一例隔离开关拉杆关节轴承的分析研究

程 翔, 陈国宏, 王若民, 吕 爽, 方振邦, 李雪琪

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601;2.安徽新力电业科技咨询有限责任公司，安徽 合肥 230601;3.国网池州供电公司，安徽 池州 247100)

0 前言

在变电站设备中，隔离开关[1]的安全可靠性关乎电网安全运行，具有结构简单、方便操作等优点，在配合变电站切换运行方式、隔离电源进行电气设备检修时发挥重要作用。隔离开关产品质量受多方面因素的影响，在运行中存在着分合闸不到位、距合、距分、回路电阻超标、零部件表面锈蚀等所导致操作不灵、金属部件断裂等问题[2-4]，近年来由其产品质量[5]引发的电网安全问题越来越突出，危及着电网安全稳定运行。

关节轴承由于其结构紧凑、传动效率高等优势，广泛应用在变电站隔离开关中。然而近年来，变电站中隔离开关关节轴承断裂事故连续发生多起，次数和频率也越来越多，造成了一定的经济损失，因而，对隔离开关关节轴承的检测分析有很大的意义[6]。关节轴承因材质问题存在很大的安全隐患，如果不能得到及时正确的处理，会对电网的安全稳定运行造成严重的威胁，蒋庆云等人[7]对GW35-550DW型高压隔离开关万向节头轴套断裂情况研究发现，断裂原因在于制造工艺缺陷和材质不良，并针对高压隔离开关故障提出了提高高压隔离开关运行可靠性的意见和建议。郑晓琼等人[8]对GW22A-252型隔离开关小连杆万向节轴套断裂原因进行分析，其原因是其材质问题及制造工艺问题。

本文分析的某变电站220 kV线路上某一型号隔离开关拉杆关节轴承，其线路采用双母双分段接线方式。为了防止问题的关节轴承存在，在备品库中抽检同一批次的两只关节轴承(正、反各一只，分别编号为1号、2号样)进行检测分析。

1 检测与分析

DL/T 1424-2015《电网金属技术监督规程》标准中[9]规定要求，隔离开关主要金属部件的不锈钢材质部件宜采用锻造工艺，即该金属部件需要以不锈钢材质，用锻造工艺制备出来。不锈钢材质成分中碳(C)元素含量与其强度、硬度、屈服点、抗拉强度、塑性、韧性、钢的冷脆性和时效敏感性等均有关；硅(Si)元素起到还原剂和脱氧剂的作用，影响钢的弹性极限、屈服点、抗拉强度和焊接性能；锰(Mn)元素是钢中良好的脱氧剂和脱硫剂，对钢的淬性、热加工性能起到良好的促进作用；铬(Cr)元素能显著提高强度、硬度和耐磨性，同时降低塑性和韧性；镍(Ni)元素能提高钢的强度，使其保持良好的塑性和韧性；磷(P)和硫(S)元素一般情况下都是钢中的有害元素，增加钢的冷脆性、热脆性，降低塑性、韧性、延展性，对其焊接性能不利，降低耐腐蚀性能，需要严格控制。锻造工艺制备的金属部件能消除金属在冶炼过程中组织内部的铸态疏松等缺陷，优化其微观组织结构，其机械性能一般优于同样材料的铸件。因而需要对关节轴承的化学成分、金相组织及硬度值等进行检测分析。

1.1 化学成分分析

对两只关节轴承的表面各处理一个平面，用砂纸进行抛光，使用全定量光谱仪对其化学成分进行相关的分析，结果见表1。

表1 关节轴承的化学成分(质量分数wt%)

从表1中可以看出，该两只关节轴承的化学成分中的C元素含量出现明显的偏高现象，高于规定上限值的两倍以上，不符合相关标准对该不锈钢的技术要求；C元素含量偏高，一是导致关节轴承硬度值相应增大，同时塑性和韧性会存在一定程度的降低；二是C元素与其他合金元素易形成固溶体组织，即碳化物，从而导致钢的冷脆性和时效敏感性增加，同时也容易引起晶间腐蚀，降低其耐腐蚀能力。Ni元素含量略低于标准值，同样会导致关节轴承的塑性和韧性降低，增加脆性。

1.2 金相组织分析

铸态金属经锻造工艺加工后，粗大的树枝状晶经过塑性变形及再结晶后，变成等轴晶组织；组织中的缩孔、疏松、气泡等缺陷会被压实，组织的致密度得到提高，即金相组织应该具备锻造组织特征。分别在1号、2号样上截取金相试样，并经120#、240#、320#、500#号砂纸进行磨制处理，表面抛光处理后采用盐酸三氯化铁溶液进行腐蚀，在蔡司研究级倒置式金相显微镜上分布在100倍及500倍条件下观察1号、2号样的金相组织。金相组织照片如图1、图2所示。

图1 1号样金相组织照片

图2 2号样金相组织照片

从金相照片上可以看出，1号、2号样的金相组织均为奥氏体组织，但呈现树枝状的铸态组织结构，且晶粒粗大，组织不细密。500倍下视场可见晶界间存在显微疏松、晶间孔洞等缺陷。这表明该2只关节轴承未进行锻造工艺，不符合标准[9]中对该部件的规定要求。铸态组织结构的组织粗大，粗大的组织会导致该材料的综合力学性能降低，同时会扩大其冷脆区域，增大裂纹扩展趋势；组织中存在的显微疏松、孔洞等缺陷，容易引起应力集中，在该部件运行过程中会容易产生细小微裂纹，随着时间的推移进而会萌发形成沿晶裂纹，并最终存在断裂的风险。林德源等人[10,11]指出，关节轴承材质不良是造成其断裂的主要原因，制造工艺不当会使其在运行过程中容易萌生裂纹。

1.3 硬度检验分析

采用HBE-3000A型布氏硬度计在金相试样表面进行硬度试验，试验条件：负荷187.5 kgf、钢球直径2.5 mm、负荷保持时间15 s，每组试样测试三次硬度值，最后取平均值，试验结果见表2，结果显示，1号、2号试样的硬度值在177 HBW左右。

表2 关节轴承的硬度值(HBW)

2 结论与建议

通过对该两只库存关节轴承的检测分析发现，该批次关节轴承中的C、Ni元素含量不符合相关技术标准对304不锈钢的材质要求，且金相组织为铸态组织结构，晶界中存在有显微疏松，制造工艺不当，是采用铸造工艺加工而不是锻造工艺，不符合标准[9]对该部件的规定要求。材质不符合及制造工艺不当会使得该部件后续使用中容易出现裂纹等缺陷，并最终可能发生断裂，造成事故。基于此，建议对这批次的关节轴承在有条件的情况下进行全部更换处理，同时加强电网入库部件的监督检验工作，加强到货检测这一环节，并增加抽样送检工作，全面保障电网安全运行。