某站失效线夹失效原因分析

某站失效线夹失效原因分析

该线夹主要用于连接输电器和设备的输出导线。空压线的导线选择钢芯铝绞线作为主要载臂流。目前,在变电站中,有较多数量的设备线夹发生鼓包开裂的失效现象,许多线夹发生鼓包,有的已经开裂,继续使用该线夹导致安全系数大大下降,对变电站设备安全运行构成威胁。因此有必要分析其失效原因,从而为设计生产单位及用户使用维护等工作提供参考依据。所分析设备线夹的本体材质为Al99.5,相当于国标牌号L3的工业纯铝,符合GB2314-1997《电力金具通用技术条件》及GB2341-1998《设备线夹》中规定的材质要求。该线夹通过重熔Al99.5铝锭铸造加工成坯,再通过机械加工,分别在两个线夹接头末端沿中心轴线按尺寸要求进行镗孔,将钢芯铝绞线插入其中,并采用机械压力压接而成。该线夹目前已经服役8年,在其未压区段圆柱体根部(与压接区段交界处)发生了鼓包开裂。1现场调查现场调研发现失效的设备线夹具有一个共同特点:即出线侧朝上;出线侧水平和向下的设备线夹未发生断裂失效。2失败的样品测试2.1拉伸试样的制备失效样品的取样位置如图1所示。首先,以发生鼓包断裂失效的部位为中心,左右两侧横切,如图1中A部分,长度约70mm;并将A部分沿中心轴线劈开,使裂纹在其中一侧,以备观察鼓包断裂处的内部形貌;再分切成4分样品,并在靠近裂纹处做金相试样;靠近断口的另一部分沿裂纹断裂的横截方向掰开,以备观察断口原始形貌。另外,在图1所示的B处及C处分别切厚度为10mm的薄片,以备观察压接之后的铝管与钢芯铝绞线间的连接情况;再在D处取4根拉伸试样,拉伸试样应截取于铝棒横截面的外部区域,而不是中心轴处。化学成分取样于铝棒任意位置。2.2钢芯铝绞线的分布样品失效部位存在非常明显的鼓包开裂现象,如图2(a)所示。对鼓包断裂处截取的样品沿轴线纵向剖开,发现设备线夹跟钢芯铝绞线压接的开始端有一杯状空腔,如图2(b)所示,图中可见杯状压力结合留下的绞线痕迹,说明钢芯铝绞线端头并没有伸入到加工孔的最底部,而在深孔底部留有一个空腔。对失效样品压力连接部位的横断面进行观察,可见钢芯集中在中部,周围为铝绞线,最外边铸造铝管压力变形后的接压壁,横断面中部存在大量孔隙,钢芯钢丝没有发生塑变,而铝丝相互之间发生一定量的塑变,如图3所示。观察杯状空腔纵剖面,发现腔壁沿周向壁厚并不是非常一致,最厚处大约是最薄处的2倍,如图4所示。分析认为造成这种现象的原因,一个可能是因为塑性变形引起的,更为可能的原因是原始壁厚就不均匀,后一种可能性较大。2.3主要化学成分分析主要对本次送检样品,依照《电力金具通用技术条件》的相关规定,零件本体材质为Al99.5,该材质的主要化学成分应参考标准GB1196-2008《重熔用铝锭》中相关牌号规定,据此对失效样品作主要化学成分分析,结果示于表1。由表1可以看出,该失效样品的材质符合技术标准的要求。2.4铸造件强度检测对本次送检作了常规力学性能检验,测试了抗拉强度和断后伸长率,结果如表2所示。在工程应用中,同种材质同种状态下,铸造加工零件强度一般为压力加工制备的零件强度的70%以上即为合格。根据标准GB2341-1998《设备线夹》的规定,送检样品铸造件的抗拉强度达到了同种材质铝管的抗拉强度的70%,由此可知该样品的抗拉强度满足技术标准规定要求。此外,由测试结果可以看出材料具有较好的塑性。2.5金相组织及裂纹对杯状腔壁底部发生断裂的侧面进行了金相组织观察,发现柱状晶粒非常粗大,晶粒的横向长度平均达到15mm以上,如图5(a)所示。杯状腔壁底部与杯腔侧壁交界处的金相组织如图5(b)所示。可见柱状晶粒发生较大塑性变形,晶界严重弯曲,裂纹前沿有较大孔洞,应为铸造疏松在拉应力下形成。