电流互感器铝合金法兰开裂失效分析

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(国网福建省电力有限公司 电力科学研究院, 福州 350007)

质量控制与失效分析

电流互感器铝合金法兰开裂失效分析

夏晓健,张孔林,林德源

(国网福建省电力有限公司 电力科学研究院, 福州 350007)

某福建沿海地区用于电流互感器的铝合金法兰发生多处开裂，采用宏观检验、化学成分分析、金相分析、扫描电镜以及能谱分析等方法对该法兰开裂原因进行了分析。结果表明：法兰开裂均起始于螺栓孔处，为在腐蚀介质和应力共同作用下发生的应力腐蚀开裂；法兰螺栓扭紧力高、服役环境氯离子含量高以及法兰所用铝合金材料应力腐蚀开裂敏感性高等是造成该法兰开裂的主要原因。最后针对法兰开裂原因提出了预防措施。

电流互感器; 铝合金; 法兰; 失效分析; 应力腐蚀开裂

铝合金具有耐蚀性能和力学性能良好以及密度小等优点，在电网电器设备中有着广泛的应用。但铝合金设备的失效时有发生，对电网的稳定安全运行造成了一定的影响。福建省某供电站在例行检修中发现某电流互感器法兰开裂，现场形貌如图1所示。该组法兰于2010年3月出厂，2010年12月22日投运。根据所提供的资料，该法兰材料为铝合金，设计使用寿命为10～15 a(年)，因此其服役时间远未达到预计的使用寿命。为了探究其开裂原因，笔者在开裂铝合金法兰上取样进行了检验和分析，并针对法兰开裂原因提出了预防措施。

图1 失效电流互感器法兰现场形貌Fig.1 The field morphology of the failed flange for current transformer

1 理化检验

1.1宏观检验

开裂法兰宏观形貌如图2所示,可见该法兰共有6个螺栓孔，其中3个螺栓孔开裂并横穿整个截面(图2中1，2，3所标注位置)。观察法兰断口和周围表面，可以发现：①断口无明显塑性变形痕迹，属于脆性断口；②断口上覆盖有灰白色和黑色的腐蚀产物，说明裂纹已存在较长时间,如图3所示。

图2 开裂法兰宏观形貌Fig.2 The macro morphology of the cracked flange

图3 法兰断口宏观形貌Fig.3 The macro morphology of fracture surface of the flange

1.2化学成分分析

在开裂法兰上取样，采用化学法对其进行化学成分分析，结果如表1所示。分析结果表明，该铝合金含有的合金元素主要有锌、铜、镁、铁、硅、锰等，其中铁和硅为铝合金中常见的杂质元素。由此判断，该法兰材料为Al-Zn-Cu-Mg系铝合金。

表1 开裂法兰化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 The chemical composition analysis resultsof the cracked flange (mass fraction) %

1.3金相分析

在开裂法兰上取样制成金相试样并用Keller试剂进行侵蚀，在光学显微镜(OM)下观察其显微组织形貌，如图4所示，可见铝合金晶粒形状不规则并多呈长条形。由此判断该法兰材料为铸态铝合金。

图4 开裂法兰显微组织OM形貌Fig.4 The OM morphology of microstructure of the cracked flange

图5 开裂法兰显微组织EBSD形貌Fig.5 The EBSD morphology of microstructure of the cracked flange

使用ZEISS EVO 18扫描电镜的电子背散射衍射(EBSD)模式对该金相试样进行观察，其显微形貌如图5所示，可见大量难熔金属间化合物沿晶界不连续分布。使用Oxford X-ray能谱仪对其进行分析，可知晶界上的析出相主要含有锌、铜、铁、镁、硅等元素，如表2所示。

表2 晶界第二相能谱分析结果(质量分数)Tab.2 The energy spectrum analysis results of the secondary particleson the grain boundary (mass fraction) %

1.4扫描电镜分析

1.4.1 断口分析

使用ZEISS EVO 18扫描电镜(SEM)对法兰断口形貌进行分析，结果如图6所示。由图6a)可以看出,断口呈沿晶冰糖状，由于该铝合金受到严重腐蚀，冰糖块状的棱角明显变钝并且出现蚀坑和蚀沟，与刘建华等[1]的研究相吻合。由图6b)可以看到,断口表面有腐蚀产物覆盖层，并且由于腐蚀产物脱水出现了龟裂现象。采用能谱仪对断口表面腐蚀产物进行分析，结果如表3所示，其中腐蚀性元素氯和硫的含量(质量分数)分别为2.02%和0.48%。

图6 法兰断口SEM形貌Fig.6 The SEM morphology of fracture surface of the flange: a) the intergranular morphology; b) the chapping morphology

1.4.2 裂纹分析

图7 断口附近区域裂纹扩展微观形貌Fig.7 The micro morphology of crack propagation of the area adjacent to the fracture surface: a) the SE morphology; b) the EBSD morphology

