沿海湿热气候环境中1Cr13母线闸刀连杆球铰的断裂原因

周宇通,张 杰,赵洲峰,鲁旷达,裘吕超,徐冬梅

(国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,杭州 310014)

浙江省位于我国东南沿海地区,是典型的高温、高湿、高盐雾、台风频发气候,电气设备的使用环境较为恶劣。近期,浙江某沿海220 kV变电站进行220 kV母线由运行改检修倒母的操作,在此过程中,检修人员发现C相的分闸速度明显快于AB两相。现场检查发现绝缘子顶部连杆球铰与剪刀式闸刀驱动杆连接处完全断裂,对人员及设备安全构成了重大威胁。检修人员立即报紧急缺陷,故障现场的情况如图1所示。根据相关资料,该闸刀为剪刀式隔离开关,于2008年投运。断裂连杆球铰的设计材料为1Cr13不锈钢。

图1 母线闸刀连杆球铰断裂的现场示意图Fig. 1 On site schematic diagram of the fracture of the ball joint of the busbar knife connecting rod

连杆球铰是一种常见的机械结构,在汽车、桥梁、电气设备等结构中应用广泛[1-2]。连杆球铰结构同时具备三个旋转自由度,这就对其综合力学性能提出了较高要求。通常在设计阶段,需要通过ABAQUS、ANSYS等有限元分析软件,从拉应力、压应力、剪切应力等多方面对连杆球铰的受力状态进行验证[3-4]。此外,冲击应力,疲劳应力、振动应力也是对连杆球铰产生破坏的常见应力源。

1 理化检验

采用目视法以及ZEISS STEMI 2000-C型体视显微镜观察试样宏观形貌,采用ZEISS AXIOVERT 200型光学显微镜进行微观分析,采用WILSON UH-250型全自动硬度计测试布氏硬度,采用ZEISS EVO 18型扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀产物形貌,采用牛津能谱仪(EDS)分析腐蚀产物成分。

1.1 宏观形貌

由图2可见:连杆球铰直径约为25 mm,连杆通过螺纹与球头连接,而球头在一个可活动的套环内工作,可活动角度约为60°。球杆杆顶部可以明显观察到数量众多的黄褐色腐蚀斑点。其断裂处与螺纹根部的最后一齿齐平。断面附近无明显的颈缩和塑性变形,可以判定为脆性断裂。

图2 断裂连杆球铰的宏观形貌Fig. 2 Macro morphology of fractured connecting rod ball joint

由图3可见:断口大致可分为两个区域,其中Ⅰ区域面积较大,大约占断面总面积的80%。Ⅰ区断面为老旧断面,由于已被腐蚀,其表面呈黄褐色。该区断面基本平齐,略微有一定的高低起伏,可见剜状腐蚀形态以及条纹状的腐蚀沟槽。Ⅱ区域面积较小,为新鲜断面,只占断面总面积的20%,断面呈类似斜劈的凸起状,部分区域呈光亮的结晶状。Ⅰ区方框所示位置为轴承断面的最低处,基本与螺纹最后一齿的高度齐平,为断裂的起始处。Ⅰ区方框的两侧都存在一些磨损形成的波浪状平行条纹,为裂纹的萌发处。Ⅱ区方框所示位置为轴承断面的最高处,为断裂的终止处。从断面的细节分析,裂纹应从Ⅰ区方框位置萌生,随后向深处逐渐发展,慢慢形成了Ⅰ区域。当裂纹发展一定程度,受到外力冲击后迅速扩展,使得轴承完全断裂,同时形成Ⅱ区域。

图3 连杆球铰的断口形貌Fig. 3 Fracture morphology of connecting rod ball joint

1.2 成分分析

利用磨床去除连杆球铰表面的氧化膜后,通过火花激发光谱仪对其成分进行分析,由表1可见:断裂轴承的化学成分完全符合GB/T 20878-20007 《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》中1Cr13不锈钢的要求,连杆球铰的化学成分合格。

