220 kV變電站氣體絕緣金屬封閉開關設備操作機構碟形彈簧斷裂分析

李文勝，董重里，胡平，王偉，林介東

(廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

?

220 kV變電站氣體絕緣金屬封閉開關設備操作機構碟形彈簧斷裂分析

李文勝，董重里，胡平，王偉，林介東

(廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080)

摘要：通過宏觀檢查、金相試驗、光譜分析、洛氏硬度試驗、掃描電鏡觀察和能譜分析等試驗，對一起220 kV變電站氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)操作機構碟形彈簧斷裂的原因進行分析。結果表明，碟形彈簧斷裂的原因可以推斷是彈簧下表面外徑邊緣至U形凹槽的區域在制造過程中形成原始缺陷，此處存在應力集中現象，在使用過程中，裂紋擴展并最終導致彈簧斷裂。此外，碟形彈簧的顯微組織保留了明顯的馬氏體針狀形態，還出現了少量的羽毛狀回火貝氏體，這些特征表明彈簧在使用過程中較易發生脆性斷裂。

關鍵詞：變電站；氣體絕緣金屬封閉開關設備；碟形彈簧；斷裂

碟形彈簧又名貝勒維爾彈簧墊圈，由Belleville于1867年在法國巴黎取得專利，廣泛用于減震等工程應用中，國內外就其制定了成熟的技術標準和加工工藝[1-3]。碟形彈簧是利用金屬板料或鍛壓坯料制成的截錐形截面的墊圈式彈簧，在軸向上呈錐形并承受負載。由于其剛度大，緩沖吸振能力強，能以小變形承受大載荷，近年來越來越多的學者關注碟形彈簧在豎向隔震裝置中的應用，并取得一定的研究成果[4-10]。碟形彈簧軸向空間要求小，因此常常用于電網變電站的高壓開關上。不少研究者對碟形彈簧的性能進行了系列研究，有的研究結果顯示，碟形彈簧在二次靜壓過程中會產生裂紋[11]。

近期，南方電網某220 kV變電站110 kV電壓等級的氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)操作機構的一片碟形彈簧出現裂痕。該GIS型號為ELK-04，其斷路器操作機構配置采用彈簧儲能液壓操作機構。本文對斷裂的彈簧進行宏觀檢查、光譜分析、洛氏硬度試驗、金相試驗、掃描電鏡觀察和能譜分析等試驗分析，旨在尋找GIS操作機構碟形彈簧斷裂原因，進而為變電站設備安全穩定運行提供技術儲備。

1試驗

1.1取樣情況

對碟形彈簧斷口進行宏觀檢查、掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析，對碟形彈簧上表面的中心處進行光譜分析及硬度試驗，并在厚度方向切取金相試樣，詳見圖1和表1。

注：1—4為試樣編號。圖1　GIS機構碟形彈簧取樣示意圖

表1取樣情況

試樣編號取樣位置試驗項目1斷口掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析2斷口掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析3碟形彈簧上表面光譜分析及硬度試驗4碟形彈簧厚度方向切面金相試驗及脫碳檢驗

1.2宏觀檢查

碟形彈簧的斷口宏觀形貌如圖2所示。肉眼可見裂紋源區為碟形彈簧外徑邊緣至U形凹槽的區間。裂紋擴展的特征明顯，裂紋從外徑邊緣繞U形凹槽沿著徑向往內擴展，最終開裂區在內徑邊緣近U形凹槽處，圖2清楚地展示了裂紋擴展特征。

圖2　斷口宏觀形貌

圖2展示了斷口一側的宏觀形貌，而圖3所示為斷口另一側的宏觀形貌。圖3示出了裂紋源區及裂紋擴展方向。通過肉眼可以觀察到外徑邊緣至U形凹槽邊緣之間有一條橫向裂紋，裂紋自圖示左下角往右上方擴展。由圖3可見，裂紋呈現出放射性條紋的特征，放射性條紋的匯聚點為裂源。

圖3　裂紋源區及裂紋擴展方向示意圖

1.3光譜分析試驗

據廠家提供資料，碟形彈簧材質為51CrV4，交貨技術條件為DIN EN 10089—2002《淬火和回火彈簧用熱軋鋼材·交貨技術條件》[1]。采用島津PDA-7000型火花光電直讀光譜儀對碟形彈簧試樣進行材質分析。表2為試樣的成分分析結果以及DIN EN 10089—2002對51CrV4的成分要求。由表2可見，試樣的成分與設計牌號相符。

表2試樣光譜分析結果

項目各成分的質量分數/%CSiMnPSCrV實測值0.470.240.970.010.000.970.11標準要求0.47～0.54≤0.400.70～1.10≤0.025≤0.0250.90～1.200.10～0.25

