某500 kV换流站铅黄铜线夹断裂失效分析

2020-03-22冯红武沈祎侬何宇航叶建锋

湖北电力 2020年6期

冯红武，潘星，沈祎侬，何宇航，田泽，叶建锋

（1.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北武汉430077；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北武汉430077）

0 引言

线夹作为电力设备配套附属部件，主要用于连接变压器、断路器、隔离开关、穿墙套管等电气设备［1-5］。常见铜材线夹有铸造黄铜、热挤压紫铜、铸造紫铜［6-8］等。铸造铅黄铜中，将铅加入到铜锌合金中，可以获得一定的强度、硬度，并显著提升铸造性能和切削加工性能［9］。目前，国内主变线夹多采用牌号ZCuZn33Pb2、ZCuZn40Pb 2的材质［10-12］，铸造成型，供货状态为退火处理，该类型线夹具有一定的应力腐蚀倾向，容易产生应力腐蚀开裂，近年来，省内外铅黄铜线夹开裂故障时有发生［13-17］。

本文以开裂的铅黄铜线夹为例，采用宏观检查、化学成分、力学性能、金相分析及扫描电镜等分析手段，分析铅黄铜线夹开裂失效原因并提出改进措施，为此类部件的金属技术监督提供参考［18-22］。

1 概况

2020 年12 月15 日，某500 kV 换流站联结变套管握手线夹出现开裂，该线夹用于变压器上，连接其他设备配套附属部件，出厂日期为2017年11月10日，材质为铸造铅黄铜，牌号为ZHPb59-1，对应新牌号为ZCuZn40Pb2。

2 试验与分析

依据《GB/T 1176-2013 铸造铜及铜合金》、《JB/T 5108-2018 铸造黄铜金相检验》等技术要求［23-24］，对开裂铅黄铜线夹和同批次的完好线夹进行了分析，结果如下。

2.1 宏观检测

图1（a）为线夹宏观图，图1（b）为线夹环形管部分，长99.92 mm，内径为Φ60 mm，划红线的部位为开裂位置，图1（c）为开裂的环形管部分，内侧是光滑的，图1（d）为断口图，图1（e）断口薄的部位，厚度为15.10 mm，图1（f）为断口较厚部位，厚20.50 mm。

线夹工作时环形管竖直放置，变压器套管接线端子穿过线夹环形管，并用螺栓将环形管和接线端子夹紧，在底座（接线板）和环形套间的连接部位，有一个过渡圆弧，圆弧两侧的厚度相差5 mm 左右，圆弧的位置（图1（a）、图1（b）、图1（c）、图1（d）箭头处）存在截面变化，容易引起应力集中［25］。

图1 线夹宏观及尺寸图（a完好样,b断裂位置,c断裂部分,d 断口,e薄段,f厚段）Fig.1 Macroscopic and dimensional drawing of wire clip(a-good sample,b-fracture location,c-fractured part,d-fracture,e-thin section,f-thick section)

开裂部位位于线夹环形套部分中部，断口贯穿整个内外表面，开裂方向与线夹环形套管轴向方向一致，从断口宏观形貌看，断口附近无塑性形变，断口为脆性断裂，断口呈蓝灰色，靠近断口内侧有黑色条形絮状物，可能为腐蚀或污垢。

2.2 材质分析

对开裂试样和完好试样分别取样，用M5000 台式直读光谱仪进行元素全分析，分析结果如表1所示。

表1 线夹化学成分检测（单位：%）Table 1 The chemical composition detection of wire clip(Unit:%)

根据《GB/T 1176-2013 铸造铜及铜合金》中ZCuZn40Pb2铅黄铜化学成分要求，完好试样的化学成分符合设计要求，而开裂试样中Al、Pb元素含量超标，Al含量达到了2.49%，Pb含量达到了3.20%，当合金中铅含量超过2%，其断面呈蓝灰色，这是铅的偏析所致，这跟文献［26］中提到的一致。

2.3 硬度分析

硬度结果如表2 所示，开裂试样的硬度值高于标准要求80 HBW2.5/187.5，根据文献［27］，在铅黄铜中加入少量铝，可提高铸件的机械性能，在铝含量为1.29%时，硬度达到HB144.58，而开裂线夹的硬度远高于此值，可能跟铝含量偏高有关［28］，完好线夹的铝含量为0.75%，硬度值为HB153。

