分享：252 kV GIS机构止动螺栓的断裂失效分析

孙明道１,田金涛２,肖鹤旋１,刘晓锋１

(１．平高集团河南平芝高压开关有限公司,平顶山 ４６７０１３;

２．平高集团河南平高电气股份有限公司,平顶山 ４６７００１)

摘 要:某批次３５CrMo合金钢２５２kV 气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)机构电镀锌止动螺栓在合闸试验调节中发生断裂失效,通过化学成分分析、断口分析、硬度测试、氢脆评估试验、金相检验等方法对螺栓断裂原因进行了分析.结果表明:该止动螺栓断裂是由氢脆造成的,而止动螺栓发生氢脆断裂是由螺栓电镀锌后去氢工艺不当造成的.最后提出了预防螺栓氢脆断裂的改进措施.

关键词:止动螺栓;断裂;氢脆;失效分析

中图分类号:TG１１５;TH１３１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０６０２Ｇ０５

某 ２５２kV 气体绝缘金属封闭开关设备(GasInsulatedSwitchgear,GIS)智能变机构进行出厂机械特性试验,操作２００次后,发现 GIS的断路器三相合闸时间均不在管理值范围(７５~１００ms)之内.使用５N??m 力矩扳手紧固调节机构的合闸时间螺栓,第一次调整未能达到管理值要求,再次进行调整时发现 C相合闸调整螺栓松动,拧出螺栓发现已经断裂,断裂螺栓形貌如图１所示.断裂带孔止动螺栓为东芝进 口 螺 栓,规 格 为 M６×３０,强 度 等 级 为４５H,材料为３５CrMo钢,要求表面处理工艺为电镀锌(F５１E２B)并进行去氢处理(P１０F１).为查明该螺栓断裂失效的原因,笔者通过一系列理化试验方法,对断裂的螺栓及同规格螺栓进行了检验和分析,并提出了相应的预防措施.

１ 理化检验

１．１ 化学成分分析

对断裂螺栓基体取样,采用岛津 PDA７０００ 型直 读光谱仪进行化学成分分析,结果见表１.可见该断 裂 螺 栓 的 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T３０７７－２０１５«合金结构钢»对３５CrMo钢成分的技术要求.

１．２ 宏观分析

GIS机构拆解下的带孔止动螺栓尚未完全断裂分离,如图１a)所示.用手将最后连接部分扯断,目视上下断口并无较大差别,断口较为平整.采用基恩士 VHXＧ５００型数码显微镜观察断口,如图１b)所 示,断裂起始于螺牙底部,螺栓断裂前受到拉应力作 用,断裂由螺牙底逐渐扩展到整个断面,直到最终断 裂,断口处无明显塑性变形,且断面与轴线垂直,呈 脆性断裂特征.

１．３ 断口微观分析

止动螺栓断口经丙酮反复清洗后,利用日本电子JSMＧ６５１０A 型扫描电镜(SEM)观察图１b)中螺栓断口的断裂源、扩展区、终断区的显微形貌,结果如图２所示.图２a)为断裂源处的沿晶断裂形貌,断口以典型的沿晶冰糖状形貌为主;图２b)为断裂源处沿晶断裂晶面的形貌特征,可见晶面上分布有鸡爪纹理;图２c)为断口心部的扩展区微观形貌,可见存在晶间二次裂纹并伴随有微孔;图２d)为终断区的混合断裂形貌,断口上分布有韧窝并伴随有沿晶断裂.断口微观分析结果表明,止动螺栓断口呈现典型的氢脆断裂特征.

