220 kV变电站气体绝缘金属封闭开关设备操作机构碟形弹簧断裂分析

李文胜，董重里，胡平，王伟，林介东

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



220 kV变电站气体绝缘金属封闭开关设备操作机构碟形弹簧断裂分析

李文胜，董重里，胡平，王伟，林介东

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

摘要：通过宏观检查、金相试验、光谱分析、洛氏硬度试验、扫描电镜观察和能谱分析等试验，对一起220 kV变电站气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)操作机构碟形弹簧断裂的原因进行分析。结果表明，碟形弹簧断裂的原因可以推断是弹簧下表面外径边缘至U形凹槽的区域在制造过程中形成原始缺陷，此处存在应力集中现象，在使用过程中，裂纹扩展并最终导致弹簧断裂。此外，碟形弹簧的显微组织保留了明显的马氏体针状形态，还出现了少量的羽毛状回火贝氏体，这些特征表明弹簧在使用过程中较易发生脆性断裂。

关键词：变电站；气体绝缘金属封闭开关设备；碟形弹簧；断裂

碟形弹簧又名贝勒维尔弹簧垫圈，由Belleville于1867年在法国巴黎取得专利，广泛用于减震等工程应用中，国内外就其制定了成熟的技术标准和加工工艺[1-3]。碟形弹簧是利用金属板料或锻压坯料制成的截锥形截面的垫圈式弹簧，在轴向上呈锥形并承受负载。由于其刚度大，缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷，近年来越来越多的学者关注碟形弹簧在竖向隔震装置中的应用，并取得一定的研究成果[4-10]。碟形弹簧轴向空间要求小，因此常常用于电网变电站的高压开关上。不少研究者对碟形弹簧的性能进行了系列研究，有的研究结果显示，碟形弹簧在二次静压过程中会产生裂纹[11]。

近期，南方电网某220 kV变电站110 kV电压等级的气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear，GIS)操作机构的一片碟形弹簧出现裂痕。该GIS型号为ELK-04，其断路器操作机构配置采用弹簧储能液压操作机构。本文对断裂的弹簧进行宏观检查、光谱分析、洛氏硬度试验、金相试验、扫描电镜观察和能谱分析等试验分析，旨在寻找GIS操作机构碟形弹簧断裂原因，进而为变电站设备安全稳定运行提供技术储备。

1试验

1.1取样情况

对碟形弹簧断口进行宏观检查、扫描电镜形貌观察及能谱成分分析，对碟形弹簧上表面的中心处进行光谱分析及硬度试验，并在厚度方向切取金相试样，详见图1和表1。

注：1—4为试样编号。图1　GIS机构碟形弹簧取样示意图

表1取样情况

试样编号取样位置试验项目1断口扫描电镜形貌观察及能谱成分分析2断口扫描电镜形貌观察及能谱成分分析3碟形弹簧上表面光谱分析及硬度试验4碟形弹簧厚度方向切面金相试验及脱碳检验

1.2宏观检查

碟形弹簧的断口宏观形貌如图2所示。肉眼可见裂纹源区为碟形弹簧外径边缘至U形凹槽的区间。裂纹扩展的特征明显，裂纹从外径边缘绕U形凹槽沿着径向往内扩展，最终开裂区在内径边缘近U形凹槽处，图2清楚地展示了裂纹扩展特征。

图2　断口宏观形貌

图2展示了断口一侧的宏观形貌，而图3所示为断口另一侧的宏观形貌。图3示出了裂纹源区及裂纹扩展方向。通过肉眼可以观察到外径边缘至U形凹槽边缘之间有一条横向裂纹，裂纹自图示左下角往右上方扩展。由图3可见，裂纹呈现出放射性条纹的特征，放射性条纹的汇聚点为裂源。

图3　裂纹源区及裂纹扩展方向示意图

1.3光谱分析试验

据厂家提供资料，碟形弹簧材质为51CrV4，交货技术条件为DIN EN 10089—2002《淬火和回火弹簧用热轧钢材·交货技术条件》[1]。采用岛津PDA-7000型火花光电直读光谱仪对碟形弹簧试样进行材质分析。表2为试样的成分分析结果以及DIN EN 10089—2002对51CrV4的成分要求。由表2可见，试样的成分与设计牌号相符。

表2试样光谱分析结果

项目各成分的质量分数/%CSiMnPSCrV实测值0.470.240.970.010.000.970.11标准要求0.47～0.54≤0.400.70～1.10≤0.025≤0.0250.90～1.200.10～0.25

