电缆GIS终端铝法兰裂纹失效分析_董重里

收稿日期：2012－10－30摘要：针对电缆GIS终端铝法兰的裂纹失效，对电缆GIS终端铝法兰进行渗透探伤、金相检验、扫描电镜和能谱分析。实验结果表明该裂纹缺陷是铝合金的应力腐蚀裂纹。关键词：电缆GIS终端；铝法兰；应力腐蚀；失效分析中图分类号：TM2文献标识码：A文章编号：1009－9492(2012)12－0024－03FailureAnalysisonCracksforAluminumFlangeofCableGISTerminalDONGZhong-li1，WUKai-yuan2，HEWen3（1.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCorporation，Guangzhou510080，China；2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510640，China；3.DongguanPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCorporation，Dongguan523008，China）Abstract:Theexperimentofpenetrationtesting，metallographicexamination，scanningelectronmicroscopeandenergyspectrumanalysiswasfinishedforthefailureofcableGISterminalaluminumflange.Theresultsoftheexperimentdemonstratethatthedefectofcracksisstresscorrosioncrackofaluminumalloy.Keywords:cableGISterminal；aluminumflange；stresscorrosion；failureanalysis电缆GIS终端铝法兰裂纹失效分析董重里1，吴开源2，何文3（1.广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；3.广东电网公司东莞供电局，广东东莞523008）DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2012.12.0080引言电缆GIS(GasInsulatedSwitchgear)终端是安装在气体绝缘封闭开关设备内部以SF6气体为外绝缘的气体绝缘部分的终端。铝法兰的作用是用于固定电缆GIS终端，确保GIS仓密封作用。某供电局巡检和此后开展的专项金属检验发现110kV电缆GIS终端的铝法兰检测发现裂纹缺陷，存在裂纹的铝法兰均为固定GIS终端的铝制大法兰。为了弄清铝法兰裂纹形成的原因并防止铝法兰在以后服役过程中出现类似的裂纹现象，对铝法兰裂纹的形成进行了研究和分析。1理化检验1.1裂纹宏观分析和PT探伤对电缆GIS终端铝法兰部件的宏观形貌进行观察，发现两处明显裂纹，如图1所示。用DPT-5型渗透探伤剂对已经拆下的部件进行渗透探伤，再发现肉眼无法辨别的3处裂纹，如图2所示。PT探伤表明该裂纹与初次所列裂纹长度和走向均一致。通过PT探伤并不能确定裂纹的深度，但是可以判断裂纹还有继续扩张的趋势，如图3所示。1.2裂纹表面腐蚀介质微区成分检验对裂纹表面的腐蚀物和腐蚀产物进行分析，图1不同角度的裂纹宏观照片电力电网机电工程技术2012年第41卷第12期24图4是裂纹的SEM照片和微区能谱成分分析。图4中白色部分的团块是腐蚀介质吸附相，沿着裂纹的走向相伴分布，微区成分显示伴有一定比例的硫和氯等腐蚀性介质。1.3金相检验把裂纹以及裂纹附近区域，镶样后磨制成金相试样，在金相光学显微镜下进行分析，发现裂纹的扩展是沿着晶界进行的，少量位置存在着穿晶现象，如图5所示。部分位置的晶粒之间交界区域已经存在微裂纹（剥蚀坑），尚未启裂（或者说微裂纹尚未连接到一起形成宏观裂纹），显示为体积型缺陷，末端为圆弧形而非尖锐性，如图6所示。也发现有部分微裂纹（剥蚀坑）已经连接在一起形成裂纹，此时其末端为尖锐形状，晶粒交界之间的位置已经呈现开裂现象，如图7所示。图2PT探伤发现的裂纹（右图是左图箭头所指位置的放大图）图3裂纹照片图4裂纹的SEM照片和微区能谱成分图5裂纹的走向图6交界区尚未启裂ElementCKOKFeLNaKMgKAlKSiKSKClKMatrixWt%02.2636.7502.6301.2301.5518.4530.7305.5300.87CorrectionAt%04.0749.6701.0201.1601.3814.7923.6603.7300.53ZAF图7远离裂纹但是晶界交界区域已经开裂电力电网董重里等：电缆GIS终端铝法兰裂纹失效分析25（下转第80页）1.4SEM扫描电镜检验对金相照片中疑似区域进行SEM分析，晶粒中间位置的微区成分如图8所示，该合金由铝镁和锌三种元素组成，为铝合金正常成分。晶界微区成分如图9所示，图9中白色网状分布的物质中含有一定比例的铁元素，从能谱检验照片可以判断为晶界间的析出相，该类型的析出相且具有一定的体积。沿着晶界呈现断续的分布，为腐蚀性介质优先腐蚀的界面和裂纹沿晶扩展的通道[1]。2裂纹成因分析鉴于裂纹存在于铝法兰的外表面圆周棱部和螺栓孔表面棱部。