根据Zn 当量计算公式1［29］，开裂试样Zn 当量为47.46%，远高于铅黄铜的最大Zn 含量。锌当量越高，黄铜的抗拉强度和硬度越高，但塑性越低。

表2 线夹硬度检测(HB)Table 2 Hardness testing of wire clip（HB）

Zn%=A，Cu%=B，其他合金元素含量为C，当量系数为η，∑为各种合金元素的总和；η 值（Si：10～12，Al：4～6，Sn：2，Pb：1，Fe：0.9）。

2.4 抗拉强度及延伸率分析

从两个线夹分别进行取样，做力学性能检测，结果如表3 所示，两个试样的抗拉强度均满足标准《GB/T 1176-2013 铸造铜及铜合金》中要求，完好试样的延伸率达到标准的最低要求15%，而开裂试样的延伸率却远小于标准要求值，造成延伸率差别的原因是开裂线夹中铝含量偏高，导致抗拉强度增大，而塑性降低。在Cu-Zn 合金中，加入高含量的铝，锌当量显著增加，合金组织中会出现脆性的β相，使塑性下降，而强度继续增高［30］。

表3 抗拉强度及延伸率检测Table 3 Testing tensile strength and elongation

2.5 扫描电镜分析

在铅黄铜断口部位进行取样，使用场发射扫描电镜观察断口形貌。图2（a）为断口扫描电镜低倍图，由图可见，断口呈冰糖状，属于沿晶脆性断裂特征［30-32］，图2（b）为丙酮清洗后断口扫描电镜低倍图，图2（c）为高倍图，可以看到表面附着有许多细小片状氧化物，图2（d）为丙酮清洗后高倍图，可以看到，清洗后断口表面氧化物已经去除，露出基体表面，晶界上显示出很多孔洞［33］，为铸造缩孔或疏松缺陷，缩孔或疏松位置会产生裂纹源，在外力的作用下，可能引起开裂。

图2 铅黄铜断口表面形貌Fig.2 The surface morphology of lead brass fracture

2.6 能谱分析

对铅黄铜断口进行能谱分析，如图3所示，分析结果如表4，图谱1 位置Pb 聚集成颗粒状，分布于晶界，含量达到了11.27%；图谱2 位置Pb 存在偏聚，含量为4.68%，没有在晶界形成颗粒相。

2.7 金相分析

从开裂的线夹断口处取样进行金相试验，另在完好试样上同位置取样，腐蚀液为三氯化铁的盐酸水溶液，结果如图4所示。

从图4 中可以看出，开裂铅黄铜线夹金相组织为单一的β 相加黑色未固溶的Pb 单质。β 相晶界平直，呈规则的多面体形态，晶粒粗大，组织大小不均匀，说明该铅黄铜线夹退火工艺不当［34-35］。

图3 断口能谱点扫描图Fig.3 Point scan of fracture energy spectrum

表4 铅黄铜断口EDS分析结果（单位：wt%）Table 4 The EDS analysis results of lead brass fracture(Unit:%)

图4（a）、图4（d）可以看出，脆性的β 相周围有大颗粒的Pb 单质，分布于晶界上（箭头处），导致晶界弱化，力学性能降低。图4（b）为完好试样的金相图谱，属于均匀正常的α相加β相组织［36］。图4（c）为开裂试样断口处出现的小裂纹，裂纹沿着线夹弧形管内壁向断口延伸，为沿晶开裂。将开裂试样进行晶粒度评定，如图4（d）所示，根据标准《JB/T 5108-2018 铸造黄铜金相检验》中铸造黄铜晶粒度的分级，可将该铅黄铜线夹基体组织评为3级，为较大晶粒度。

图4 线夹金相组织（开裂试样a、c、d，完好试样b）Fig.4 Microstructure of wire clip（fracture sample a、c、d，good sample b）

黄铜为铜锌合金，加入少量Pb 形成铅黄铜，Pb 不固溶于合金，以游离态分布于固溶体中，改善切削性能。黄铜有3种组织，Zn含量小于35%时，为单相α组织，Zn 含量在36～45%时，为α+β 两相组织，随Zn 增加，β相会增多，当Zn含量大于45%时，α相将消失，组织为单一β 相，强度继续增加而塑性急剧下降，性能极差［37］。

开裂的铅黄铜线夹Zn含量为34.06%，加入2.49%的Al 后，Zn 当量为47.46%，超过了45%，导致α 相消失，仅剩硬脆的β 相，这与开裂线夹硬度值偏高、延伸率偏低相符。Zn含量的提高，会增加工件的应力腐蚀敏感性，也会增大开裂隐患；同时，高含量的Zn也会增加工件的脆性，在塑性变形时容易产生裂纹［5］。

3 结论

本次检测的铅黄铜线夹开裂主要原因是材质不合格，铝含量过高，导致Zn 当量过高，出现单一β 相组织，造成抗拉强度和硬度过高，而塑性急剧下降，在外应力作用下，发生脆性断裂。断口处聚集大量的铅，在晶界处形成Pb 颗粒，同样降低了材料的塑性，是开裂的重要原因。同时线夹断口位置有许多孔洞，为铸造缩孔或疏松，形成裂纹源。在螺栓紧固力作用下，线夹截面变化处会产生应力集中，裂纹源在应力作用下扩展，最终发生脆性断裂。