1.4洛氏硬度试验

用WHR-60D型全数显式洛氏硬度计对碟形弹簧试样进行硬度试验，试验载荷选取1 471 N，实测值为42.7HRC、47.3HRC、47.5HRC，GB/T 1972—2005规定50CrVA碟形弹簧热处理硬度在42HRC～52HRC。需要说明的是，DIN EN 10089—2002未明确规定碟形弹簧热处理硬度，而GB/T 1972—2005《碟形弹簧》[2]明确规定了碟形弹簧热处理硬度。DIN EN 10089—2002中的51CrV4可对应GB/T 1972—2005中的50CrVA，因此GB/T 1972—2005对50CrVA碟形弹簧热处理硬度规定可作为一个基本的评判依据。可见，试样的实测硬度符合GB/T 1972—2005规定的硬度范围。

1.5金相试验

将碟形弹簧断口沿厚度方向切开，取垂直弹簧表面的剖面试样，经镶嵌、磨制、抛光后用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀10 s，然后在Leica DMI3000M金相显微镜下观察。

图4所示为基体显微组织，可见组织为保留马氏体针状位相的回火托氏体，然而图4(b)中也可以观察到极少的区域还出现了羽毛状回火贝氏体。图5为断口附近的金相照片，可见微裂纹由断口往内部扩展。

(a)保留马氏体针状位相的回火托氏体

(b)出现少量羽毛状回火贝氏体图4　基体金相组织

图5　断口附近金相组织及微裂纹形貌

对弹簧表面脱碳层进行检验，结果如图6所示。需要说明的是，脱碳层试样取的是垂直弹簧表面的剖面试样，试样必须经镶嵌保护磨制。由图6可知，弹簧表面未见明显的脱碳层，从表面到基体未见明显的组织变化。

图6　表面金相组织

1.6扫描电镜及能谱分析

将断口放在盛酒精的烧杯中，用超声波清洗，然后在Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)下进行断口形貌观察。

图7为断口SEM形貌，可以观察到自外径边缘(右)往凹槽方向(左)延伸的一条横向裂纹，区域Z1为近外径边缘的表面处理层，Z2为横向裂纹分叉的基体区域。需要注意的是，裂纹在区域Z2开始一方面继续往左发展，一方面往上方发展，如图8所示。图8还示出横向裂纹分叉后的区域Z3，横向主裂纹的发展方向为：Z1→Z2→Z3。在图8所示的区域Z3中，除了横向主裂纹，还可以观察到多条二次裂纹，此外还观察到断口的微观形貌呈冰糖状，符合沿晶脆性断裂的特征。

图7　断口表面形貌

对断口基体和表面处理层进行微区能谱分析，结果如图9所示。通过能谱成分分析可知，基体选区未检测到异常的化学元素，未发现非金属夹杂物和偏析；表面处理层选区则检测到一定量的Al、Ca等元素。

(a)基体选区

(b)表面处理层选区图9　微区能谱分析结果

2讨论

2.1理化性能

光谱分析发现断裂的碟形弹簧材质与设计材质51CrV4相符。洛氏硬度试验发现弹簧的硬度符合标准要求。金相试验表明显微组织基本正常，为回火托氏体组织，保留了马氏体针状位相，然而也发现有少量的羽毛状回火贝氏体。这种组织一般具有较高的裂纹敏感性，是硬而脆的组织特征，在使用过程中发生脆性断裂的倾向较大[12]。

2.2断裂原因分析

碟形弹簧结构形式如图10所示，其特征是在弹簧的上表面靠近内径边缘处和下表面靠近外径边缘处加工有U形凹槽，弹簧在组合使用时采用支撑圈定位。然而在储能机构中，弹簧始终处于接近压平的状态[3]，这种情况下弹簧的X、Y区域(见图10)的工作应力很高，而且附近加工有U形凹槽，是弹簧容易开裂的部位。

图10　碟形弹簧结构形式

碟形弹簧的生产工序一般为：下料→锻造→机加工→热成型→热处理→强压处理→表面强化处理→表面防腐处理。碟形弹簧在生产过程中易发生裂纹，裂纹一般出现在强压处理后，部分出现在淬火或回火后，且裂纹发生的部位一般是在图10所示的上表面内缘(X区域)或下表面外缘(Y区域)。

结合扫描电镜分析的结果，进一步推断碟形弹簧断裂的内因：在制造过程中碟形弹簧表面预先形成裂纹，裂纹呈现横条状、平直的特征(见图7)，可能是在淬火时产生的微裂纹。

通过以上分析可以推断，碟形弹簧下表面外径边缘处(图10所示Y区域)在制造过程中形成裂纹等原始缺陷，在使用过程中U形凹槽附近应力集中的条件下，裂纹扩展并导致弹簧断裂失效。

3结论

a)碟形弹簧断裂的原因推断是弹簧下表面外径边缘至U形凹槽的区域在制造过程中形成原始缺陷，此处存在应力集中现象，在使用过程中，裂纹扩展并最终导致弹簧断裂。

b)碟形弹簧的显微组织保留了明显的马氏体针状形态，还出现了少量的羽毛状回火贝氏体，这些特征表明弹簧在使用过程中容易发生脆性断裂。

c)建议检修及运行维护过程中对碟形弹簧进行排查，发现表面处理层损坏或发现裂纹应及时更换。

参考文献：

[1] DIN EN 10089—2002，Hot-rolled Steels for Quenched and Tempered Aprings—Technical Delivery Conditions[S].

