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          瀏覽:- 發布日期:2021-12-08 09:43:19【

          孫明道1,田金濤2,肖鶴旋1,劉曉鋒1

          (1.平高集團河南平芝高壓開關有限公司,平頂山 467013;

          2.平高集團河南平高電氣股份有限公司,平頂山 467001)

          摘 要:某批次35CrMo合金鋼252kV 氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)機構電鍍鋅止動螺栓在合閘試驗調節中發生斷裂失效,通過化學成分分析、斷口分析、硬度測試、氫脆評估試驗、金相檢驗等方法對螺栓斷裂原因進行了分析.結果表明:該止動螺栓斷裂是由氫脆造成的,而止動螺栓發生氫脆斷裂是由螺栓電鍍鋅后去氫工藝不當造成的.最后提出了預防螺栓氫脆斷裂的改進措施.

          關鍵詞:止動螺栓;斷裂;氫脆;失效分析

          中圖分類號:TG115;TH131 文獻標志碼:B 文章編號:1001G4012(2018)08G0602G05

          某 252kV 氣體絕緣金屬封閉開關設備(GasInsulatedSwitchgear,GIS)智能變機構進行出廠機械特性試驗,操作200次后,發現 GIS的斷路器三相合閘時間均不在管理值范圍(75~100ms)之內.使用5N??m 力矩扳手緊固調節機構的合閘時間螺栓,第一次調整未能達到管理值要求,再次進行調整時發現 C相合閘調整螺栓松動,擰出螺栓發現已經斷裂,斷裂螺栓形貌如圖1所示.斷裂帶孔止動螺栓為東芝進 口 螺 栓,規 格 為 M6×30,強 度 等 級 為45H,材料為35CrMo鋼,要求表面處理工藝為電鍍鋅(F51E2B)并進行去氫處理(P10F1).為查明該螺栓斷裂失效的原因,筆者通過一系列理化試驗方法,對斷裂的螺栓及同規格螺栓進行了檢驗和分析,并提出了相應的預防措施.

          1 理化檢驗

          1.1 化學成分分析

          對斷裂螺栓基體取樣,采用島津 PDA7000 型直 讀光譜儀進行化學成分分析,結果見表1.可見該斷 裂 螺 栓 的 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T3077-2015«合金結構鋼»對35CrMo鋼成分的技術要求.


          1.2 宏觀分析

          GIS機構拆解下的帶孔止動螺栓尚未完全斷裂分離,如圖1a)所示.用手將最后連接部分扯斷,目視上下斷口并無較大差別,斷口較為平整.采用基恩士 VHXG500型數碼顯微鏡觀察斷口,如圖1b)所 示,斷裂起始于螺牙底部,螺栓斷裂前受到拉應力作 用,斷裂由螺牙底逐漸擴展到整個斷面,直到最終斷 裂,斷口處無明顯塑性變形,且斷面與軸線垂直,呈 脆性斷裂特征.

          1.3 斷口微觀分析

          止動螺栓斷口經丙酮反復清洗后,利用日本電子JSMG6510A 型掃描電鏡(SEM)觀察圖1b)中螺栓斷口的斷裂源、擴展區、終斷區的顯微形貌,結果如圖2所示.圖2a)為斷裂源處的沿晶斷裂形貌,斷口以典型的沿晶冰糖狀形貌為主;圖2b)為斷裂源處沿晶斷裂晶面的形貌特征,可見晶面上分布有雞爪紋理;圖2c)為斷口心部的擴展區微觀形貌,可見存在晶間二次裂紋并伴隨有微孔;圖2d)為終斷區的混合斷裂形貌,斷口上分布有韌窩并伴隨有沿晶斷裂.斷口微觀分析結果表明,止動螺栓斷口呈現典型的氫脆斷裂特征.


          1.4 維氏硬度測試

          使用 HVG5型顯微硬度計對斷裂止動螺栓表面及心部硬度進行測試,試驗載荷為4.9N(500gf),加載時間為10s,結果如表2所示.可見螺栓的表面和心部硬度均符合JISB1053-1999«用碳鋼和合金鋼制成的緊固件的機械特性 第5部分:不低于拉伸強度的緊固螺釘和類似緊固螺釘»對45H 強度等級螺栓的技術要求。


          1.5 氫脆評估試驗

          1.5.1 扭轉強度試驗

          根據JISB1053-1999中6.3款力學性能中的強度試驗方法,從同一批次螺栓隨機抽?。布?正常運行設備上拆掉其他批次的螺栓1件,進行扭轉試驗.試驗按JISB1053-1999中的圖3進行.標準要求規格 M6、強度等級45H 的螺栓能承受8.5N??m力矩,試 驗 結 果 表 明 同 批 次 的 2 個 螺 栓 在 承 受8.5N??m力矩時均發生斷裂,而設備上正常使用的螺栓能夠承受8.5N??m 力矩,未發生斷裂,表明本批次螺栓強度不能滿足規格 M6、強度等級45H 的扭轉載荷試驗要求.當螺栓中氫含量達到一定程度時,螺栓極限載荷會有所降低[1],觀察螺栓斷口平齊,為脆性斷口,由此判斷本批次螺栓存在氫脆的風險.

