LW12-550型罐式断路器储气罐黄铜节流阀开裂原因分析

张艳飞，陈 浩，刘 俊，王英军

(内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，内蒙古 呼和浩特 010020)

高压断路器作为电力系统中重要的控制与保护设备，起到控制线路投切和开断短路电流的作用，其可靠性对电网安全稳定运行具有重要影响[1]。高压断路器由通断元件、中间传动机构、操动机构、绝缘支撑件和基座5个部分组成[2]。断路器对操作机构动作的可靠性要求极高，断路器的拒分、拒合及误动作都会给电网造成巨大的经济损失[3-5]。

按照驱动方式，断路器操作机构可分为电磁机构、气动机构、弹簧机构和液压机构等。其中，气动操作机构因其“动作快，操作平稳，直流电源功率小，短时失去电源仍能操作若干次”的优点被广泛应用[6]。由于气动操动机构要依靠压缩气体作为断路器分合闸的动力，所以断路器能否正常断合取决于供气回路能否保持其额定的压力。

1 设备概况

某超高压供电局LW12-550型罐式断路器储气罐的气动操作机构的黄铜节流阀元器件多次发生开裂漏气，导致储气筒压力下降，影响设备安全稳定运行。该型号断路器于2011年12月出厂，储气罐连接到气动操作机构的黄铜节流阀元器件，属于气动机构中的配件，其工作压力为1.60 MPa。

2 试验检测

2.1 化学成分分析

在黄铜节流阀上取样，依据YS/T 482—2005《铜及铜合金分析方法 光电发射光谱法》，利用SPECTROLAB型台式直读火花源原子发射光谱仪对节流阀材质进行分析。

对黄铜节流阀取样进行化学成分检测，检测数据如表1所示。结果表明，节流阀材质属于铅黄铜，按照铅、铁含量要求严重超标，材质纯净度很差，含铜量严重不足。

表1 黄铜节流阀化学成分分析结果 单位：%

2.2 裂纹形态观察

利用Hitachi扫描电子显微镜S3700及其Bruker能谱仪XFLash Detector 510综合测试系统对黄铜节流阀开裂形貌、开裂特征进行扫描观察，并对其腐蚀产物进行微区能谱分析。

黄铜节流阀沿外壁向内壁方向开裂，呈脆性开裂，如图1—图2所示。主裂纹附近存在大量微裂纹，如图3所示。主裂纹内存在腐蚀产物，如图4所示。

图1 黄铜节流阀裂纹形貌1

图2 黄铜节流阀裂纹形貌2

图3 节流阀主裂纹附近微裂纹

图4 节流阀主裂纹内的腐蚀产物

裂纹内部腐蚀产物主要以硫化物为主，如图5—图6所示。此外，黄铜节流阀裂纹附近外表面存在大量圆形腐蚀坑，坑下腐蚀产物同样也以硫化物为主。

图5 节流阀微裂纹腐蚀产物

图6 节流阀微裂纹腐蚀产物检测结果

如图7所示，节流阀裂纹分初始裂纹区和终断区2部分。初始断裂区为脆性开裂，裂纹内存在大量发纹状开裂，如图8所示。最终断裂区为韧性开裂，如图9所示。

图7 节流阀裂纹区微观形貌

图8 初始断裂区脆性断裂形貌

图9 最终断裂区韧性断裂形貌

2.3 显微组织观察

在黄铜节流阀上取样，按照YS/T449—2002《铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法》，利用型号为Axio Observer.Alm金相显微镜进行显微组织观察。黄铜节流阀显微组织为β+α(沿晶分布)，为黄铜过热组织，可导致黄铜强度、韧性均下降，如图10—图11所示。

图10 黄铜节流阀主裂纹微观形态

图11 黄铜节流阀显微组织形态

3 原因分析

黄铜节流阀材质属于铅黄铜，按照铅、铁元素含量要求其含量严重超标，材质纯净度差，含铜量严重不足，锌含量较多，易产生应力腐蚀倾向[7-10]。其次，黄铜节流阀显微组织为过热组织，导致黄铜强度、韧性均下降。另外，通过对初始裂纹形态SEM观察及微区成分EDS分析,黄铜节流阀初始开裂形式属于应力腐蚀开裂，腐蚀产物主要为硫化物；最终断裂形式为韧性断裂。

综合分析可以判定，由于黄铜节流阀材质含铜量严重不足，锌含量较多，产生应力腐蚀倾向，在硫化物及应力联合作用下，外表面发生应力腐蚀开裂，并逐渐扩展，使得有效承载面积减小，最终在内部工作压力作用下，发生韧性开裂。

4 结论

a.黄铜节流阀开裂的主要原因是外表面发生应力腐蚀，并逐渐扩展，使有效承载面积减小，最终在内部工作压力作用下发生开裂。

b.建议对黄铜节流阀进行去除应力退火，并选用材质纯净度高的黄铜来制造节流阀。

c.建议查找黄铜节流阀硫腐蚀环境来源，改善其制造环境或服役环境。