在法兰断口处及附近区域取样制成金相试样，在扫描电镜下对裂纹扩展形貌进行观察，结果如图7所示。由图7a)二次电子(SE)形貌可见,在断口附近存在裂纹，裂纹起源于有应力的表面(螺栓孔处)，沿晶界扩展。为了进一步分析裂纹成因及扩展机理，在高放大倍数下使用电子背散射衍射模式对断口附近区域进行观察。由图7b)可见，裂纹起源于腐蚀表面并且沿着晶界扩展，属于典型的晶间腐蚀。从裂纹的扩展形貌可以判断，该开裂法兰裂纹为应力腐蚀裂纹。

2 分析与讨论

通过以上理化检验结果可知，开裂法兰材料为Al-Zn-Cu-Mg系铝合金，属于可热处理强化铝合金，具有强度高的优点，但此类铝合金容易发生局部腐蚀，在应力作用下暴露在海洋或工业环境中易发生应力腐蚀开裂[2]。

法兰开裂均发生在紧固螺栓孔处，断口平整无塑性变形痕迹，具有明显的腐蚀特征。扫描电镜及能谱分析结果表明，断口表面覆盖较多腐蚀产物，并含有硫、氯等腐蚀性元素，断口附近裂纹萌生于受力表面并沿晶界扩展，这些均为典型的应力腐蚀特征。

应力腐蚀开裂是指材料在拉应力和特定腐蚀介质的共同作用下引起的低应力脆性开裂现象[3]。福建沿海地区大气环境中含有较高含量的氯离子，铝合金对氯离子的应力腐蚀开裂敏感性较高，构成了造成应力腐蚀开裂的环境因素。由于氧化膜与铝合金基体具有不同的延展性[4]，紧固螺栓在螺栓孔处造成拉应力导致氧化膜破裂，使内部铝合金暴露在腐蚀介质中。该铝合金含有较多的金属间化合物，并且沿着晶界分布，BIRBILIS等[5]的研究表明，Al-Cu-Mg-Zn铝合金中存在的金属间化合物有着比铝基体更高的腐蚀电位。因此在腐蚀介质中，该金属间化合物作为阴极，周围晶粒作为阳极，形成腐蚀原电池，从而产生沿晶界扩展的腐蚀通道，造成裂纹的沿晶扩展，最终导致断裂。由以上分析可知，开裂法兰具备应力腐蚀开裂的条件，再结合断口分析结果可以判断，该法兰失效模式为应力腐蚀开裂[6-8]。

3 结论及建议

(1) 该电流互感器用铝合金法兰开裂模式为应力腐蚀开裂。

(2) 应力腐蚀裂纹从法兰螺栓孔处萌生，螺栓紧固力是造成该处发生应力腐蚀开裂的主要因素，在许可的条件下，应尽量降低螺栓扭紧力。

(3) 福建沿海地区大气环境富含氯离子，在电器设备上应避免使用对应力腐蚀开裂敏感性较高的铝合金材料。

[1] 刘建华, 郝雪龙,李松梅,等.新型含钪Al-Mg-Cu合金的抗应力腐蚀开裂特性[J].中国有色金属学报,2010,20(3):415-419.

[2] 刘洋.铝合金应力腐蚀开裂的研究进展[J].北京联合大学学报(自然科学版),2006,20(1):31-35,44.

[3] 黄延.地铁车钩牵引梁应力腐蚀开裂机理[J].理化检验-物理分册,2014,50(7):483-486.

[4] 杜爱华,龙晋明,裴和中.高强铝合金应力腐蚀研究进展[J].中国腐蚀与防护学报,2008,28(4):251-256.

[5] BIRBILIS N, BUCHHEIT R G. Electrochemical characteristics of intermetallic phases in aluminum alloys[J]. Journal of the Electrochemical Society,2005,152(4):B140.

[6] 董重里,胡平,罗雪.高压隔离开关静触头铸铝夹板的断裂失效分析[J].机电工程技术,2017,46(2):76-78.

[7] 陈晓光,宋瑶,黄思俊.5083铝合金支架开裂失效分析[J].理化检验-物理分册,2014,50(2):145-148.

[8] 白明远,马海全,曲士昱,等.铝合金框开裂的失效分析[J].装备环境工程,2011,8(2):1-3.

FailureAnalysisonCrackingofanAluminumAlloyFlangeforCurrentTransformer

XIAXiaojian,ZHANGKonglin,LINDeyuan

(Electric Power Research Institute of State Grid Fujian Electric Power Co., Fuzhou 350007, China)

Multiple cracking was found on an aluminum flange used for the current transformer in coastal region of Fujian province. Means such as macro examination, chemical composition analysis, metallographic analysis, scanning electron microscope and energy spectrum analysis, and so on were utilized to investigate the causes for the cracking. The results show that all the cracks initiated from the bolt holes, and the failure of the flange was stress corrosion cracking (SCC) under the coaction of corrosive environment and stress. The high tightening force of the bolts, the high Cl-concentration of the service environment and the high sensitivity to SCC of the aluminum alloy were the main causes for the cracking of the flange. Finally, preventive measures were put forward according to the cracking causes of the flange.

current transformer; aluminum alloy; flange; failure analysis; stress corrosion cracking

TG115

B

1001-4012(2017)10-0754-03

10.11973/lhjy-wl201710013

2016-09-27

夏晓健(1988-)，男，博士，工程师,主要从事材料腐蚀与防护研究，xia.xiaojian@gmail.com