程 翔, 陳國宏, 王若民, 呂 爽, 方振邦, 李雪琪

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601;2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601;3.國網(wǎng)池州供電公司，安徽 池州 247100)

0 前言

在變電站設(shè)備中，隔離開關(guān)[1]的安全可靠性關(guān)乎電網(wǎng)安全運行，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便操作等優(yōu)點，在配合變電站切換運行方式、隔離電源進行電氣設(shè)備檢修時發(fā)揮重要作用。隔離開關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量受多方面因素的影響，在運行中存在著分合閘不到位、距合、距分、回路電阻超標(biāo)、零部件表面銹蝕等所導(dǎo)致操作不靈、金屬部件斷裂等問題[2-4]，近年來由其產(chǎn)品質(zhì)量[5]引發(fā)的電網(wǎng)安全問題越來越突出，危及著電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

關(guān)節(jié)軸承由于其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在變電站隔離開關(guān)中。然而近年來，變電站中隔離開關(guān)關(guān)節(jié)軸承斷裂事故連續(xù)發(fā)生多起，次數(shù)和頻率也越來越多，造成了一定的經(jīng)濟損失，因而，對隔離開關(guān)關(guān)節(jié)軸承的檢測分析有很大的意義[6]。關(guān)節(jié)軸承因材質(zhì)問題存在很大的安全隱患，如果不能得到及時正確的處理，會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行造成嚴(yán)重的威脅，蔣慶云等人[7]對GW35-550DW型高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭軸套斷裂情況研究發(fā)現(xiàn)，斷裂原因在于制造工藝缺陷和材質(zhì)不良，并針對高壓隔離開關(guān)故障提出了提高高壓隔離開關(guān)運行可靠性的意見和建議。鄭曉瓊等人[8]對GW22A-252型隔離開關(guān)小連桿萬向節(jié)軸套斷裂原因進行分析，其原因是其材質(zhì)問題及制造工藝問題。

本文分析的某變電站220 kV線路上某一型號隔離開關(guān)拉桿關(guān)節(jié)軸承，其線路采用雙母雙分段接線方式。為了防止問題的關(guān)節(jié)軸承存在，在備品庫中抽檢同一批次的兩只關(guān)節(jié)軸承(正、反各一只，分別編號為1號、2號樣)進行檢測分析。

1 檢測與分析

DL/T 1424-2015《電網(wǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中[9]規(guī)定要求，隔離開關(guān)主要金屬部件的不銹鋼材質(zhì)部件宜采用鍛造工藝，即該金屬部件需要以不銹鋼材質(zhì)，用鍛造工藝制備出來。不銹鋼材質(zhì)成分中碳(C)元素含量與其強度、硬度、屈服點、抗拉強度、塑性、韌性、鋼的冷脆性和時效敏感性等均有關(guān)；硅(Si)元素起到還原劑和脫氧劑的作用，影響鋼的彈性極限、屈服點、抗拉強度和焊接性能；錳(Mn)元素是鋼中良好的脫氧劑和脫硫劑，對鋼的淬性、熱加工性能起到良好的促進作用；鉻(Cr)元素能顯著提高強度、硬度和耐磨性，同時降低塑性和韌性；鎳(Ni)元素能提高鋼的強度，使其保持良好的塑性和韌性；磷(P)和硫(S)元素一般情況下都是鋼中的有害元素，增加鋼的冷脆性、熱脆性，降低塑性、韌性、延展性，對其焊接性能不利，降低耐腐蝕性能，需要嚴(yán)格控制。鍛造工藝制備的金屬部件能消除金屬在冶煉過程中組織內(nèi)部的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化其微觀組織結(jié)構(gòu)，其機械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。因而需要對關(guān)節(jié)軸承的化學(xué)成分、金相組織及硬度值等進行檢測分析。

1.1 化學(xué)成分分析

對兩只關(guān)節(jié)軸承的表面各處理一個平面，用砂紙進行拋光，使用全定量光譜儀對其化學(xué)成分進行相關(guān)的分析，結(jié)果見表1。

表1 關(guān)節(jié)軸承的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%)

