某输电线路悬式绝缘子用锁紧销失效原因分析.pdf

宁夏电力 年第 期某输电线路悬式绝缘子用锁紧销失效原因分析童元浩马平包艳蓉杨伟东李亮(宁夏电力能源科技有限公司宁夏 银川)摘 要:针对宁夏某输电线路上悬式绝缘子用锁紧销断裂失效的问题采用宏观检查、化学成分材质分析、金相检测、扫描电镜()以及能谱仪()分析等方法进行了分析 研究发现材质为 黄铜的锁紧销外表面覆盖一层纯铜纯铜薄厚不均与黄铜的界面分明锁紧销裂纹起源于纯铜较厚位置沿晶扩展断口内有 元素存在 综合分析认为:锁紧销由表面溶解 再沉积机制主导发生脱锌腐蚀脱锌后锁紧销表面力学性能下降受力后服役过程中锁紧销脱锌表面萌生微裂纹微裂纹以应力腐蚀机制扩展锁紧销开裂失效关键词:黄铜 元素溶解 再沉积机制脱锌应力腐蚀中图分类号:文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):()().:./.童元浩等:某输电线路悬式绝缘子用锁紧销失效原因分析 引 言黄铜因其优越的力学性能、工艺性能以及耐蚀性能等而被广泛应用于电力、仪表、化工以及船舶等领域 是目前铜合金中用途最为广泛的材料 但越来越多的研究表明长期暴露在腐蚀环境中的黄铜极易发生脱锌腐蚀从而导致金属部件的失效且随着黄铜中锌含量的增加脱锌腐蚀发生的可能性随之增大国内对黄铜发生脱锌腐蚀的机理研究尚无定论普遍认为有两种即优先溶解机制和溶解再沉积机制 对于优先溶解机制王吉会等人通过微量元素添加的实验方法研究了黄铜脱锌的渗流学晶体模型并对双空位的来源及黄铜中砷硼的最佳含量及协同作用过程和机理做了分析论证 对于溶解再沉积机制甘复兴等人通过电化学和痕量分析方法研究了在连续引进铜离子的去氧酸性氯化钠溶液中 两相黄铜的溶解 再沉积脱锌行为 王超等人应用光电化学方法和 分析技术间接证实了 黄铜在质量分数为.的硫酸钠和氯化钠两种电解质溶液中发生由溶解 再沉积机制主导的脱锌腐蚀行为但至今未见研究成果采用直接证据对溶解 再沉积脱锌腐蚀机制予以证实本文以 年投运某输电线路悬式绝缘子用黄铜材质的失效锁紧销为对象通过扫描电镜()、能 谱 仪()分析检测手段表征黄铜脱锌腐蚀的现象实验结果表明黄铜锁紧销由溶解 再沉淀机制主导发生脱锌腐蚀并分析了该锁紧销的断裂失效原因 试验分析.结构受力分析在输电线路中锁紧销主要是填补悬式绝缘子球头与球窝配合间隙达到各部件可靠联结的目的 锁紧销的服役状态如图 所示锁紧销末端长期承受帽窝小口施加的压力而处于弹性变形状态末端长期承受压应力而图中所标注部件在服役过程中长期承受拉应力作用图 锁紧销服役状态.宏观检查取 只失效锁紧销进行宏观检查如图 所示发现锁紧销均呈现表面发乌、无金属光泽的特征其中 号锁紧销已经发生断裂 号锁紧销发生了明显的塑性变形且在标注部位发现一处从侧边缘向内部扩展的裂纹 号锁紧销发生了轻微塑性变形 锁紧销表面发乌金属光泽已消失表面被腐蚀图 失效锁紧销宏观形貌采用食用醋酸对 号锁紧销进行表面清洗清洗后的锁紧销外表面如图 所示发现锁紧销表面呈均匀的铜红色图 清洗后的锁紧销外表面宏观形貌.化学成分材质分析对 只失效锁紧销取样依据标准进行化宁夏电力 年第 期学成分材质分析结果如表 所示 检测结果显示失效的锁紧销材质与标准中 铜合金的化学元素含量相符表 化学成分分析结果化学成分质量分数/号 号 号.杂质综合.