1.4洛氏硬度試驗

用WHR-60D型全數顯式洛氏硬度計對碟形彈簧試樣進行硬度試驗，試驗載荷選取1 471 N，實測值為42.7HRC、47.3HRC、47.5HRC，GB/T 1972—2005規定50CrVA碟形彈簧熱處理硬度在42HRC～52HRC。需要說明的是，DIN EN 10089—2002未明確規定碟形彈簧熱處理硬度，而GB/T 1972—2005《碟形彈簧》[2]明確規定了碟形彈簧熱處理硬度。DIN EN 10089—2002中的51CrV4可對應GB/T 1972—2005中的50CrVA，因此GB/T 1972—2005對50CrVA碟形彈簧熱處理硬度規定可作為一個基本的評判依據?？梢?，試樣的實測硬度符合GB/T 1972—2005規定的硬度范圍。

1.5金相試驗

將碟形彈簧斷口沿厚度方向切開，取垂直彈簧表面的剖面試樣，經鑲嵌、磨制、拋光后用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕10 s，然后在Leica DMI3000M金相顯微鏡下觀察。

圖4所示為基體顯微組織，可見組織為保留馬氏體針狀位相的回火托氏體，然而圖4(b)中也可以觀察到極少的區域還出現了羽毛狀回火貝氏體。圖5為斷口附近的金相照片，可見微裂紋由斷口往內部擴展。

(a)保留馬氏體針狀位相的回火托氏體

(b)出現少量羽毛狀回火貝氏體圖4　基體金相組織

圖5　斷口附近金相組織及微裂紋形貌

對彈簧表面脫碳層進行檢驗，結果如圖6所示。需要說明的是，脫碳層試樣取的是垂直彈簧表面的剖面試樣，試樣必須經鑲嵌保護磨制。由圖6可知，彈簧表面未見明顯的脫碳層，從表面到基體未見明顯的組織變化。

圖6　表面金相組織

1.6掃描電鏡及能譜分析

將斷口放在盛酒精的燒杯中，用超聲波清洗，然后在Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)下進行斷口形貌觀察。

圖7為斷口SEM形貌，可以觀察到自外徑邊緣(右)往凹槽方向(左)延伸的一條橫向裂紋，區域Z1為近外徑邊緣的表面處理層，Z2為橫向裂紋分叉的基體區域。需要注意的是，裂紋在區域Z2開始一方面繼續往左發展，一方面往上方發展，如圖8所示。圖8還示出橫向裂紋分叉后的區域Z3，橫向主裂紋的發展方向為：Z1→Z2→Z3。在圖8所示的區域Z3中，除了橫向主裂紋，還可以觀察到多條二次裂紋，此外還觀察到斷口的微觀形貌呈冰糖狀，符合沿晶脆性斷裂的特征。

圖7　斷口表面形貌

對斷口基體和表面處理層進行微區能譜分析，結果如圖9所示。通過能譜成分分析可知，基體選區未檢測到異常的化學元素，未發現非金屬夾雜物和偏析；表面處理層選區則檢測到一定量的Al、Ca等元素。

(a)基體選區

(b)表面處理層選區圖9　微區能譜分析結果

2討論

2.1理化性能

光譜分析發現斷裂的碟形彈簧材質與設計材質51CrV4相符。洛氏硬度試驗發現彈簧的硬度符合標準要求。金相試驗表明顯微組織基本正常，為回火托氏體組織，保留了馬氏體針狀位相，然而也發現有少量的羽毛狀回火貝氏體。這種組織一般具有較高的裂紋敏感性，是硬而脆的組織特征，在使用過程中發生脆性斷裂的傾向較大[12]。

2.2斷裂原因分析

碟形彈簧結構形式如圖10所示，其特征是在彈簧的上表面靠近內徑邊緣處和下表面靠近外徑邊緣處加工有U形凹槽，彈簧在組合使用時采用支撐圈定位。然而在儲能機構中，彈簧始終處于接近壓平的狀態[3]，這種情況下彈簧的X、Y區域(見圖10)的工作應力很高，而且附近加工有U形凹槽，是彈簧容易開裂的部位。

圖10　碟形彈簧結構形式

碟形彈簧的生產工序一般為：下料→鍛造→機加工→熱成型→熱處理→強壓處理→表面強化處理→表面防腐處理。碟形彈簧在生產過程中易發生裂紋，裂紋一般出現在強壓處理后，部分出現在淬火或回火后，且裂紋發生的部位一般是在圖10所示的上表面內緣(X區域)或下表面外緣(Y區域)。

結合掃描電鏡分析的結果，進一步推斷碟形彈簧斷裂的內因：在制造過程中碟形彈簧表面預先形成裂紋，裂紋呈現橫條狀、平直的特征(見圖7)，可能是在淬火時產生的微裂紋。

通過以上分析可以推斷，碟形彈簧下表面外徑邊緣處(圖10所示Y區域)在制造過程中形成裂紋等原始缺陷，在使用過程中U形凹槽附近應力集中的條件下，裂紋擴展并導致彈簧斷裂失效。

