某換流站紫銅抱箍線夾開裂原因分析

田 澤，高元杰，熊 宇，沈祎儂，潘 星

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北電力有限公司物資公司，湖北 武漢 430017；3.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

為提高電網設備整體的質量水平，國家電網有限公司設備部于2017 年開始全面推行電網設備金屬技術監督工作，金屬技術監督工作效果非常明顯，顯著降低了電網設備的缺陷率，提升了電網設備的安全水平。金屬技術監督工作中發現了大量的電網設備金屬材料方面的質量問題［1-14］，結合電網設備特點和監督實踐，創新了多種技術監督手段［15-27］，并將金屬技術監督工作范圍擴展至換流站設備。

2021年7月，某在建±800 kV換流站金屬監督檢驗中，發現低壓端換流變抱箍線夾（以下簡稱“線夾”）均存在不同程度的表面缺陷，缺陷包括機加工溝痕、表面氣孔和表面線性缺陷。為排除線夾的安全隱患，對線夾進行了滲透檢測，檢測結果表明線性缺陷為開口缺陷。本文通過外觀檢測、滲透檢測、硬度試驗、金相檢驗和掃描電鏡分析等手段對存在缺陷的線夾進行分析，結果表明，該線夾的線性缺陷為鑄造時產生的鑄造裂紋缺陷。

1 試驗與分析

1.1 外觀檢測

本批次抱箍線夾用于和換流站閥廳低端換流變中性點套管接線端子進行連接，線夾內徑為70 mm，環形套筒壁厚最小值為9.63 mm，引流板為6 孔型結構，尺寸180 mm×110 mm×15 mm，通孔型螺栓孔徑18 mm，線夾采用整體成型工藝，無焊接結構。

外觀檢查結果表明，該批抱箍線夾表面均存在線性缺陷，有的垂直于接線端子軸線方向，有的平行于接線端子軸線方向，從缺陷的形狀和方向判斷，該缺陷不是機加工過程產生的機械損傷。線夾表面鍍錫，鑒于尺寸較小的縮孔和疏松等表面缺陷可能被覆蓋，打磨線夾表面鍍錫層后進行目視檢查，發現線夾表面存在縮孔、砂眼等鑄造缺陷（如圖1所示），說明該批線夾采用鑄造成型工藝。

1.2 滲透檢測

抽取該批線夾中2 支（1 號和3 號）存在明顯表面缺陷的線夾進行滲透檢測，滲透檢測結果如圖2所示。

滲透檢測結果表明，1號線夾表面缺陷尺寸較大，沿軸線方向幾乎貫穿整個線夾。缺陷形狀接近弧形，說明該缺陷不是在機加工過程中、車削過程中造成的機械劃傷。3 號線夾表面缺陷垂直于軸線方向，缺陷呈弧形，說明該缺陷也不是機加工缺陷。

在滲透檢測過程中，缺陷處滲透劑短時間內即被吸收殆盡，說明這2處缺陷內部空間較大，可以吸附較多的滲透劑。缺陷表面覆有鍍錫層，說明缺陷是在鍍錫工序之前產生的。該批線夾供貨后并未進行緊固安裝試驗，可以排除缺陷是在線夾安裝過程中由于緊固力矩過大造成開裂的可能性，上述分析說明，這2處缺陷是在加工制造階段未受到較大外在應力的情況下產生，且缺陷的內部空間較大。

1.3 金相分析

由金相檢驗結果可知，線夾基體（如圖3-圖4 所示）為等軸單相的α銅相組織。線夾裂紋形態（如圖5-圖6 所示）呈彎曲狀，并不是沿固定的方向擴展，主裂紋通道附近存在較多細小的微裂紋，線夾基體中存在多處縮孔和疏松缺陷（如圖7所示）。