金相组织分析在 号锁紧销开裂处取样进行金相组织分析分析结果如图 所示 裂纹由外表面向锁紧销内部发展裂纹形态呈树枝状长短不一、曲折延伸 裂纹附近未见夹杂物等其他缺陷 对图()所示的区域、进行高倍率金相检查发现裂纹起源于区域 处的铜红色组织处该组织颜色显著区别于锁紧销基体完全嵌入基体表面且与基体界面分明 铜红色内部组织致密如图()所示 区域 处裂纹以沿晶方式扩展如图()所示具有应力腐蚀裂纹扩展的特征综上所述可排除该锁紧销由冶金及制造缺陷导致开裂的可能性()裂纹宏观金相()区域 高倍金相()区域 高倍金相图 号锁紧销开裂部位金相组织取同批次未服役锁紧销进行金相组织分析与服役后的 号失效锁紧销比对发现未服役锁紧销表面未发现铜红色组织如图 所示 对服役失效的 号锁紧销进行醋酸清洗后发现外表面覆盖了一层铜红色物质 将未服役的同批次锁紧销和服役失效的 号锁紧销进行金相组织检测做比对发现未服役的同批次锁紧销表面无铜红色组织由此可判断服役失效的锁紧销表面铜红色组织为服役过程中所产生()未服役锁紧销金相组织童元浩等:某输电线路悬式绝缘子用锁紧销失效原因分析()号失效锁紧销金相组织图 同批次锁紧销表面金相组织比对照片.检测分析对图()中的区域 进行 分析结果如图 所示发现锁紧销外表面平整未见坑洞等腐蚀形貌 嵌入锁紧销基体的组织形状不规则轮廓清晰与基体组织界限分明且内部组织致密图 裂纹起源处 分析结果对 号锁紧销断口部位经超声波清洗后进行断口形貌观察 发现断口为冰糖状花样且断口上有二次裂纹存在二次裂纹沿晶界发展为典型的脆性断裂断口如图()所示 进一步提高观察倍数发现断口表面被大量腐蚀物覆盖如图()所示()二次裂纹形貌()锁紧销断口腐蚀产物形貌图 号锁紧销断口形貌.检测分析对超声波清洗后的 号锁紧销断口表面腐蚀产物进行微区 检测分析可见该腐蚀产物除元素、以外还有腐蚀性元素 的存在如图 所示可知本次脆性开裂与 元素相关图 号锁紧销断口 分析结果对超声波清洗后的 号锁紧销基体表面进行 面扫结果如图 所示发现锁紧销表面除了黄铜自身所含元素、和 外还存在、及腐蚀性元素 图 锁紧销表面 面扫结果对嵌入锁紧销表面的组织和锁紧销基体进行 线扫如图 所示发现嵌入锁紧销表面的组织主要成分为 锁紧销基体主要成分为、元素含量在两区域分界线处呈跳跃式变化宁夏电力 年第 期图 锁紧销近表面处 线扫结果对铜质金属组织与锁紧销基体的界面处进行 分析如图 所示发现界面处除了、外还有一定量的、等大气中常见的元素存在图 分界面处 分析结果综上所述铜红色组织为纯铜纯铜组织与锁紧销基体组织的界面处除了、外还有一定量的、等大气中常见的元素存在可判断该纯铜组织形成前纯铜与黄铜界面曾暴露在环境中 结果分析与讨论对断裂的 号锁紧销和变形的、号锁紧销进行材质检测结果显示该锁紧销为牌号 的铜合金对发生开裂的 号锁紧销裂纹附近母材进行金相组织检测未见裂纹附近的母材组织中存在夹杂物等其他缺陷因此可排除该锁紧销由冶金及制造缺陷导致开裂的可能性)对 号锁紧销的断口及 号锁紧销的外表面进行 和 分析发现锁紧销表面存在除了黄铜自身所含元素、和 外还存在、及腐蚀性元素 因此可判断该黄铜在服役过程中受到了环境腐蚀的影响 对 号锁紧销开裂部位进行金相组织检测发现裂纹起源于铜红色组织沿晶扩展该区域在服役过程中长期承受拉应力作用 裂纹发展模式符合应力腐蚀裂纹扩展特征)有研究表明黄铜在一定条件下会以溶解 再沉积的机制发生脱锌腐蚀 当所需条件具备时黄铜表层的 和 