從表1中可以看出，該兩只關(guān)節(jié)軸承的化學(xué)成分中的C元素含量出現(xiàn)明顯的偏高現(xiàn)象，高于規(guī)定上限值的兩倍以上，不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對該不銹鋼的技術(shù)要求；C元素含量偏高，一是導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承硬度值相應(yīng)增大，同時塑性和韌性會存在一定程度的降低；二是C元素與其他合金元素易形成固溶體組織，即碳化物，從而導(dǎo)致鋼的冷脆性和時效敏感性增加，同時也容易引起晶間腐蝕，降低其耐腐蝕能力。Ni元素含量略低于標(biāo)準(zhǔn)值，同樣會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軸承的塑性和韌性降低，增加脆性。

1.2 金相組織分析

鑄態(tài)金屬經(jīng)鍛造工藝加工后，粗大的樹枝狀晶經(jīng)過塑性變形及再結(jié)晶后，變成等軸晶組織；組織中的縮孔、疏松、氣泡等缺陷會被壓實，組織的致密度得到提高，即金相組織應(yīng)該具備鍛造組織特征。分別在1號、2號樣上截取金相試樣，并經(jīng)120#、240#、320#、500#號砂紙進行磨制處理，表面拋光處理后采用鹽酸三氯化鐵溶液進行腐蝕，在蔡司研究級倒置式金相顯微鏡上分布在100倍及500倍條件下觀察1號、2號樣的金相組織。金相組織照片如圖1、圖2所示。

圖1 1號樣金相組織照片

圖2 2號樣金相組織照片

從金相照片上可以看出，1號、2號樣的金相組織均為奧氏體組織，但呈現(xiàn)樹枝狀的鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)，且晶粒粗大，組織不細密。500倍下視場可見晶界間存在顯微疏松、晶間孔洞等缺陷。這表明該2只關(guān)節(jié)軸承未進行鍛造工藝，不符合標(biāo)準(zhǔn)[9]中對該部件的規(guī)定要求。鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)的組織粗大，粗大的組織會導(dǎo)致該材料的綜合力學(xué)性能降低，同時會擴大其冷脆區(qū)域，增大裂紋擴展趨勢；組織中存在的顯微疏松、孔洞等缺陷，容易引起應(yīng)力集中，在該部件運行過程中會容易產(chǎn)生細小微裂紋，隨著時間的推移進而會萌發(fā)形成沿晶裂紋，并最終存在斷裂的風(fēng)險。林德源等人[10,11]指出，關(guān)節(jié)軸承材質(zhì)不良是造成其斷裂的主要原因，制造工藝不當(dāng)會使其在運行過程中容易萌生裂紋。

1.3 硬度檢驗分析

采用HBE-3000A型布氏硬度計在金相試樣表面進行硬度試驗，試驗條件：負荷187.5 kgf、鋼球直徑2.5 mm、負荷保持時間15 s，每組試樣測試三次硬度值，最后取平均值，試驗結(jié)果見表2，結(jié)果顯示，1號、2號試樣的硬度值在177 HBW左右。

表2 關(guān)節(jié)軸承的硬度值(HBW)

2 結(jié)論與建議

通過對該兩只庫存關(guān)節(jié)軸承的檢測分析發(fā)現(xiàn)，該批次關(guān)節(jié)軸承中的C、Ni元素含量不符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對304不銹鋼的材質(zhì)要求，且金相組織為鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)，晶界中存在有顯微疏松，制造工藝不當(dāng)，是采用鑄造工藝加工而不是鍛造工藝，不符合標(biāo)準(zhǔn)[9]對該部件的規(guī)定要求。材質(zhì)不符合及制造工藝不當(dāng)會使得該部件后續(xù)使用中容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，并最終可能發(fā)生斷裂，造成事故?；诖耍ㄗh對這批次的關(guān)節(jié)軸承在有條件的情況下進行全部更換處理，同時加強電網(wǎng)入庫部件的監(jiān)督檢驗工作，加強到貨檢測這一環(huán)節(jié)，并增加抽樣送檢工作，全面保障電網(wǎng)安全運行。