主变黄铜抱夹失效分析及解决措施

胡加瑞，谢亿，刘纯，欧阳克俭，龚静

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

主变黄铜抱夹失效分析及解决措施

Analysis and solutions of main transformers brass clamp failure

胡加瑞，谢亿，刘纯，欧阳克俭，龚静

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

抱夹作为与主变桩头连接的重要部件，其安全稳定运行非常重要。通过对湖南电网近几年主变ZHPb59-1黄铜抱箍失效事故的调查，分析并归纳了失效其典型的原因，即材质缺陷、应力腐蚀，并提出相应的解决措施，对设计、制造、运行有一定的借鉴意义。

应力腐蚀；失效；抱夹；ZHPb59－1

ZHPb59－1中Cu含量为58%～63%、Zn含量约为40%、Pb含量为0.5%～2.5%，具有一定的强度、硬度和良好的铸造性能，特别是具有优异的切削性能〔1－2〕。目前， 国内主变桩头的抱箍线夹(后称抱夹)多采用ZHPb59－1材质，一般采取金属型铸造工艺，铸造温度在850℃左右，铸造后的产品需经过退火处理，退火温度区间为500～600℃，保温6 h；但ZHPb59－1黄铜的性能与铸其造工艺如配料、搅拌、退火等密切相关，且有一定的应力腐蚀倾向，易产生断裂等问题〔3－6〕。 近年来，湖南电网近年来发生多起因ZHPb59－1抱夹断裂而导致的主变故障，本文分析了其典型的金属失效行为，并提出了相应的解决措施，可以对设计、运行及金属监督提供参考。

1 主变黄铜抱夹典型失效原因

1.1 材质缺陷

2012年10月17日，某110 kV变电站2号主变 (型号:SSZ10－31500/110)进行例行试验中发现10 kV桩头A，C相抱夹开裂，失效抱夹的开裂部位位于连接螺栓的抱耳根部，见图1。

此类抱夹设计材质为ZHPb59－1，对此类失效抱夹进行成分检测，发现其含有大量的Cu和Zn，同时还有少量的Pb和Sn，具体数据见表1。根据参考文献 〔7〕中铅黄铜的牌号规定，Pb含量最高为2.5%，由表1可知，此类失效抱夹合金中Pb含量严重超标，不合格。

图1 失效抱夹的形貌

表1 第一类失效抱夹成分检测 %

对此类失效抱夹进行金相显微组织检测，具体见图2，可知其主要相组成为条状α和基体β相，另在晶界处存在大量的第三相单质 Pb。Pb在Cu－Zn合金中的固溶度很小，其主要存在于固溶体的晶界处，晶界处的单质Pb硬度很低，具有很强的润滑和减磨作用，可使合金具有极高的切削性能，但是此类抱夹中由于Pb含量超标，曾连续网状分布，导致晶界弱化，使合金的力学性能下降，易在螺栓紧固力的作用下产生断裂，合金中Pb含量超标是此类失效线夹断裂的主要原因。

ZHPb59－1中Pb超标可能由以下原因引起:①配料过程中对各合金的配比不正确；②熔炼炉中溶液未及时搅拌，黄铜在铸造过程中，由于Cu，Zn，Pb等元素的比重不一样，会存在溶液中Pb元素向熔炼炉下部沉积，若铸造过程中对溶液未及时或有效搅拌，可能导致下部溶液的Pb元素含量较高，产生同炉生产的部分产品出现Pb含量超标的问题。

图2 第一类失效抱夹金相显微组织

1.2 应力腐蚀

2013年5月，某110 kV变电站2号主变进行检查中发现35 kV桩头A，B，C三相抱夹均开裂，2013年7月，另发现110 kV变2号主变10 kV低压桩头B相抱夹开裂，2台主变由同一厂家生产，抱箍线夹设计材质为ZHPb59－1。

第二类失效线夹的开裂部位处于抱耳中部，裂纹沿轴向延伸，其方向与接触导电杆所受的应力方向一致，见图3。同时桩头螺孔处存在轴向小裂纹，且已贯穿至外表面，见图4。

图3 第二类失效抱夹形貌图

图4 第二类失效抱夹螺孔处裂纹形貌

此类失效抱夹的断口宏观形貌如图5所示，裂纹断口平齐，未见明显的裂纹源，属典型的脆性断裂，同时结合微观断口形貌，见图6，断口有一定的台阶，属典型的沿晶断裂。

图5 第二类失效夹断口的形貌图

图6 第二类失效夹微观断口的形貌

对此类失效抱夹进行成分检测，具体数据见表2，符合参考文献 〔7〕的标准规定。

表2 第二类失效抱夹成分检测 %

对此类失效抱夹进行金相显微组织检测，如图7所示，其主要相组成为条状及棒状的α相和黑色的基体β相，但该组织不均匀，部分α相较粗大，呈团絮状。不均匀组织的存在说明该抱夹未进行退火处理或退火不充分，铸造后的线夹由于各部位的冷却速度不一致，其内部组织存在差异，并且有较大的内应力，需进行充分的退火处理来调整其组织及应力状态，通常ZHPb59－1黄铜的退火工艺为500～600℃，保温6 h。

同时对裂纹处的微观组织进行观察，可以看出裂纹曾典型的沿晶裂纹形貌，如图8所示。

图7 第二类失效抱夹金相显微组织

图8 第二类失效抱夹裂纹处金相组织

为进一步分析该类抱夹失效的原因，对其备品进行了检测。根据YS/T814—2012《黄铜制成品应力腐蚀试验方法》，采用浓度为140 g/L氨水溶液，温度 (25±1)℃，试验时间8 h，并对其进行了模拟安装，两侧螺栓的紧固力矩为45 kN·m。