表1 连杆球铰的化学成分Tab. 1 Chemical composition of connection rod ball joint %

1.3 显微组织

将连杆球铰的腐蚀部分打磨去除,在未见明显缺陷的部位切割制样,打磨抛光后,经盐酸氯化铁溶液腐蚀,将其置于光学显微镜下进行观察。由图4可见:连杆球铰基体的显微组织为块状分布的灰色回火索氏体以及白色铁素体,晶粒尺寸多为20～40 μm。块状或多边形状的铁素体沿轧制方向带状分布,回火索氏体内部清晰可见马氏体留下的呈位向分布的针叶状组织。根据显微组织观察结果,连杆球铰的热处理工艺应该是锻造加工后经淬火回火处理。连杆球铰的整体显微组织符合1Cr13不锈钢塑性加工后的标准要求,未见明显异常。

图4 连杆球铰的显微组织Fig. 4 Microstructure of the connecting rod ball joint

1.4 硬度

根据GB/T 231.1-2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》,从连杆球铰上取样在全自动万能硬度计上进行了布氏硬度试验。根据GB/T 1220-2007 《不锈钢棒》要求,经回火淬火的1Cr13不锈钢的布氏硬度应不小于159 HB。对比连杆球铰的测试结果(169HB),符合国标的要求,可以判定其硬度合格。由于试样的尺寸限制,无法开展力学性能试验。而根据相关的研究,钢材硬度与强度基本存在正相关关系,在很多场合呈线性关系[5]。在一定生产条件下建立钢材硬度与强度的联系,可以实现监控钢材整体质量的目的。因此,硬度试验结果间接表明连杆球铰材质及强度合格的可能性较大。

1.5 SEM及EDS分析

将连杆球铰的断面置于扫描电子显微镜(SEM)中以观察其断面的微观形貌,由图5可见:Ⅰ区域断面较为齐平,高倍下可见断口表面已经完全被球状的腐蚀产物覆盖;Ⅱ区域断面在高度上略有起伏,部分断面的晶体学取向明显,河流花样形貌大面积分布在断面上。断面上未见韧窝或撕裂棱等韧性断裂特征以及明显的晶界。综合来看,其断裂模式应为脆性穿晶准解理断裂,与常见的1Cr13不锈钢的断裂模式相符[6]。

(a) Ⅰ区,低倍 (b) Ⅰ区,高倍 (c) Ⅱ区,低倍 (d) Ⅱ区,高倍图5 连杆球铰断面Ⅰ区和Ⅱ区的SEM形貌Fig. 5 SEM morphology at zone I (a,b) and zone II (c,d) of the connecting rod ball joint section

由表2可见:连杆球铰断面Ⅰ区的腐蚀产物主要由Fe元素以及O元素组成,说明断面表面的腐蚀产物主要由Fe的氧化物组成。除了Fe以及O两种元素以外,Cr元素来自于基体材料1Cr13钢,而K元素的存在大概率与自然环境有关,例如雨水将K携带至断面。值得注意的是,在Ⅰ区存在腐蚀性元素Cl,证明Cl离子在连杆球铰的腐蚀过程中发挥了作用。连杆球铰断面Ⅱ区的元素组成除了未含有腐蚀性元素Cl以外,与Ⅰ区基本相同,主要由Fe、O、C、Cr组成。对比来看,Cl离子诱发的电化学腐蚀是造成Ⅰ区与Ⅱ区表面宏观形貌存在明显差异的主要原因。

表2 连杆球铰断面不同区域的EDS分析结果Tab. 2 EDS analysis results of the connecting rod ball joint section at different regions %

2 腐蚀机理

综合上述试验结果,断裂连杆球铰的材质为1Cr13马氏体不锈钢,显微组织及硬度正常,加工工艺以及热处理工艺都符合标准要求。连杆球铰的断口明显可分为两个区域。Ⅰ区域首先断裂,断口形成时间较早。Ⅱ区域表面具备金属光泽,说明该区域随后断裂,断口形成时间较晚。断口形成的时间是不一致的,据此推断连杆球铰的断裂过程可分为两个阶段。第一阶段,由于变电站位于沿海地区,海洋性气候使得沿海地区的盐雾量较大。盐雾中的强腐蚀性Cl-随风附着在连杆球铰的表面。由于1Cr13不锈钢抵抗Cl-腐蚀的能力较弱,Cl-会破坏不锈钢表面的钝化膜(主要由Fe2O3以及Cr2O3组成)。随后,连杆球铰基体金属会在湿热环境(水分含量较高)中形成点状腐蚀,使得钢材表面强度下降。反应式见式(1)～(4)。