虽然裂纹没有最终形成断口，无法找到裂纹的起始位置，但是从受力的角度可以判断出虽然该部件仅仅起到固定的作用，但是分析该部件的受力状态和结合制造过程中容易产生一定的残余内应力的情况，该工件局部有一定强度的应力。根据图4中SEM微区能谱分析，可以得出裂纹表面的腐蚀介质中存在氯和硫等腐蚀性介质存在，结合该部件具有一定强度的应力，可以分析出该裂纹是在腐蚀性介质和一定的应力作用下产生的，应该属于应力腐蚀性裂纹。下面从微观的角度阐述一下裂纹形成的微观机理[1]。首先，铝合金的晶粒间存在容易发生腐蚀的阳极相，图9显示晶间析出物为铝和铁，而晶粒中间位置的微区成分则以铝为主，因此，腐蚀裂纹优先沿晶扩展，晶界形成连续的腐蚀通道，发生晶间腐蚀。在晶间腐蚀过程中，由于腐蚀产物的体积膨胀，在晶界发生“楔入效应”而产生张应力，结果导致沿晶裂纹的形成和扩大，如图10所示。其次，铝合金在含有氯和硫等腐蚀性介质的环境中易产生晶界腐蚀[2]，并造成沿晶界的剥蚀（剥蚀坑可以从图6中找到）。剥蚀坑可视为类裂纹，剥蚀坑在高倍显微镜下显示为体积型缺陷，然而剥蚀坑端部是圆弧形而非尖锐类型，或可以作为裂纹源。由于此处显著的缺口效应而导致很大的应力集中[1]，在动应力和点蚀孔内腐蚀介质的联合作用下，首先在遭到腐蚀的晶界处孕育出了初始裂纹。再次，剥蚀坑和晶界的点蚀孔在介质的作用下开始腐蚀，会改变金属的力学性能。另一方面ElementZnLMgKAlKMatrixWt%04.1802.2093.63CorrectionAt%01.7602.4995.74ZAF图8晶粒中间位置的微区成分图9晶界交界处微区成分ElementAlKFeKMatrixWt%69.6530.35CorrectionAt%82.6117.39ZAF图10析出相向腐蚀坑转变电力电网机电工程技术2012年第41卷第12期26（上接第26页）􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋􀤋4.5.2节计算得到的安全系数为2.2；但通过热点应力法插值得到的热点应力大小为90.53MPa，此时计算得到的安全系数为4.1。由此可知，两种方法计算得到的安全系数差别较大。3结论本文介绍了热点应力的定义，并介绍了其计算方法。同时通过两个例子的计算，证明其在游艺机上的运用是可行的。由计算结果可以看到，直接取有限元计算结果计算得到的安全系数与用热点应力法计算得到的安全系数计算得到的安全系数差别较大，而GB8408-2008中的安全系数计算说明中的最大应力并没说采用何种应力。建议下次规范修订能够更明确地说明。此外还必须指出，热点应力法虽在某些行业得到了应用，但由于游艺机行业的特殊性，要将热点应力法引入到游艺机行业，还需进行大量的理论分析以及实验验证。参考文献：［1］A.F.Hobbacher，ThenewIIWrecommendationsforfa⁃tigueassessmentofweldedjointsandcomponents-Acom⁃prehensivecoderecentlyupdated［J］.InternationalJournalofFatigue2009（31）：50-58.［2］NiemiE.，FrickeW.andMaddoxS.J.FatigueAnalysisofWeldedComponents-Designer’sguidetostrucuralhot-spotstressapproach［Z］.IIWdoc.XIII-1819-00/XV-1090-01，updateJune2003.WoodheadPublish⁃ing，CambridgeUK2006.［3］Recommendationsforfatiguedesignofwlededjointsandcomponents［Z］.IIW-1823-07/XIII-2151r4-07/XV-1254r4-07.［4］中国船级社.船体结构疲劳强度指南［M］.北京：人民交通出版社，2007.［5］方兴.热点应力法在钢桥构件疲劳评定中的应用方法及实例［J］.铁道建筑，2010（9）：31-34.［6］周张义.基于热点应力的焊缝疲劳强度评定研究［J］.内燃机车，2008（7）：1-5.［7］GB8408-2008.游乐设施安全规范［S］.第一作者简介：王跃勇，男，1981年生，山东德州人，硕士，工程师。研究领域：游乐设施的开发。已发表论文1篇。(编辑：向飞)图10轮架的第一主应力云图（单位：MPa）表3例子2的A点的热点应力位置第一主应力A点164.58B点67.29C点20.8插值得到的A点的热点应力90.53MPa在点蚀孔底从沿晶发展的初始裂纹进一步扩展成几条较大的穿晶裂纹，随着裂纹的扩展在裂纹尖端处应力继续增大和集中，裂纹不断发展，最终导致构件开裂[1]。由于该部件裂纹扩展到了该部件厚度的50%，而尚未造成整个铝法兰的断开，该部件表面运行过程中存在一定的拉应力，应力腐蚀裂纹的存在和扩展已经有了一定的时间。3结论及预防措施（1）该裂纹为铝合金应力腐蚀裂纹。（2）该裂纹具有一定的孕育和扩展期，对类似部件要加强巡查检验。（3）重视该类型部件的寿命管理，做好备品管理工作，发现缺陷及时更换。参考文献：［1］钟群鹏.断口学［M］.北京：高等教育出版社，2008.［2］张正贵，周兆元，刘长勇.高强度铝合金构件腐蚀疲劳失效分析［J］.中国腐蚀与防护学报，2008，28（1）：48-52.第一作者简介：董重里，男，1972年生，山东蓬莱人，硕士，高级工程师。研究领域：金属材料。已发表论文7篇。(编辑：王智圣)应用技术机电工程技术2012年第41卷第12期80