某500 kV換流站鉛黃銅線夾斷裂失效分析

馮紅武，潘 星，沈祎儂，何宇航，田 澤，葉建鋒

（1.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077）

0 引言

線夾作為電力設備配套附屬部件，主要用于連接變壓器、斷路器、隔離開關、穿墻套管等電氣設備［1-5］。常見銅材線夾有鑄造黃銅、熱擠壓紫銅、鑄造紫銅［6-8］等。鑄造鉛黃銅中，將鉛加入到銅鋅合金中，可以獲得一定的強度、硬度，并顯著提升鑄造性能和切削加工性能［9］。目前，國內(nèi)主變線夾多采用牌號ZCuZn33Pb2、ZCuZn40Pb 2的材質(zhì)［10-12］，鑄造成型，供貨狀態(tài)為退火處理，該類型線夾具有一定的應力腐蝕傾向，容易產(chǎn)生應力腐蝕開裂，近年來，省內(nèi)外鉛黃銅線夾開裂故障時有發(fā)生［13-17］。

本文以開裂的鉛黃銅線夾為例，采用宏觀檢查、化學成分、力學性能、金相分析及掃描電鏡等分析手段，分析鉛黃銅線夾開裂失效原因并提出改進措施，為此類部件的金屬技術監(jiān)督提供參考［18-22］。

1 概況

2020 年12 月15 日，某500 kV 換流站聯(lián)結(jié)變套管握手線夾出現(xiàn)開裂，該線夾用于變壓器上，連接其他設備配套附屬部件，出廠日期為2017年11月10日，材質(zhì)為鑄造鉛黃銅，牌號為ZHPb59-1，對應新牌號為ZCuZn40Pb2。

2 試驗與分析

依據(jù)《GB/T 1176-2013 鑄造銅及銅合金》、《JB/T 5108-2018 鑄造黃銅金相檢驗》等技術要求［23-24］，對開裂鉛黃銅線夾和同批次的完好線夾進行了分析，結(jié)果如下。

2.1 宏觀檢測

圖1（a）為線夾宏觀圖，圖1（b）為線夾環(huán)形管部分，長99.92 mm，內(nèi)徑為Φ60 mm，劃紅線的部位為開裂位置，圖1（c）為開裂的環(huán)形管部分，內(nèi)側(cè)是光滑的，圖1（d）為斷口圖，圖1（e）斷口薄的部位，厚度為15.10 mm，圖1（f）為斷口較厚部位，厚20.50 mm。

線夾工作時環(huán)形管豎直放置，變壓器套管接線端子穿過線夾環(huán)形管，并用螺栓將環(huán)形管和接線端子夾緊，在底座（接線板）和環(huán)形套間的連接部位，有一個過渡圓弧，圓弧兩側(cè)的厚度相差5 mm 左右，圓弧的位置（圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）、圖1（d）箭頭處）存在截面變化，容易引起應力集中［25］。

圖1 線夾宏觀及尺寸圖（a完好樣,b斷裂位置,c斷裂部分,d 斷口,e薄段,f厚段）Fig.1 Macroscopic and dimensional drawing of wire clip(a-good sample,b-fracture location,c-fractured part,d-fracture,e-thin section,f-thick section)

開裂部位位于線夾環(huán)形套部分中部，斷口貫穿整個內(nèi)外表面，開裂方向與線夾環(huán)形套管軸向方向一致，從斷口宏觀形貌看，斷口附近無塑性形變，斷口為脆性斷裂，斷口呈藍灰色，靠近斷口內(nèi)側(cè)有黑色條形絮狀物，可能為腐蝕或污垢。

2.2 材質(zhì)分析

對開裂試樣和完好試樣分別取樣，用M5000 臺式直讀光譜儀進行元素全分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 線夾化學成分檢測（單位：%）Table 1 The chemical composition detection of wire clip(Unit:%)

根據(jù)《GB/T 1176-2013 鑄造銅及銅合金》中ZCuZn40Pb2鉛黃銅化學成分要求，完好試樣的化學成分符合設計要求，而開裂試樣中Al、Pb元素含量超標，Al含量達到了2.49%，Pb含量達到了3.20%，當合金中鉛含量超過2%，其斷面呈藍灰色，這是鉛的偏析所致，這跟文獻［26］中提到的一致。

2.3 硬度分析

硬度結(jié)果如表2 所示，開裂試樣的硬度值高于標準要求80 HBW2.5/187.5，根據(jù)文獻［27］，在鉛黃銅中加入少量鋁，可提高鑄件的機械性能，在鋁含量為1.29%時，硬度達到HB144.58，而開裂線夾的硬度遠高于此值，可能跟鋁含量偏高有關［28］，完好線夾的鋁含量為0.75%，硬度值為HB153。

根據(jù)Zn 當量計算公式1［29］，開裂試樣Zn 當量為47.46%，遠高于鉛黃銅的最大Zn 含量。鋅當量越高，黃銅的抗拉強度和硬度越高，但塑性越低。

表2 線夾硬度檢測(HB)Table 2 Hardness testing of wire clip（HB）

Zn%=A，Cu%=B，其他合金元素含量為C，當量系數(shù)為η，∑為各種合金元素的總和；η 值（Si：10～12，Al：4～6，Sn：2，Pb：1，F(xiàn)e：0.9）。