[2] GB/T 1972—2005，碟形弹簧[S].

[3] 朱龙标，沈子建，胡艺宾. 储能装置中高应力碟形弹簧的工艺研究[J]. 机械工业标准化与质量，2012(增刊1)：152-153.

ZHU Longbiao，SHEN Zijian，HU Yibin. Study on Technology of High Stress Disc Spring in Energy Storage Device[J]. Machinery Industry Standardization & Quality，2012(S1)：152-153.

[4] 荣强，程文瀼. 隔震层中设置碟形弹簧的竖向隔震研究[J]. 工业建筑，2006(36)：22-23.

RONG Qiang，CHENG Wenrang. A Study on Vertical Seismic Isolation of Isolation Layer with Disk Spring[J]. Industrial Construction，2006(36)：22-23.

[5] 熊世树. 三维基础隔震系统的理论与试验研究[D]. 武汉：华中科技大学，2004.

[6] 黄河. 三维复合隔震支座的蝶形弹簧试验与应用研究[D]. 北京：北京交通大学，2013.

[7] 张家云. 三维复合隔震支座及其在网壳结构中的应用[D]. 北京：北京交通大学，2014.

[8] 赵亚敏，苏经宇，周锡元，等. 碟形弹簧竖向隔震结构振动台试验及数值模拟研究[J]. 建筑结构学报，2008，29(6)：99-106.

ZHAO Yamin，SU Jingyu，ZHOU Xiyuan，et al. Shaking Table Test and Numerical Analysis of Vertical-Isolated Building Model with Combined Disk Spring Bearing[J]. Journal of Building Structures，2008，29(6)：99-106.

[9] 冯海龙. 碟形弹簧竖向减震装置的设计[J]. 山西建筑，2010(36)：72-73.

FENG Hailong. Design of Vertical Seismic Isolation Device by Disk Spring[J]. Shanxi Architecture，2010(36)：72-73.

[10] 王晓波. 碟形弹簧的力学性能研究[D]. 郑州：郑州大学，2007.

[11] 荀环，尹祖成，杨阔飞. 碟形弹簧产生裂纹原因分析[J]. 金属热处理，2005(30)：95-96.

XUN Huan，YIN Zucheng，YANG Kuofei. Failure Analysis for Cracked Disk Spring[J]. Heat Treatment of Metals，2005(30)：95-96.

[12] 崔忠圻. 金属学及热处理[M]. 北京：机械工业出版社，1996.

李文胜(1984)，男，湖南湘乡人。工程师，工学博士，从事电网金属监督和理化检验技术研究。

董重里(1972)，男，河北秦皇岛人。高级工程师，工学硕士，从事电网金属监督和材料表面工程工作。

胡平(1973)，女，安徽芜湖人。高级工程师，工学博士，从事电网设备材料和理化检验技术研究。

(编辑彭艳)

Analysis on Belleville Spring Fracture of Controlling Gear of Gas Insulated Switchgear in 220 kV Substation

LI Wensheng, DONG Zhongli, HU Ping, WANG Wei, LIN Jiedong

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

Abstract：This paper analyzes reasons for Belleville spring fracture of controlling gear of gas insulated switchgear in 220 kV substation by experiments of microscopic test, metallographic test, spectral analysis, Rockwell hardness test, scanning electron microscope observation, energy spectrum analysis, and so on. Results indicate that reasons for Belleville spring fracture may be deduced for original defect of the area along the edge of external diameter of the lower surface of the spring to the U-shaped groove in manufacturing process where exists stress concentration, and in use procedure, cracks extend and finally cause spring fracture. In addition, microscopic structure of the Belleville spring keeps obvious martensitic acicular form and there is a little featheriness tempered bainite, which indicates that brittle fracture is easy to occur on the spring in use procedure.

Key words：substation; gas insulated switchgear; Belleville spring; fracture

作者简介：

中图分类号：TG142.41

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)02-0116-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.023

基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目(GDKJ00000081)

收稿日期：2015-09-21修回日期：2015-11-16