１．４ 维氏硬度测试

使用 HVＧ５型显微硬度计对断裂止动螺栓表面及心部硬度进行测试,试验载荷为４．９N(５００gf),加载时间为１０s,结果如表２所示.可见螺栓的表面和心部硬度均符合JISB１０５３－１９９９«用碳钢和合金钢制成的紧固件的机械特性 第５部分:不低于拉伸强度的紧固螺钉和类似紧固螺钉»对４５H 强度等级螺栓的技术要求。

１．５ 氢脆评估试验

１．５．１ 扭转强度试验

根据JISB１０５３－１９９９中６．３款力学性能中的强度试验方法,从同一批次螺栓随机抽取２件,正常运行设备上拆掉其他批次的螺栓１件,进行扭转试验.试验按JISB１０５３－１９９９中的图３进行.标准要求规格 M６、强度等级４５H 的螺栓能承受８．５N??m力矩,试 验 结 果 表 明 同 批 次 的 ２ 个 螺 栓 在 承 受８．５N??m力矩时均发生断裂,而设备上正常使用的螺栓能够承受８．５N??m 力矩,未发生断裂,表明本批次螺栓强度不能满足规格 M６、强度等级４５H 的扭转载荷试验要求.当螺栓中氢含量达到一定程度时,螺栓极限载荷会有所降低[１],观察螺栓断口平齐,为脆性断口,由此判断本批次螺栓存在氢脆的风险.

１．５．２ 慢应变拉伸试验

分别取同一批次 M６螺栓２件和其他批次正常使用的 M６螺栓１件,进行慢应变拉伸试验,快速对其抗氢脆性能进行评估[２Ｇ３].采用美特斯工业系统CMTＧ５１０５型微机控制万能试验机对螺栓进行慢应变 拉 伸 试 验,试 验 条 件 如 下:拉 伸 速 率 为０．０２mm??min－１,应变速率为 １０－４ s－１.慢应变拉伸试验结果见表３,试验曲线如３a)所示.由图３a)可见:同批次螺栓１号和２号均在屈服前断裂,呈脆性断裂,不存在明显的屈服;３ 号螺栓则为韧性断裂,存在明显的屈服.３号螺栓的抗拉强度大于１号和２号螺栓的,这是因为随着螺栓中氢含量的增加,其抗拉强度随之降低,并发生脆性断裂[１].通过扫描电镜对３个慢应变拉伸断口进行观察:１号和２号螺栓断口平整,其微观形貌呈冰糖状的沿晶断裂,如图３b)和 图 ３c)所 示;与 断 裂 螺 栓 断 口 形 貌 相 似,１号和２号螺栓沿晶断裂面上也分布有鸡爪纹理,局部存在 沿 晶 二 次 裂 纹 并 伴 有 微 孔,如 图 ３d)和图３e)所示;３号螺 栓 断 口 形 貌 如 图３f)所 示,断 口上有大量韧窝,属于韧性断裂.慢应变拉伸试验结果表明,本批次螺栓存在严重的氢脆风险.

１．６ 金相检验

１．６．１ 非金属夹杂物检验

对断裂的螺栓纵向取样,经磨制、抛光后使用OLYMPUSGX５１ 型金相显微镜观察螺栓抛光态下的非金属夹杂物及缺陷情况.结果表明:螺栓抛光态下放大１００倍心部未见明显非金属夹杂物及带状偏析.

１．６．２ 脱碳层检验

将断裂螺栓沿轴向剖开,制备金相试样,进行螺纹脱碳层检验.经磨制、抛光后用４％(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀,使用 OLYMPUSGX５１型金相显微镜进行观察,螺纹处显微形貌如图４所示.根据JISB１０５３－１９９９中金相法测定螺栓脱碳层的规定,测得螺纹未脱碳的高度 E＝０．４９８ mm(技术要求E≥０．４５９mm),螺纹全脱碳层深度G＝９．３８μm(技术要求 G≤１５μm),螺纹脱碳层检验结果符合JISB１０５３－１９９９技术要求.