2.4 抗拉強度及延伸率分析

從兩個線夾分別進行取樣，做力學性能檢測，結(jié)果如表3 所示，兩個試樣的抗拉強度均滿足標準《GB/T 1176-2013 鑄造銅及銅合金》中要求，完好試樣的延伸率達到標準的最低要求15%，而開裂試樣的延伸率卻遠小于標準要求值，造成延伸率差別的原因是開裂線夾中鋁含量偏高，導致抗拉強度增大，而塑性降低。在Cu-Zn 合金中，加入高含量的鋁，鋅當量顯著增加，合金組織中會出現(xiàn)脆性的β相，使塑性下降，而強度繼續(xù)增高［30］。

表3 抗拉強度及延伸率檢測Table 3 Testing tensile strength and elongation

2.5 掃描電鏡分析

在鉛黃銅斷口部位進行取樣，使用場發(fā)射掃描電鏡觀察斷口形貌。圖2（a）為斷口掃描電鏡低倍圖，由圖可見，斷口呈冰糖狀，屬于沿晶脆性斷裂特征［30-32］，圖2（b）為丙酮清洗后斷口掃描電鏡低倍圖，圖2（c）為高倍圖，可以看到表面附著有許多細小片狀氧化物，圖2（d）為丙酮清洗后高倍圖，可以看到，清洗后斷口表面氧化物已經(jīng)去除，露出基體表面，晶界上顯示出很多孔洞［33］，為鑄造縮孔或疏松缺陷，縮孔或疏松位置會產(chǎn)生裂紋源，在外力的作用下，可能引起開裂。

圖2 鉛黃銅斷口表面形貌Fig.2 The surface morphology of lead brass fracture

2.6 能譜分析

對鉛黃銅斷口進行能譜分析，如圖3所示，分析結(jié)果如表4，圖譜1 位置Pb 聚集成顆粒狀，分布于晶界，含量達到了11.27%；圖譜2 位置Pb 存在偏聚，含量為4.68%，沒有在晶界形成顆粒相。

2.7 金相分析

從開裂的線夾斷口處取樣進行金相試驗，另在完好試樣上同位置取樣，腐蝕液為三氯化鐵的鹽酸水溶液，結(jié)果如圖4所示。

從圖4 中可以看出，開裂鉛黃銅線夾金相組織為單一的β 相加黑色未固溶的Pb 單質(zhì)。β 相晶界平直，呈規(guī)則的多面體形態(tài)，晶粒粗大，組織大小不均勻，說明該鉛黃銅線夾退火工藝不當［34-35］。

圖3 斷口能譜點掃描圖Fig.3 Point scan of fracture energy spectrum

表4 鉛黃銅斷口EDS分析結(jié)果（單位：wt%）Table 4 The EDS analysis results of lead brass fracture(Unit:%)

圖4（a）、圖4（d）可以看出，脆性的β 相周圍有大顆粒的Pb 單質(zhì)，分布于晶界上（箭頭處），導致晶界弱化，力學性能降低。圖4（b）為完好試樣的金相圖譜，屬于均勻正常的α相加β相組織［36］。圖4（c）為開裂試樣斷口處出現(xiàn)的小裂紋，裂紋沿著線夾弧形管內(nèi)壁向斷口延伸，為沿晶開裂。將開裂試樣進行晶粒度評定，如圖4（d）所示，根據(jù)標準《JB/T 5108-2018 鑄造黃銅金相檢驗》中鑄造黃銅晶粒度的分級，可將該鉛黃銅線夾基體組織評為3級，為較大晶粒度。

圖4 線夾金相組織（開裂試樣a、c、d，完好試樣b）Fig.4 Microstructure of wire clip（fracture sample a、c、d，good sample b）

黃銅為銅鋅合金，加入少量Pb 形成鉛黃銅，Pb 不固溶于合金，以游離態(tài)分布于固溶體中，改善切削性能。黃銅有3種組織，Zn含量小于35%時，為單相α組織，Zn 含量在36～45%時，為α+β 兩相組織，隨Zn 增加，β相會增多，當Zn含量大于45%時，α相將消失，組織為單一β 相，強度繼續(xù)增加而塑性急劇下降，性能極差［37］。

開裂的鉛黃銅線夾Zn含量為34.06%，加入2.49%的Al 后，Zn 當量為47.46%，超過了45%，導致α 相消失，僅剩硬脆的β 相，這與開裂線夾硬度值偏高、延伸率偏低相符。Zn含量的提高，會增加工件的應力腐蝕敏感性，也會增大開裂隱患；同時，高含量的Zn也會增加工件的脆性，在塑性變形時容易產(chǎn)生裂紋［5］。

3 結(jié)論

本次檢測的鉛黃銅線夾開裂主要原因是材質(zhì)不合格，鋁含量過高，導致Zn 當量過高，出現(xiàn)單一β 相組織，造成抗拉強度和硬度過高，而塑性急劇下降，在外應力作用下，發(fā)生脆性斷裂。斷口處聚集大量的鉛，在晶界處形成Pb 顆粒，同樣降低了材料的塑性，是開裂的重要原因。同時線夾斷口位置有許多孔洞，為鑄造縮孔或疏松，形成裂紋源。在螺栓緊固力作用下，線夾截面變化處會產(chǎn)生應力集中，裂紋源在應力作用下擴展，最終發(fā)生脆性斷裂。

4 結(jié)語

通過對鉛黃銅線夾的斷裂失效分析，找到了斷裂主要原因，為此類電力設備配套附屬部件金屬技術監(jiān)督提供參考作用。對入網(wǎng)的線夾進行金屬技術監(jiān)督時，黃銅線夾主要加強化學成分檢測，可以輔以現(xiàn)場線夾進行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)硬度過高時，重點排查，有裂紋要及時更換。