圖3 抱箍線夾金相組織（100×）Fig.3 Metallographic structure of hoop clamp（100×）

圖4 抱箍線夾金相組織（500×）Fig.4 Metallographic structure of hoop clamp（500×）

圖5 抱箍線夾鑄造裂紋Fig.5 Casting crack in hoop clamp

圖6 裂紋尖端形貌Fig.6 Morphology of crack tip

圖7 抱箍線夾鑄造縮孔Fig.7 Casting shrinkage cavity of hoop clamp

金相檢驗結果表明，抱箍線夾基體上存在多處裂紋缺陷，α銅相無方向性組織，進而說明該批線夾不是鍛造成型，而是鑄造成型，且存在裂紋、縮孔和疏松等鑄造缺陷。

進一步觀察裂紋尖端的擴展形態，裂紋尖端存在長徑約為100 μm的縮孔（如圖6所示），微裂紋的萌生和擴展以沿晶開裂為主，伴有少量穿晶裂紋，說明微裂紋的擴展不是在大外應力作用下發生穿晶開裂。

在距離主裂紋通道100 μm以上的基體中，發現了沿晶界成網狀分布的紅色物質（如圖8 所示），結合抱箍線夾的無損檢測過程，可以確定紅色物質為滲透檢測用滲透劑。根據滲透檢測的原理，只有抱箍線夾基體存在毛細間隙，主裂紋通道中的滲透劑才能通過毛細效應滲透至晶界中，這充分說明線夾基體晶粒中存在大量的網狀沿晶裂紋。

圖8 抱箍線夾晶間形貌Fig.8 Intergranular morphology of hoop clamp

1.4 掃描電鏡

在掃描電鏡下，顯微裂紋（如圖9 所示）為細小彎曲的線性形態，裂紋前后端寬度無明顯差異，呈彎曲狀向前發展，說明顯微裂紋的形成和擴展不是在大的外應力作用下形成，而是在拘束度較小的情況下形成的。

圖9 線夾顯微裂紋形貌Fig.9 Microscopic crack morphology of hoop clamp

能譜分析結果如表1 所示，無氧銅中O 元素含量要求為≤0.03%，可見基體組織中裂紋處的O 元素含量明顯高于無氧銅的上限值，這說明線夾原材料脫氧不充分或者鑄造過程中保護不良，從而導致線夾中O 元素含量較高。相關研究表明［28-31］，紫銅中O 元素含量超標，會形成Cu2O 化合物，在凝固過程中在晶界處形成Cu2O 和Cu 的低熔共晶產物，進而造成紫銅線夾在鑄造過程中產生鑄造裂紋。

表1 區域1和2能譜Table 1 EDX results of regions 1 and 2

2 開裂原因綜合分析

綜上所述，抱箍線夾采用了鑄造成型方式，由于原材料中脫氧不充分或鑄造過程中由于保護不當，導致鑄件中O 元素含量超標，在晶界處形成Cu2O 并和Cu形成低熔共晶產物。

由于純銅的熱膨脹系數較大，導熱快速，在鑄造過程中產生的熱收縮大、冷卻速度快，如果鑄造工藝不當，極易產生偏析，加劇了Cu2O 和Cu 低熔共晶產物在晶界處的偏析程度，極易在鑄造過程中產生鑄造裂紋。

本批次的純銅抱箍線夾雖然其化學成分符合標準及國家電網有限公司十八項反措的要求，采用紫銅為原材料，但由于其加工成型方式不滿足標準和反措的要求，采用鑄造成型的方式，而且在鑄造過程中脫氧不充分，導致線夾在加工制造過程中產生大量裂紋缺陷，造成該批次線夾驗收不合格的結果。

3 結語

1）建議全部更換該批次抱箍線夾，且應采用充分脫氧的純銅制造。

2）成型方式應采用鍛造成型或擠壓成型。

3）嚴格執行抱箍線夾金屬技術監督的規定，加強線夾表面質量的檢驗檢測。對線夾供應商進行嚴格把關，從源頭上控制線夾的制造質量，避免不合格線夾對換流站工程進度造成影響。