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[摘 要]2017年4月，在对某变电站检修期间，发现刀闸U型连接线夹开裂。对开裂U型连接线夹进行了现场调查、试验检测和原因分析工作。综合分析认为，造成U形线夹开裂的原因为：1.弯头存在气孔等铸造缺陷；2.材料抗拉强度不合格。应加强设备产品在投运前的监督检查。
[关键词]变电站刀闸 U型连接线夹 开裂分析
中图分类号：F315 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）43-0028-02
1、前言
某变电站检修期间，发现一操作机构U型连接线夹开裂，继续使用将影响设备的安全运行。U型连接线夹的结构照片见图1，每个线夹上有两个相同的弯头，均为实心结构。发生开裂的弯头材料为铸造铝合金，牌号ZL102。铸造铝合金弯头与上部材质为A199.5的铝合金管件焊接在一起，管件内插入导线后压紧，然后从注脂孔注入导电脂，最后将注脂孔密封。
2、检查情况
2.1 现场宏观检查
现场检查发现，刀闸操作机构U型连接线夹中的一个铸造铝合金弯头发生开裂，弯头外表面存在油脂泄漏痕迹。开裂区附近弯头表面未发现机械损伤痕迹。
开裂处位于铸造铝合金弯头中性面上，开裂呈∩形，开裂∩形区域高约90mm、宽约70mm。从弯头表面泄漏导电脂形态来看，导电脂从∩形区域上部弯头与管件连接焊缝熔合线附近漏出。∩形开裂区一侧存在外翻现象，说明其内部曾存在一定的内压。
2.2 开裂U型线夹射线检查
对U型连接线夹两个铸造铝合金弯头进行射线探伤，检测发现：开裂弯头焊缝上方管件中导电脂明显比未开裂泄漏弯头少，但均未充满整个腔室；开裂弯头存在气孔缺陷；弯头与管件连接焊缝根部存在未焊透裂纹。详见图2。
2.3 试验室宏观检查
沿U型连接线夹铸造铝合金弯头上部连接管件导电脂腔室处横向剖开，发现空腔内部注有导电脂，并有少量的水流出。靠泄漏处下部在铸造铝合金弯头处横向剖开，发现弯头横截面靠中性面上存在两處铸造气孔缺陷，气孔截面近视椭圆形，气孔宽度分别为32mm、37mm。
将开裂泄漏∩形部位取下，靠外侧的气孔与开裂泄漏部位内部连通，其靠内侧表面较为光滑，见图3。此铸造气孔缺陷又向注有导电脂弯头端部方向延伸，见图4。靠外侧表面凹凸不平，存在较多的夹渣缺陷，见图5。将导电脂清除后，发现铸造铝合金弯头端部靠开裂泄漏一侧存在气孔缺陷，见图6。
2.4 化学成分分析
在铸造铝合金弯头上取样进行化学成分分析，化学成分符合标准要求，结果见表1所示。
2.5 金相检测
在图3所示白线区域沿轴向截取一试样，并对截面进行金相检测，侵蚀后截面形貌见图7所示。从图7来看，焊缝存在未焊透和未熔合缺陷。对试样进行射线拍片，发现端部气孔与下部紧挨开裂泄漏处气孔缺陷连通，见图8。
在图11试样上对铸造铝合金弯头金相组织进行观察，金相照片见图9所示。依据JB/T7946.1-2017《铸造铝合金金相第1部分：铸造铝硅合金变质》，图9组织为ZL102铸态组织，其由α-Al基体+块状初晶硅+片状共晶硅组成。组织中存在较多铸造缩松缺陷（箭头所指）。
在开裂弯头上距气孔较远处以及线夹另外一侧未开裂弯头取样进行组织检测，其组织形态与图13类似。
2.6 力学性能检测
鉴于弯头尺寸较小，避开较大气孔缺陷在弯头上取1根φ6mm（GB/T1173要求为φ12mm）比例试样进行室温力学性能检测，其抗拉强度明显低于标准要求，结果见表2。
