合物，并且沿著晶界分布，BIRBILIS等[5]的研究表明，Al-Cu-Mg-Zn鋁合金中存在的金屬間化合物有著比鋁基體更高的腐蝕電位。因此在腐蝕介質中，該金屬間化合物作為陰極，周圍晶粒作為陽極，形成腐蝕原電池，從而產生沿晶界擴展的腐蝕通道，造成裂紋的沿晶擴展，最終導致斷裂。由以上分析可知，開裂法蘭具備應力腐蝕開裂的條件，再結合斷口分析結果可以判斷，該法蘭失效模式為應力腐蝕開裂[6-8]。

3 結論及建議

(1) 該電流互感器用鋁合金法蘭開裂模式為應力腐蝕開裂。

(2) 應力腐蝕裂紋從法蘭螺栓孔處萌生，螺栓緊固力是造成該處發生應力腐蝕開裂的主要因素，在許可的條件下，應盡量降低螺栓扭緊力。

(3) 福建沿海地區大氣環境富含氯離子，在電器設備上應避免使用對應力腐蝕開裂敏感性較高的鋁合金材料。

[1] 劉建華, 郝雪龍,李松梅,等.新型含鈧Al-Mg-Cu合金的抗應力腐蝕開裂特性[J].中國有色金屬學報,2010,20(3):415-419.

[2] 劉洋.鋁合金應力腐蝕開裂的研究進展[J].北京聯合大學學報(自然科學版),2006,20(1):31-35,44.

[3] 黃延.地鐵車鉤牽引梁應力腐蝕開裂機理[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(7):483-486.

[4] 杜愛華,龍晉明,裴和中.高強鋁合金應力腐蝕研究進展[J].中國腐蝕與防護學報,2008,28(4):251-256.

[5] BIRBILIS N, BUCHHEIT R G. Electrochemical characteristics of intermetallic phases in aluminum alloys[J]. Journal of the Electrochemical Society,2005,152(4):B140.

[6] 董重里,胡平,羅雪.高壓隔離開關靜觸頭鑄鋁夾板的斷裂失效分析[J].機電工程技術,2017,46(2):76-78.

[7] 陳曉光,宋瑤,黃思俊.5083鋁合金支架開裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(2):145-148.

[8] 白明遠,馬海全,曲士昱,等.鋁合金框開裂的失效分析[J].裝備環境工程,2011,8(2):1-3.

FailureAnalysisonCrackingofanAluminumAlloyFlangeforCurrentTransformer

XIAXiaojian,ZHANGKonglin,LINDeyuan

(Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co., Fuzhou 350007, China)

Multiple cracking was found on an aluminum flange used for the current transformer in coastal region of Fujian province. Means such as macro examination, chemical composition analysis, metallographic analysis, scanning electron microscope and energy spectrum analysis, and so on were utilized to investigate the causes for the cracking. The results show that all the cracks initiated from the bolt holes, and the failure of the flange was stress corrosion cracking (SCC) under the coaction of corrosive environment and stress. The high tightening force of the bolts, the high Cl-concentration of the service environment and the high sensitivity to SCC of the aluminum alloy were the main causes for the cracking of the flange. Finally, preventive measures were put forward according to the cracking causes of the flange.

current transformer; aluminum alloy; flange; failure analysis; stress corrosion cracking

TG115

B

1001-4012(2017)10-0754-03

10.11973/lhjy-wl201710013

2016-09-27

夏曉健(1988-)，男，博士，工程師,主要從事材料腐蝕與防護研究，xia.xiaojian@gmail.com