１．６．３ 显微组织检验

选取断裂的螺栓和慢应变拉伸试验断裂的３号螺栓,进行显微组织比较.对两个螺栓进行横向取样,经磨制、抛光后用４％(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀,通过 OLYMPUSGX５１型金相显微镜进行观察.如图５所示,二者显微组织基本一致,均为回火索氏体,其中断裂螺栓中还有少量块状铁素体,为正常调质热处理显微组织[４Ｇ５].

２ 综合分析

以上理化检验结果表明,断裂止动螺栓的化学成分、硬度、显微组织均符合相关标准技术要求.断口分析结果显示,断裂螺栓断口宏观上无明显塑性变形,断面平整,断口微观形貌以冰糖状沿晶断裂为主,并且在沿晶断裂面上有大量鸡爪纹理,晶面上有微孔并且伴有晶间二次裂纹,呈典型氢脆沿晶断裂特征.螺栓氢脆评估试验结果表明,断裂批次螺栓存在严重的氢脆风险.螺栓产生 氢 脆 主 要 与 钢 中 氢 含 量 过 高 有 关,

但也与钢中的碳含量、显微组织、强度以及零部件所受的应 力 有 关.研 究 发 现,如 果 钢 的 抗 拉 强 度达到１１２８ MPa或者硬度达到３７ HRC以上时,其氢脆敏感 性 就 会 很 高,零 部 件 在 表 面 处 理(电 镀、酸洗)后如果去氢工艺不当,引入的氢元素就很容易诱 发 氢 脆 断 裂[６].止 动 螺 栓 断 口 形 貌 特 征 表明,由于去氢 工 艺 不 当 引 入 的 氢 元 素 已 扩 散 至 整个螺栓材料中.断裂止动螺栓强度等级为４５H,属于高强度螺栓,其硬度达到了３７HRC以上,因此氢脆敏感性较强.螺栓表面进行了电镀锌处理,其电镀锌工艺如下:脱 脂 → 水 洗 → 酸 洗 → 电 解 除 油 → 水 洗 →１０％HCl(体积分数)活化→水洗→电镀锌→水洗→出光→钝化(CrO３,H２SO４,HNO３)水洗 → 干燥 →老化,可见在电镀锌过程中有酸洗工序和盐酸活化工序,在进行这两个工序时,极易引入氢.如果在电镀后去氢工艺不当或者漏掉去氢工序,氢元素便会残留在螺栓中,造成螺栓在使用过程中发生由氢脆诱发的延迟断裂.一般钢中氢含量在０．０００５％~０．００１％(质量分数)时就会产生氢脆断裂,对于高强度钢,其临界氢含量还要低的多.断裂螺栓的硬度和氢脆评估试验结果,间接验证了螺栓中氢含量的过量,螺栓存在氢脆的危险.该止动螺栓工作时主要受静态 应 力 和 氢 元 素 作 用,产 品 装 配 结 束 进 行２００次操作试验后,推测止动螺栓上出现了裂纹,最后在进行调整时受到扭转力作用而发生最终断裂.因此,氢和应力的共同作用是造成该批次止动螺栓发生氢脆断裂的主要原因[７Ｇ８].

３ 结论及改进措施

(１)该批次２５２kV GIS机构止动螺栓断裂属于典型的沿晶氢脆断裂.

(２)螺栓在电镀锌表面处理过程中引入了氢元素,去氢工艺不当造成氢元素残留,从而导致螺栓在使用过程中于氢和应力的共同作用下发生延迟断裂,其中过量氢是造成该批次止动螺栓氢脆断裂的根本原因.

(３)建议对于抗拉强度大于１１２８MPa或者硬度高于３７HRC的高强度等级的螺栓在电镀锌后要及时进行去氢处理,且应严格执行去氢工艺规范,避免因去氢工艺不当诱发氢脆断裂;另外可以采取适当降低合金钢的碳含量、适量提高回火温度等措施;对于要经过海上运输的对氢脆敏感的零部件,在运输时要进行包装防护,避免长期接触海雾而导致零部件局部渗氢.