隔离开关刀闸触臂开裂及腐蚀原因浅析

2015-05-15庄建煌林明星

科技视界 2015年11期

庄建煌黄伟林明星

（1.国网福建省电力有限公司莆田供电公司，福建莆田351100；2.国网福建省电力有限公司仙游供电公司，福建仙游351200）

0 引言

户外高压隔离开关是完全暴露在大气环境中的电力设备，长年累月承受着环境和各种气候条件的影响，风、雨、雷电、潮气、冰雪、沙尘,加上盐雾和空气污染以及各种烟尘污秽,不断侵蚀着金属零件,使其生锈腐蚀，进而影响产品的机械性能和电气性能，威胁到电网的运行安全。隔离开关触臂开裂会使导电回路接触不良，造成发热，同样威胁到电网的运行安全。

因此，本文针对现场实际案例，对隔离开关触臂焊缝裂纹和触头处硬铝合金发生腐蚀的原因进行分析、探讨，希望能够对高压隔离开关防护水平的提高起到一些促进作用。

1 案例概述

2011年11月20日，检修人员现场检查发现220kV盖尾变110kV盖鲤Ⅱ路16N1刀闸A相触头侧导电管焊缝存在裂缝，并且导电管触头处硬铝合金还出现较严重的腐蚀现象。该事故影响了变电站的安全运行，带来了不小的经济损失。图1为刀闸触臂发生腐蚀和裂纹的位置图。

图1 刀闸触臂的整体形貌

2 案例分析

2.1 外观分析

根据GB/T 13298-1991金属显微组织检验方法，采用金相显微镜PME3-323UN、显微数字摄像系统DP70对刀闸触臂进行外观检查，检查结果分析如下：

如图2所示，触臂裂纹位于焊缝连接处靠导电管侧的熔合区，长度约为周长的二分之三，同时在焊缝的收弧处发现有弧坑裂纹（见图3）。沿纵向破开焊缝发现该焊缝采用插入式角焊缝连接方式。在外表面已开裂的焊缝纵向截面上发现焊缝与导电管间的裂纹已经沿熔合线贯穿到根部（见图4），并且存在根部未熔合现象，而焊缝与连接座的坡口则完全熔合在一起。在外表面未开裂的焊缝纵向截面上发现焊缝的导电管侧存在坡口未熔合现象（见图5），未熔合区域约占整个焊缝熔合线长度的三分之二，只有近表面三分之一的区域熔合在一起；同时焊缝的连接座侧也存在坡口未熔合现象，未熔合区域约占整个熔合线长度的五分之一。将图6处焊缝与导电管坡口未熔合区域放在金相显微镜下观察，发现在坡口未熔合区域的尖端产生了裂纹（见图6），并且裂纹的扩展方向也发生了曲折。在金相显微镜下对导电管的外表面进行观察，发现其外表面附有一层涂层（见图7），厚度约为40μm。

导电管触头附近的硬铝合金有较严重的腐蚀现象（见图8），其表面附着白色腐蚀产物，并有部分腐蚀产物与基体发生剥离。导电管端部两侧安装触头的位置均加工成平台，在平台段与圆形段导电管间出现明显的腐蚀分界线，圆形段导电管表面完好，而平台段表面则全部腐蚀，看不到表面涂层。导电管端部固定螺栓和锁紧块的材质为碳钢，触头为铜质镀银材质。

图2 触臂裂纹的宏观形貌

图3 焊缝弧坑裂纹形貌

图4 外表面已开裂的焊缝纵向截面

图5 外表面未开裂的焊缝纵向截面

图6 焊缝与导电管坡口未熔合区域形貌

图7 导电管外表面涂层形貌

图8 导电管触头照片

2.2 化学成分分析

依据GB/T 20975-2008《铝及铝合金化学分析方法》对连接座和导电管分别进行化学成分分析，结果见表1所示。

表1 导电管和连接座的化学成分wt%

3 综合分析与讨论

从焊缝的纵向截面观察发现受检焊缝存在严重坡口未熔合及根部未焊透现象，同时在焊缝的收弧处还发现有弧坑裂纹，以上现象说明该焊缝的焊接质量不合格。焊缝存在的严重坡口未熔合使其承载截面减小，同时在未熔合尖端产生应力集中，导致部件承载能力严重下降。从图7观察到在坡口未熔合区域的尖端产生了裂纹，由此推断裂纹是在未熔合区域的尖端萌生，并沿着熔合线由内向外壁扩展，最后贯穿到外表面。所以焊接质量不合格是造成裂纹产生的主要原因。

影响金属材料大气腐蚀的主要因素有本身材质及气象、污染等环境因素。若将铝合金置于大气环境中，在表面会形成致密的氧化膜Al2O3，若有水或有大量水蒸气存在，Al2O3将会转化为Al(OH)3。Al(OH)3属于两性氧化物，在酸碱环境中都会溶解，所以大部分的降雨、雾和铝表面小孔内的电解质都会使铝合金处于腐蚀状态。除了铝合金本身的腐蚀特性外，材料服役的环境因素（湿度、温度、腐蚀性介质浓度等）都可以诱使铝合金加速腐蚀，特别是大气环境中若含有二氧化硫、二氧化氮、氯化物等气体，腐蚀速率将急剧加剧。此外，化学成分分析结果表明导电管铝合金材料的Cu、Mg含量较高，因而导致其耐腐蚀性降低。

导电管触头在露天环境下工作，长时间与雨水和大气中的腐蚀性气体接触，若未进行一定的防腐处理，极容易发生腐蚀。生产厂家未能提供导电管具体的牌号和表面处理状况，给分析工作带来一定的困难。用便携式合金分析仪对导电管圆形段表面进行金属元素分析时发现表面测不出金属元素，结合金相显微观察结果判断该段导电管表面附有一层非金属涂层，所以未发生腐蚀。而导电管触头附近平台段表面已全部发生较严重的腐蚀，故推断该区域表面极可能没有保护涂层。导电管端部螺栓和锁紧块的材质为碳钢，触头为铜质镀银材质，在含有电解质水汽的作用下也会与铝合金构成腐蚀原电池系统，从而发生电化学腐蚀，上述两种腐蚀机理的共同作用导致导电管铝合金局部受到严重腐蚀。