会同时溶解于电解质溶液中随后 以电化学沉积的方式沉积在未溶解的黄铜基体上 因其较活泼的电化学性质而随电解质溶液流失 本例中锁紧销所属输电线路地处宁夏腹地昼夜温差大夏秋两季极易发生水汽凝结而在金属部件表面形成水膜 大气中的 元素溶入金属表面的水膜内形成含有 的电解质溶液为锁紧销发生溶解 再沉积机制的脱锌腐蚀提供了外部条件 从 号锁紧销金相组织、分析结果可知纯铜覆盖于锁紧销基体表面嵌入基体的纯铜组织致密与基体界面分明、元素含量在界面处呈跳跃式变化界面处除了含有、外还有大气中常见的、等元素因此可判断锁紧销浅表层的、曾溶解于电解质溶液中次表层金属作为新的外表面暴露于电解质环境中在一定条件下电解质溶液中电化学性质更为活泼的 随电解质溶液流失 沉积在新的外表面黄铜发生脱锌腐蚀脱锌腐蚀机理符合溶解 再沉积的机制因此在宁夏自然环境下服役的黄铜材质锁紧销发生的脱锌腐蚀机制为由溶解 再沉积机制)脱锌腐蚀形成的纯铜组织力学性能较黄铜基体显著降低相同服役条件下该部位更容易先于黄铜基体产生微裂纹等缺陷 本例中对 号锁紧销表面的微裂纹进行金相组织分析发现该微裂纹起源于纯铜组织与理论分析结果一致 对于黄铜而言大气污染物中的 元素是导童元浩等:某输电线路悬式绝缘子用锁紧销失效原因分析致其发生应力腐蚀的关键因素 服役过程中金属表面的电解质溶液为锁紧销发生应力腐蚀提供了环境条件 号锁紧销表面的裂纹所处位置在服役过程中长期承受拉应力作用为锁紧销发生应力腐蚀提供了应力条件 从 号锁紧销裂纹扩展的形态、号锁紧销断口特征及 分析结果可知该输电线路中的锁紧销裂纹扩展机理由应力腐蚀主导 因此锁紧销的失效机理为表面发生脱锌腐蚀后力学性能下降在外力作用下萌生微裂纹微裂纹由应力腐蚀机制主导不断扩展最终失效 结 论)本例中黄铜表面脱锌腐蚀由溶解 再沉积机制主导在服役条件下锁紧销表层的、溶解于电解质溶液中电化学活泼性更强的 随电解质溶液流失 沉积在新形成的外表面黄铜发生脱锌腐蚀)锁紧销材质为 黄铜对 较为敏感环境中的腐蚀性 元素溶于锁紧销表面的水膜中形成了腐蚀性电解质溶液 脱锌腐蚀形成的纯铜组织在运行过程中优先萌生微裂纹微裂纹在工作应力和腐蚀性电解质溶液的共同作用下最终由应力腐蚀机制主导扩展导致锁紧销最终开裂参考文献 刘平任凤章贾淑果等.铜合金及其应用.北京:化学工业出版社:.钟卫佳马克定吴维治.铜合金加工技术实用手册.北京:冶金工业出版社:.徐娜李永德时军波等.发电厂凝汽器铜管腐蚀穿孔失效分析.热加工工艺():.王吉会姜晓霞李诗卓.黄铜脱锌腐蚀机理的研究进展.材料研究学报():.甘复兴邹津耘姚录安.两相黄铜脱锌机理研究().中国腐蚀与防护学报():.王超钟庆东周国治等.黄铜在电解质溶液中的脱锌腐蚀机制研究.年全国冶金物理化学学术会议专辑(上册):.电力金具设备金属光谱分析技术导则:/.加工铜及铜合金牌号和化学成分:/.蒋长乐崔文源韦绍林.船用冷凝管腐蚀穿孔失 效 分 析 .腐 蚀 与 防 护 ():.罗贤竟.黄铜管开裂失效分析.腐蚀与防护():.李燕.麦积山石窟水汽凝结机理及防治措施研究.兰州:兰州大学.肖银河张明曾志卫等.扁平连接器线束故障原因分析.机电元件():.陈杰郑弃非孙霜青等.海军黄铜 的长期大气腐蚀行为 中国有色金属学报():.收稿日期:修回日期:作者简介:童元浩()男从事变电站金属检测工作(:.)通信作者:马平()男从事电厂变电站理化检测工作(:.)