阳极反应:

(1)

阴极反应:

(2)

腐蚀产物形成过程:

(3)

(4)

连杆球头随着母线闸刀操作在活动套环中反复受力,形成微磨损,使得受力最大的连杆球铰最后一齿螺纹处形成了较大应力。当应力大于腐蚀后1Cr13不锈钢的强度时产生裂纹。在闸刀随后的动作过程中,球头反复受力,腐蚀与磨损交互作用,促使裂纹重新向内部扩展。王志刚等[7]的研究证明腐蚀与磨损的交互作用将明显提高1Cr13不锈钢的腐蚀速度,加重材料损失的程度,严重危害材料的力学性能。由于闸刀动作并不频繁,裂纹扩展的速度也不是很快,每次扩展的距离也不是很大,因而在起裂点附近形成了波浪状的平行条纹。在闸刀保持不动作的时间里,海洋性盐雾以及湿气沿着裂纹扩展形成的缝隙向里渗透。盐雾携带腐蚀性Cl离子进入裂纹,而湿气导致断面长时间处于潮湿环境中。随后,同样通过化学反应,断面慢慢形成氧化腐蚀产物Fe2O3。腐蚀降低了材料的强度,为裂纹的进一步扩展提供了便利。裂纹扩展和腐蚀相互促进,最终造成了Ⅰ区域的表面形貌。

第二阶段,由于裂纹已经扩展至内部,连杆球铰的大部分面积(即Ⅰ区域)已经不能承受应力。在某次闸刀动作过程中,连杆球铰剩余连接部分的承载能力已经低于闸刀动作形成的冲击载荷,故在一瞬间发生脆性穿晶准解理断裂,形成Ⅱ区域。

相关研究资料表明,以S元素为代表的H2S是最能引起1Cr13不锈钢形成应力腐蚀开裂的敏感物质[8]。但是,连杆球铰断口的能谱分析结果显示,断面多个区域表面均未检测出S元素,因此可以基本排除本次断裂连杆球铰是由于应力腐蚀开裂引起的可能性。王锋涛等[9]的研究表明,Cl离子对于1Cr13不锈钢的腐蚀能力仅次于SO42-,Cl离子会使1Cr13不锈钢产生表面点蚀,并逐渐发展成裂纹。

从本次故障的情况来看,1Cr13马氏体不锈钢的耐蚀性不足以支撑其在沿海湿热、重盐雾的强腐蚀性环境中长期露天运行。造成本次故障的重要原因就是设备生产厂家在材质设计环节未充分考虑使用环境,形成了家族性缺陷。值得注意的是,国家电网公司曾针对类似隔离开关连杆球铰材质问题形成过专项意见。意见指出,该型隔离开关主刀相间连杆球铰的材质应更换为OCr18Ni9(304不锈钢)。但是,304不锈钢在海洋性气候及工业废气环境中发生应力腐蚀开裂的情况也不是少数[9-11]。应对更换后的304不锈钢连杆球铰的工作情况予以持续关注。沿海湿热气候对于任何材料来说都是较为苛刻的,而电气设备的设计使用寿命普遍较长。为了提高电气设备的可靠性,应尽量避免电气设备在沿海湿热气候条件下露天运行。

3 结论

(1) 本次连杆球铰断裂是一起典型的材料设计与运行工况不相符的案例。1Cr13不锈钢在沿海湿热气候中的抗Cl-腐蚀能力不足,形成Cl-诱发的电化学腐蚀。1Cr13不锈钢的防锈能力不足以支撑其在沿海强腐蚀性环境中长期露天工作。

(2) 在海洋性气候条件下,连杆球铰在Cl-的作用下,钝化膜破坏,进而诱发不锈钢发生电化学腐蚀,形成了腐蚀产物Fe2O3。同时,开关动作使得腐蚀与磨损交互作用,材料强度降低,导致连杆球铰在运行中产生裂纹,而裂纹进一步扩展直至断裂。