2.7 其它备品备件射线检测
对4组备品U型连接线夹铸造铝合金弯头（8个弯头）进行了射线探伤检测。检测发现，每组U型连接线夹的两个弯头中均有1个弯头存在气孔缺陷，如图14圆圈内所示。从图14来看，气孔缺陷的位置和大小不尽相同，其中#4弯头气孔缺陷与注入导电脂端部连通十分明显。铸造缺陷较为普遍，且尺寸较大，说明铸造工艺存在问题。
从图10弯头与管件连接焊缝部位来看，均存在未焊透缺陷，如图箭头所示，说明焊接质量不佳。弯头端部与管件两侧间隙过大，且不均匀，长期使用或会影响焊缝受力造成焊缝开裂。
3、原因分析
U形线夹铸造弯头内部存在较大尺寸的气孔缺陷，且缺陷与注入导电脂一侧端部相连通。U型连接线夹处于室外，长期工作过程中，介质（水、导电脂）逐步渗入到铸造缺陷空腔内，当冬季温度较低时，空腔内介质发生冷冻膨胀，膨胀后将弯头靠中性面一侧的母材胀裂，进而致使导电脂的泄漏。另外，若铸造缺陷延伸至弯头端部一侧焊缝附近，由于焊接的加热或环境温度的变化，造成气孔腔室内气体膨胀，也可能导致缺陷逐步穿透到外表面，最终导致弯头开裂泄漏。弯头取样抗拉强度明显低于标准要求，仅达标准下限值的约1/2，抗拉强度不合格促进了弯头的开裂。
综合分析认为，造成U形线夹铸造弯头发生开裂的原因为：1.弯头存在较大气孔铸造缺陷；2.抗拉强度不合格。
U形线夹铸造弯头普遍存在严重气孔缺陷，有的弯头已穿透至端部表面。存在缺陷的铸造弯头严重影响其安全使用。制造厂应优化铸造工艺，加强射线无损检测，保证弯头质量符合要求。
焊接存在未焊透和未熔合缺陷，弯头端部与管件两侧间隙过大，且不均匀。其不利于部件的长期安全使用。应对焊接质量加强控制，同时控制弯头端部与管件间隙。
参考文献
[1] GB/T1173-2013《铸造铝合金》.
[2] JB/T7946.1-2017《铸造铝合金金相第1部分：铸造铝硅合金变质》.
[关键词]变电站刀闸 U型连接线夹 开裂分析
中图分类号：F315 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）43-0028-02
1、前言
某变电站检修期间，发现一操作机构U型连接线夹开裂，继续使用将影响设备的安全运行。U型连接线夹的结构照片见图1，每个线夹上有两个相同的弯头，均为实心结构。发生开裂的弯头材料为铸造铝合金，牌号ZL102。铸造铝合金弯头与上部材质为A199.5的铝合金管件焊接在一起，管件内插入导线后压紧，然后从注脂孔注入导电脂，最后将注脂孔密封。
2、检查情况
2.1 现场宏观检查
现场检查发现，刀闸操作机构U型连接线夹中的一个铸造铝合金弯头发生开裂，弯头外表面存在油脂泄漏痕迹。开裂区附近弯头表面未发现机械损伤痕迹。
开裂处位于铸造铝合金弯头中性面上，开裂呈∩形，开裂∩形区域高约90mm、宽约70mm。从弯头表面泄漏导电脂形态来看，导电脂从∩形区域上部弯头与管件连接焊缝熔合线附近漏出。∩形开裂区一侧存在外翻现象，说明其内部曾存在一定的内压。
2.2 开裂U型线夹射线检查
对U型连接线夹两个铸造铝合金弯头进行射线探伤，检测发现：开裂弯头焊缝上方管件中导电脂明显比未开裂泄漏弯头少，但均未充满整个腔室；开裂弯头存在气孔缺陷；弯头与管件连接焊缝根部存在未焊透裂纹。详见图2。
2.3 试验室宏观检查