此外,疏松沿晶界分布,在应力作用下形成空洞并开裂,从而发展成为裂纹源。观察了鼓包断裂处附近杯壁处的裂纹发展形貌及趋势,如图5(c)所示。可见裂纹沿两柱状晶晶界向内发展,较大裂纹的裂纹源为近表面的疏松处,裂纹扩展特征类似低周疲劳裂纹。上述观察表明裂纹一般由表面的疏松和粗大的柱状晶生成,并沿柱状晶晶界向内扩展。2.6断口形貌观察在靠近断口的部分沿裂纹断裂的横截方向掰开,形貌如图6(a)所示。可见断口陈旧,表面有黑色垢状物。对样品断口进行电镜观察,如图6(b)所示。结果表明,线夹鼓包开裂处断口形貌主要是塑性、韧性断裂特征,未发现明显的腐蚀空洞,没有发现引起铝的腐蚀或应力腐蚀开裂的痕迹。对断口表面的黑色物质进行了能谱分析,结果如图6(c)所示。能谱分析结果表明,断口表面的黑色物质并非铝的腐蚀产物。根据上述结果,可以排除外界环境对铝的腐蚀造成裂纹这一因素。3试验结果的分析3.1纯金属铝线夹接头的抗强和强度根据失效样品的化学成分、力学性能、金相及断口数据等各项检验结果,结合其服役地区天气特征综合分析如下:现场调研表明失效的设备线夹均为出线端朝上,而出现端水平和朝下的设备线夹则没有失效断裂。宏观观察发现设备线夹与钢芯铝绞线接头部位存在空腔,且连接部位不能完全将外部环境与空腔密封起来。由于失效样品服役地区夏季湿热多雨,冬季寒冷干燥,气温昼夜温差较大,对于出线侧向上的设备线夹,雨水完全可以顺着钢芯间的钢丝空隙以及铝绞线间的缝隙渗入接头底部的空腔内。一般情况下,样品服役地区入冬以后天气比较干旱,每次降水量不足以使空腔蓄满水,渗入的少量水分在以后的好天气会顺着绞线的空隙很快蒸发,因此空腔内的水一般无法积累到满腔水平。但是,该零件服役8年,在较大降水量的阴雨雪天气,雨水就会积满空腔。在低温天气下,与金属铝线夹壁接触的水首先结冰凝固,空腔内的积水被封闭并继续凝固。水结成冰产生体积膨胀造成的巨大压力由于没有有效的释放途径而全部集中在空腔的四壁上。已知纯铝线夹接头的抗拉强度很低,加之线夹接头空腔沿周向壁厚不一,因此较薄部位的铝腔壁首先达到抗拉强度而产生塑性变形,且一次变形量非常大,破坏力惊人;白天气温高于0℃时,冰发生融化,由于绞线导热性好,其间缝隙的冰首先融化成水,通道打开,然后腔内的冰逐步融化,体积收缩,绞线缝间已融化的水流入空腔。夜间气温再次降至0℃以下时,水再次发生冰冻,反复多次就可能导致铝腔壁鼓包开裂。对线夹的材质分析、力学性能和金相检验结果表明,虽然化学成分和力学性能符合产品要求,但样品鼓包断裂处附近的金相组织柱状晶非常发达,裂纹源一般为样品表面附近柱状晶间的疏松,且裂纹一般沿柱状晶晶界向内发展,所以粗大柱状晶和疏松促进了裂纹的产生与发展。3.2心丝间裂缝分析认为失效样品断裂的原因有如下三个方面:(1)线夹未压区段圆柱体根部内存在一较大的杯状空腔,钢芯铝绞线与线夹压接接头的截面没有完全密封,雨水、雪水可以顺钢芯铝绞线的中心钢丝间的缝隙和铝绞线间的缝隙渗入到连接处的杯状空腔中,存留其中无法流出。寒流来临时,特别是夜晚温度降到零下几度,而白天升高到零摄氏度以上,其间存留的水反复冰冻解冻,交变几次至几十次后,就极有可能使线夹接头发生鼓包断裂。分析认为冻裂是发生鼓包断裂的主要原因。(2)裂纹一般是从表面疏松处及粗大柱状晶的晶界处产生的,并向内部扩展,因此,表面疏松及粗大柱状晶也是开裂的一个次要促进因素。(3)鼓包开裂发生在杯腔壁较薄弱处,可见在线夹的端部镗孔时,发生偏心,使得部分区域孔壁较薄,成为鼓包开裂的另一个次要诱发因素。4线夹底部空腔的铸造(1)改善接头施工工艺,采用防渗措施,将线夹压接后中心钢芯铝绞线的各股钢丝及铝丝间的缝隙封堵,使雨雪水不能顺绞线缝隙渗入线夹底部的空腔中。另一有效措施是在线