汽轮发电机定子出线罩柔性连接失效分析

吴双辉，霍 岩

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

大型汽轮发电机定子端部主引线受机组模态固有频率的影响，不可避免的会发生电磁力振动[1-2]，在复杂工况运行条件下往往更有可能产生二倍频，从而产生更大的电磁扰动。柔性连接在此过程中起到了至关重要的作用，会吸收振动过程中产生的能量。但是，在长时间运行的条件下，较大的振动力会引起柔性连接发生振动失效破坏，这对柔性连接的疲劳性能是一个考验[3]。

某汽轮发电机组在2010年并网发电，2017年检修时发现定子主引线柔性连接发生不同程度的失效破坏。以面向励端为基准面，U1相的六根柔性连接中，前左方上侧整体断裂，断口陈旧，无电腐蚀痕迹；前中方上侧中间部分有裂纹。W1相的六根柔性连接前右方下侧整体断裂，断口陈旧，未见明显电腐蚀痕迹。

柔性连接为多层0.5厚的薄铜带弯型而成(材质为JIS H 3100C1020P-1/4H薄铜带)，两端夹持部分用电阻钎焊进行焊接，表面镀银，柔性连接。为找出柔性连接失效原因，对其化学成分、力学性能、金相组织、断口进行综合性分析。

图1 定子主引线柔性连接失效实物

1 理化检验与分析

1．1 化学成分

采用直读光谱仪对柔性连接的上表层、中间层、下表层三层薄铜带进行化学成分分析，检验结果见表1，可以看出，结果满足JIS H 3100 C1020材质要求。

表1 化学成分 %

1．2 力学性能

由于中间部位Ω弯实测长度仅为200 mm左右，因此仅能进行拉伸、硬度、弯曲性能试验，拉伸试样采用JIS Z 2201《金属材料抗拉试验用试样》中5号试样见图2，检验结果见表2。下表层性能结果满足JIS H 3100 CP1020-1/4H的要求，中间层和上表层性能略低于JIS H 3100 CP1020-1/4H的要求。

图2 断裂的拉伸试样(上表层、中间层、下表层)

表2 力学性能

上表层、中间层和下表层母材拉伸试样断口微观形貌如图3所示，均可观察到明显的韧窝，Ω弯母材断口均为韧性断口，说明母材的韧性较好。

图3 拉伸微观断口形貌

1.3 金相组织与硬度测试

对中间Ω弯母材、断裂区附近分别取样进行金相组织分析，经镶嵌、粗磨、精磨、抛光后，采用氯化高铁酒精溶液腐蚀，如图4所示。中间Ω弯母材金相组织全部为α相，晶粒度尺寸为0.028 mm，属完全再结晶退火组织，满足JIS H 3100 C1020的晶粒度要求(≤0.050 mm)。断裂区附近金相组织α相晶粒尺寸无异常。

1．4 硬度

对中间Ω弯母材、断裂区附近进行硬度测试：中间Ω弯母材硬度：HV67．5、HV68．9、HV67．6；断裂区附近硬度：为HV66．2、HV62．5、HV65．3，说明断裂区附近的性能无明显的减弱。

2 断口分析

2．1 断口宏观分析

如图5(a)所示为W1相柔性连接断裂实物照片，可以看出断裂位置位于左侧夹持部位焊接区与未焊接区域的水平过渡区(以下简称过渡区)，断口无宏观的塑性变形(图5(b))，右侧水平过渡区中间层薄铜带同样发生了断裂(图5(c))，从断口正面的宏观形貌可以看出，断口平齐，表面较光亮，上表层腐蚀痕迹明显。

2．2 微观断口分析

对断口中间层形貌较清晰的部位进行取样，采用超声波清洗去除表面油污及污染物，采用S-3700扫描电镜对断口进行微观形貌观察，断口大部分区域可观察到岩石状花样(图6(a))，在局部区域可观察到疲劳辉纹特征(图6(b))，整个断口表现为疲劳断口的形貌特征[4]。

图4 母材、断裂区金相组织

图5 W1相柔性连接断裂实物

图6 薄铜带断口微观形貌

对断口表面的腐蚀产物进行能谱分析，分析结果表明表面污染物为含C、O、Si、Cu的复合化合物，见图7和表3，不含K、Na、Ca、Mg、Cl等腐蚀性元素，排除了腐蚀失效的可能。

图7 能谱分析

元素COSiCuwt%4.822.482.3390.37At%19.477.514.0368.99

3 断裂原因分析

3．1 腐蚀因素的影响

对断口表面的腐蚀产物进行能谱分析，结果可以看出，表面污染物为含C、O、Si、Cu的复合化合物，不含K、Na、Ca、Mg、Cl等腐蚀性元素，说明腐蚀不是造成失效的原因。

3．2 原材料因素

上表层、中间层、下表层铜带化学成分满足标准要求，金相组织无异常，上表层和中间层的力学性能实测结果虽略低于标准值要求，但柔性连接并没有在母材处断裂，而是断裂在电阻焊接头与母材之间的过渡区，说明材料本身是可以满足实际使用要求的，材料因素不是引起失效的原因。

3．3 制造工艺

该柔性连接端部采用电阻钎焊制造成型[5]。部件的水平过渡区晶粒尺寸无异常，经硬度测试后与母材相当，说明电阻焊制造工艺得当，制造因素不是引起失效的原因。

3．4 运行环境

柔性连接在工作过程中由于机组扰动的作用而受到反复的拉压、弯曲载荷的作用，在长期运行的过程中交变载荷作用使得柔性连接在过渡区应力集中处受到交变载荷的作用而发生疲劳破坏。

4 结论

柔性连接失效排除了腐蚀因素、原材料因素、制造工艺因素的原因，是由于在长期的运行过程中机组扰动产生交变载荷作用使得过渡区应力集中处优先萌生裂纹继而发生疲劳破坏。