          1.5.2 慢應變拉伸試驗

          分別取同一批次 M6螺栓2件和其他批次正常使用的 M6螺栓1件,進行慢應變拉伸試驗,快速對其抗氫脆性能進行評估[2G3].采用美特斯工業系統CMTG5105型微機控制萬能試驗機對螺栓進行慢應變 拉 伸 試 驗,試 驗 條 件 如 下:拉 伸 速 率 為0.02mm??min-1,應變速率為 10-4 s-1.慢應變拉伸試驗結果見表3,試驗曲線如3a)所示.由圖3a)可見:同批次螺栓1號和2號均在屈服前斷裂,呈脆性斷裂,不存在明顯的屈服;3 號螺栓則為韌性斷裂,存在明顯的屈服.3號螺栓的抗拉強度大于1號和2號螺栓的,這是因為隨著螺栓中氫含量的增加,其抗拉強度隨之降低,并發生脆性斷裂[1].通過掃描電鏡對3個慢應變拉伸斷口進行觀察:1號和2號螺栓斷口平整,其微觀形貌呈冰糖狀的沿晶斷裂,如圖3b)和 圖 3c)所 示;與 斷 裂 螺 栓 斷 口 形 貌 相 似,1號和2號螺栓沿晶斷裂面上也分布有雞爪紋理,局部存在 沿 晶 二 次 裂 紋 并 伴 有 微 孔,如 圖 3d)和圖3e)所示;3號螺 栓 斷 口 形 貌 如 圖3f)所 示,斷 口上有大量韌窩,屬于韌性斷裂.慢應變拉伸試驗結果表明,本批次螺栓存在嚴重的氫脆風險.

          1.6 金相檢驗

          1.6.1 非金屬夾雜物檢驗

          對斷裂的螺栓縱向取樣,經磨制、拋光后使用OLYMPUSGX51 型金相顯微鏡觀察螺栓拋光態下的非金屬夾雜物及缺陷情況.結果表明:螺栓拋光態下放大100倍心部未見明顯非金屬夾雜物及帶狀偏析.


          1.6.2 脫碳層檢驗

          將斷裂螺栓沿軸向剖開,制備金相試樣,進行螺紋脫碳層檢驗.經磨制、拋光后用4%(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕,使用 OLYMPUSGX51型金相顯微鏡進行觀察,螺紋處顯微形貌如圖4所示.根據JISB1053-1999中金相法測定螺栓脫碳層的規定,測得螺紋未脫碳的高度 E=0.498 mm(技術要求E≥0.459mm),螺紋全脫碳層深度G=9.38μm(技術要求 G≤15μm),螺紋脫碳層檢驗結果符合JISB1053-1999技術要求.


          1.6.3 顯微組織檢驗

          選取斷裂的螺栓和慢應變拉伸試驗斷裂的3號螺栓,進行顯微組織比較.對兩個螺栓進行橫向取樣,經磨制、拋光后用4%(體積分數)硝酸酒精溶液侵蝕,通過 OLYMPUSGX51型金相顯微鏡進行觀察.如圖5所示,二者顯微組織基本一致,均為回火索氏體,其中斷裂螺栓中還有少量塊狀鐵素體,為正常調質熱處理顯微組織[4G5].

          2 綜合分析

          以上理化檢驗結果表明,斷裂止動螺栓的化學成分、硬度、顯微組織均符合相關標準技術要求.斷口分析結果顯示,斷裂螺栓斷口宏觀上無明顯塑性變形,斷面平整,斷口微觀形貌以冰糖狀沿晶斷裂為主,并且在沿晶斷裂面上有大量雞爪紋理,晶面上有微孔并且伴有晶間二次裂紋,呈典型氫脆沿晶斷裂特征.螺栓氫脆評估試驗結果表明,斷裂批次螺栓存在嚴重的氫脆風險.螺栓產生 氫 脆 主 要 與 鋼 中 氫 含 量 過 高 有 關,