对经过氨熏试验后的此类抱夹进行渗透探伤试验 (PT)，其表面形貌如图9所示，可看出表面存在较多裂纹，由端部发展的裂纹较粗大，且裂纹较深，已深入至壁厚的约1/2处。

图9 第二类失效抱夹渗透探伤后裂纹形貌

对裂纹处的的微观组织进行SEM观察，见图10可知裂纹也属于典型的沿晶裂纹。根据YS/T814—2012标准要求，当氨熏试验后试样表面有裂纹，应判定为不合格。

通常采用人工进行冷补料摊铺，摊铺时可根据坑槽面积、冷补料密度与松铺系数粗略计算冷补料用量，应尽量避免材料的浪费。冷补沥青混合料具有初期强度较低的特点，为避免其产生车辙，摊铺过程中应注意：若在夏季或冷补料储存时间要求较短的情况下施工，可适当减少冷补料中稀释剂用量；松铺系数的选取应保证冷补料修补后高出原路面2～3cm；若坑槽深度大于5cm，则修补时应以3～5cm为一层，分层摊铺并逐层压实。

图10 裂纹SEM形貌

应力腐蚀破裂是指金属材料在特定介质中与拉应力的同时作用下所产生的一种破裂现象，简称应力腐蚀 (SCC)。通常应力集中的部位成为阳极而首先遭受腐蚀，在腐蚀的进程中，材料一般是先出现微观裂纹之后迅速扩展为宏观裂纹，微观裂纹一旦形成，扩展速度比其它的局部腐蚀快得多。应力腐蚀引起的部件失效往往无明显的预兆而突然发生脆性断裂.是危害性和破坏性最大的一类腐蚀。

铅黄铜具有良好的工艺性能和力学性能，但随Zn含量的增加，其应力腐蚀 (SCC)的敏感性增大，当Zn含量高于20%时，高Zn的α相以及β相对应力腐蚀十分敏感。ZHPb59－1黄铜的含Zn含量约为40%，所以其具有很强的应力腐蚀倾向。

主变抱夹若无应力存在，腐蚀很难向深处侵入。而主变抱夹由于退火工艺不合格，导致其内部应力未消除，且受到一定的螺栓紧固力，螺栓紧固应力沿抱耳周向分布，在周围介质 (如潮湿空气、腐蚀性气体、微量NH3或SO2)的作用下，腐蚀将沿应力分布不均匀的晶粒边界进行，并在拉应力作用下导致开裂，裂纹的发展方向垂直于所受的拉应力方向；同时拉应力促使腐蚀介质向内部侵入，使腐蚀裂纹向纵深发展，直至抱夹产生断裂。

1.3 其他缺陷

ZHPb59－1黄铜抱夹除存在以上缺陷外，由于金属型铸造工艺流程较长，且铸造过程受环境温度、湿度、操作水平的影响较大，其在铸造过程中不可避免的产生气孔、疏松、夹杂等缺陷；但目前无相关标准对其机械性能进行规定，造成了制造单位、使用单位均对其未引起重视，且一般未开展相关检测。

2 解决措施

为了避免ZHPb59－1等铅黄铜的以上问题，目前部分厂家采用了T2铜板材制备抱夹，效果良好。该类抱夹使用T2铜板材制造，在800℃对其进行冲压成型，并对成品进行镀锡处理，镀锡层厚度不低于12 μm。一般 T2铜板材的抗拉强度为 200 MPa，高于ZHPb59－1抱夹的设计强度150 MPa，且轧制的T2铜板材不易产生成分不合格、应力腐蚀等问题，也避免了由铸造工艺不规范引入的各种缺陷，可满足现场使用要求。

3 结论与建议

1)主变抱夹断裂的原因主要表现为ZHPb59－1的材质缺陷及应力腐蚀。

2)建议检修及运行过程中重点对ZHPb59－1黄铜主变抱夹进行排查，发现裂纹及时更换，

3)ZHPb59－1黄铜对应力腐蚀十分敏感，不宜作为抱夹材质使用，在设计制造环节中可选用T2铜材质的冲压型抱夹。

〔1〕陈丙璇，宋婧，钟建华.易切削黄铜耐磨耐腐蚀性能的研究〔J〕.铸造，2006，55(5):516-518.

〔2〕倪自飞，程巨强，刘志学.B变质对HPb59－I黄铜组织细化的影响 〔J〕.特种铸造及有色合金，2007，27(1):70-71.

〔3〕朱志平，陈天江，吴志宏.某热电厂凝汽器铜管汽侧腐蚀原因分析 〔J〕.材料保护，1998，31(12):31.

〔4〕中国腐蚀与防护学会 《金属防腐蚀手册》编写组.金属防腐蚀手册 〔M〕.上海:上海科学技术出版社，1989.

〔5〕朱志平，杨道武，周琼花，等.凝汽器空冷区铜管汽侧腐蚀研究 〔J〕.腐蚀科学与防护技术，2005，17(2):101.

〔6〕曾荣昌，韩恩厚.材料的腐蚀与防护 〔M〕.北京:化学工业出版社，2006.

〔7〕GB 1176—1987铸造铜合金技术条件 〔S〕.北京:中国标准出版社，1987.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.010

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1008-0198(2015)01-0039-03

2014-04-23 改回日期:2014-11-18

国家电网公司科技项目 (项目编号:KG12K16004)