3結論

a)碟形彈簧斷裂的原因推斷是彈簧下表面外徑邊緣至U形凹槽的區域在制造過程中形成原始缺陷，此處存在應力集中現象，在使用過程中，裂紋擴展并最終導致彈簧斷裂。

b)碟形彈簧的顯微組織保留了明顯的馬氏體針狀形態，還出現了少量的羽毛狀回火貝氏體，這些特征表明彈簧在使用過程中容易發生脆性斷裂。

c)建議檢修及運行維護過程中對碟形彈簧進行排查，發現表面處理層損壞或發現裂紋應及時更換。

參考文獻：

[1] DIN EN 10089—2002，Hot-rolled Steels for Quenched and Tempered Aprings—Technical Delivery Conditions[S].

[2] GB/T 1972—2005，碟形彈簧[S].

[3] 朱龍標，沈子建，胡藝賓. 儲能裝置中高應力碟形彈簧的工藝研究[J]. 機械工業標準化與質量，2012(增刊1)：152-153.

ZHU Longbiao，SHEN Zijian，HU Yibin. Study on Technology of High Stress Disc Spring in Energy Storage Device[J]. Machinery Industry Standardization & Quality，2012(S1)：152-153.

[4] 榮強，程文瀼. 隔震層中設置碟形彈簧的豎向隔震研究[J]. 工業建筑，2006(36)：22-23.

RONG Qiang，CHENG Wenrang. A Study on Vertical Seismic Isolation of Isolation Layer with Disk Spring[J]. Industrial Construction，2006(36)：22-23.

[5] 熊世樹. 三維基礎隔震系統的理論與試驗研究[D]. 武漢：華中科技大學，2004.

[6] 黃河. 三維復合隔震支座的蝶形彈簧試驗與應用研究[D]. 北京：北京交通大學，2013.

[7] 張家云. 三維復合隔震支座及其在網殼結構中的應用[D]. 北京：北京交通大學，2014.

[8] 趙亞敏，蘇經宇，周錫元，等. 碟形彈簧豎向隔震結構振動臺試驗及數值模擬研究[J]. 建筑結構學報，2008，29(6)：99-106.

ZHAO Yamin，SU Jingyu，ZHOU Xiyuan，et al. Shaking Table Test and Numerical Analysis of Vertical-Isolated Building Model with Combined Disk Spring Bearing[J]. Journal of Building Structures，2008，29(6)：99-106.

[9] 馮海龍. 碟形彈簧豎向減震裝置的設計[J]. 山西建筑，2010(36)：72-73.

FENG Hailong. Design of Vertical Seismic Isolation Device by Disk Spring[J]. Shanxi Architecture，2010(36)：72-73.

[10] 王曉波. 碟形彈簧的力學性能研究[D]. 鄭州：鄭州大學，2007.

[11] 荀環，尹祖成，楊闊飛. 碟形彈簧產生裂紋原因分析[J]. 金屬熱處理，2005(30)：95-96.

XUN Huan，YIN Zucheng，YANG Kuofei. Failure Analysis for Cracked Disk Spring[J]. Heat Treatment of Metals，2005(30)：95-96.

[12] 崔忠圻. 金屬學及熱處理[M]. 北京：機械工業出版社，1996.

李文勝(1984)，男，湖南湘鄉人。工程師，工學博士，從事電網金屬監督和理化檢驗技術研究。

董重里(1972)，男，河北秦皇島人。高級工程師，工學碩士，從事電網金屬監督和材料表面工程工作。

胡平(1973)，女，安徽蕪湖人。高級工程師，工學博士，從事電網設備材料和理化檢驗技術研究。

(編輯彭艷)

Analysis on Belleville Spring Fracture of Controlling Gear of Gas Insulated Switchgear in 220 kV Substation

LI Wensheng, DONG Zhongli, HU Ping, WANG Wei, LIN Jiedong

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

Abstract：This paper analyzes reasons for Belleville spring fracture of controlling gear of gas insulated switchgear in 220 kV substation by experiments of microscopic test, metallographic test, spectral analysis, Rockwell hardness test, scanning electron microscope observation, energy spectrum analysis, and so on. Results indicate that reasons for Belleville spring fracture may be deduced for original defect of the area along the edge of external diameter of the lower surface of the spring to the U-shaped groove in manufacturing process where exists stress concentration, and in use procedure, cracks extend and finally cause spring fracture. In addition, microscopic structure of the Belleville spring keeps obvious martensitic acicular form and there is a little featheriness tempered bainite, which indicates that brittle fracture is easy to occur on the spring in use procedure.

Key words：substation; gas insulated switchgear; Belleville spring; fracture

作者簡介：

中圖分類號：TG142.41

文獻標志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)02-0116-05

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.023

基金項目：中國南方電網有限責任公司科技項目(GDKJ00000081)

收稿日期：2015-09-21修回日期：2015-11-16