沿U型连接线夹铸造铝合金弯头上部连接管件导电脂腔室处横向剖开，发现空腔内部注有导电脂，并有少量的水流出。靠泄漏处下部在铸造铝合金弯头处横向剖开，发现弯头横截面靠中性面上存在两處铸造气孔缺陷，气孔截面近视椭圆形，气孔宽度分别为32mm、37mm。
将开裂泄漏∩形部位取下，靠外侧的气孔与开裂泄漏部位内部连通，其靠内侧表面较为光滑，见图3。此铸造气孔缺陷又向注有导电脂弯头端部方向延伸，见图4。靠外侧表面凹凸不平，存在较多的夹渣缺陷，见图5。将导电脂清除后，发现铸造铝合金弯头端部靠开裂泄漏一侧存在气孔缺陷，见图6。
2.4 化学成分分析
在铸造铝合金弯头上取样进行化学成分分析，化学成分符合标准要求，结果见表1所示。
2.5 金相检测
在图3所示白线区域沿轴向截取一试样，并对截面进行金相检测，侵蚀后截面形貌见图7所示。从图7来看，焊缝存在未焊透和未熔合缺陷。对试样进行射线拍片，发现端部气孔与下部紧挨开裂泄漏处气孔缺陷连通，见图8。
在图11试样上对铸造铝合金弯头金相组织进行观察，金相照片见图9所示。依据JB/T7946.1-2017《铸造铝合金金相第1部分：铸造铝硅合金变质》，图9组织为ZL102铸态组织，其由α-Al基体+块状初晶硅+片状共晶硅组成。组织中存在较多铸造缩松缺陷（箭头所指）。
在开裂弯头上距气孔较远处以及线夹另外一侧未开裂弯头取样进行组织检测，其组织形态与图13类似。
2.6 力学性能检测
鉴于弯头尺寸较小，避开较大气孔缺陷在弯头上取1根φ6mm（GB/T1173要求为φ12mm）比例试样进行室温力学性能检测，其抗拉强度明显低于标准要求，结果见表2。
2.7 其它备品备件射线检测
对4组备品U型连接线夹铸造铝合金弯头（8个弯头）进行了射线探伤检测。检测发现，每组U型连接线夹的两个弯头中均有1个弯头存在气孔缺陷，如图14圆圈内所示。从图14来看，气孔缺陷的位置和大小不尽相同，其中#4弯头气孔缺陷与注入导电脂端部连通十分明显。铸造缺陷较为普遍，且尺寸较大，说明铸造工艺存在问题。
从图10弯头与管件连接焊缝部位来看，均存在未焊透缺陷，如图箭头所示，说明焊接质量不佳。弯头端部与管件两侧间隙过大，且不均匀，长期使用或会影响焊缝受力造成焊缝开裂。
3、原因分析
U形线夹铸造弯头内部存在较大尺寸的气孔缺陷，且缺陷与注入导电脂一侧端部相连通。U型连接线夹处于室外，长期工作过程中，介质（水、导电脂）逐步渗入到铸造缺陷空腔内，当冬季温度较低时，空腔内介质发生冷冻膨胀，膨胀后将弯头靠中性面一侧的母材胀裂，进而致使导电脂的泄漏。另外，若铸造缺陷延伸至弯头端部一侧焊缝附近，由于焊接的加热或环境温度的变化，造成气孔腔室内气体膨胀，也可能导致缺陷逐步穿透到外表面，最终导致弯头开裂泄漏。弯头取样抗拉强度明显低于标准要求，仅达标准下限值的约1/2，抗拉强度不合格促进了弯头的开裂。
综合分析认为，造成U形线夹铸造弯头发生开裂的原因为：1.弯头存在较大气孔铸造缺陷；2.抗拉强度不合格。
U形线夹铸造弯头普遍存在严重气孔缺陷，有的弯头已穿透至端部表面。存在缺陷的铸造弯头严重影响其安全使用。制造厂应优化铸造工艺，加强射线无损检测，保证弯头质量符合要求。
焊接存在未焊透和未熔合缺陷，弯头端部与管件两侧间隙过大，且不均匀。其不利于部件的长期安全使用。应对焊接质量加强控制，同时控制弯头端部与管件间隙。
参考文献
[1] GB/T1173-2013《铸造铝合金》.
[2] JB/T7946.1-2017《铸造铝合金金相第1部分：铸造铝硅合金变质》.