某电厂导电螺杆断裂失效分析及措施改进
叶煜 姚金传 张健
（上海电气电站设备有限公司上海发电机厂，上海市闵行区江川路555号三号门 200240） 摘 要：文章对断裂导电螺杆进行失效分析。通过对导电螺杆进行化学成分、力学性能、导电性能、金相、断口和受力分析，确定了导电螺杆断裂失效的原因，并提出了改进措施。
关键词：导电螺杆、疲劳、断口
0 引言
2023年某电厂监盘发现转子接地保护报警，停机后进行检查，发现转子导电螺杆已断裂，其他部件未见异常，见图1。国内发电机机组近年来报道的导电螺杆相关问题较少，主要有导电螺杆松动[1]、由于装配问题造成的从导电螺杆处漏氢[2]、由于发电机短路引起的导电螺杆熔化[3]和导电螺杆绝缘损坏[4]等。但是，未报到过导电螺杆断裂的事件。
为了分析导电螺杆断裂原因，文章将从材料成分、金相和断口特征对断裂导电螺杆进行分析。
图1 现场导电螺杆断裂图
1 化学成分分析
该电厂发电机为原装进口机，根据进口采购规范要求，导电螺杆材料采用铬锆铜。对断裂的导电螺杆化学成分进行测试，结果见表1。由表可知，其实际使用的材料为纯铜且杂质含量较高，成分不满足相关规范要求。
表1 化学成分
元素 设计要求 实测
Zr 0.12~0.20 ＜0.005
Cr 0.5~0.8 ≤0.001
Cu 剩余 99.02
Ag — ＜0.005
O — 0.017
H — ＜0.0001
其他 ≤0.1 0.95
2 性能分析
为检测导电螺杆性能，切下剩余导电螺杆下半部分，进行拉伸性能、导电率及硬度测试。拉伸性能取1/2半径处，导电率和硬度在横截面上等间距（20mm）选取5个点进行测试，位置示意图见图2，性能测试结果见表2和表3。
由表2和表3可知，该导电螺杆整个横截面导电率和硬度相对均匀；由于材料采用的是纯铜，导电率可达99.0%IACS，满足设计要求；但其常温拉伸性能以及在350℃下高温拉伸性能均不满足设计要求。
图2 取样示意图
表2 导电率、硬度测试结果
测试点 导电率/% IACS 硬度/HRF
1 99.1 72
2 99.1 74.5
3 98.7 73.5
4 99.1 74.5
5 98.7 76 表3 主要性能
性能 设计要求 实测 设计要求 实测
实验温度 23℃ 350℃
屈服强度Rp0.2/MPa ≥280 217 — —
抗拉强度Rm/MPa ≥370 241 ≥260 110
伸长率A/ % ≥15 37 ≥13 27
断面收缩率Z/% — — ≥50 27
导电率/%IACS ≥77.5 99.0（平均值） — —
3 金相及断口分析
由上述化学成分和性能分析可以初步判定，该进口机组导电螺杆断裂是由于材料选用错误造成。为进一步确定失效的原因和机理，对该断裂导电螺杆进行金相和断口分析。
3.1 金相分析
图3所示为导电螺杆横截面的金相照片。由图可知，导电螺杆纯铜中存在连续的析出物，该析出物的存在会降低材料的性能。
图3 横截面金相
3.2 断口分析
为进一步分析导电螺杆断裂原因，将其断口置于SEM下进行观察，如图4。
图4 导电螺杆宏观照片
如图5所示，由于在断裂过程及断后被摩擦或撞击，断口上存在大量的磨损，断口两侧及上侧形貌已不可见（图5中A、B、C、D区域）。
图5 断口磨损情况
如图6所示，该断口上存在大量的二次裂纹，二次裂纹的产生可能是由于裂纹在扩展过程中遇到了第二相。从宏观看，断口有几种典型形貌，特征1：上半部分较为光滑形貌，特征2：中部及中部往下较为粗糙形貌，特征3：撕裂形貌以及特征4：底部齿状开裂。
图6 断口典型形貌
对导电螺杆断口左上部分进行放大分析。图7（b）为图7（a）中A区的放大，由图7（b）可见，在导电螺杆上表面（偏左端）发现了裂纹源（放射线收敛于裂纹源）。图7（c）为图7（b）中方框区域放大，图中可以看到疲劳辉纹，该区域为典型的疲劳特征。可以判定，裂纹起源于导电螺杆上表面，然后以疲劳的形式扩展。
图7（d）为图7（a）中B区的放大，该区域宏观上呈现出撕裂的形貌（图6中特征3）。对图7（d）进行放大（图7（e）和图7（f）），可见该撕裂在微观上呈现出韧窝的形貌，是终断区。
图7 导电螺杆断口局部特征
经检查发现，导电螺杆上半部分除了有疲劳形貌以外，在上半偏右部分发现有如图8所示的形貌。图8（b）为图8（a）方框区域放大，图8（c）为图8（b）方框区域放大。由图8（c）区域可见明显的断裂后的磨损，微观形貌被破坏，但是仍然可见类似韧窝的形貌。此区域可能是终断区。
图8 导电螺杆断口局部特征
图9为导电螺杆断口下半部分宏观所示特征2较为粗糙部分放大图，图9（b）为图9（a）方框区域放大，图9（c）、图9（d）分别为图9（b）中A区和B区放大，图9（f）为图9（e）方框区域放大，图9（h）为图9（g）方框区域放大。由图可知，该区域放大后可以看到明显的疲劳辉纹，呈现出疲劳断裂的特征。
图9 导电螺杆断口局部特征
图10为导电螺杆断口下半部分宏观所示特征4齿状开裂放大图，图9（b）为图9（a）方框区域放大，图9（d）为图9（c）中方框区域放大，图9（f）为图9（e）方框区域放大，图9（h）为图9（g）方框区域放大。由图可知，该区域放大后可以看到明显韧窝形貌，呈现出终断区的特征。
图10 导电螺杆断口局部特征
综上可知，导电螺杆裂纹起源于上表面偏左位置，由于断口部分破坏，不排除有多裂纹源的可能。裂纹源形成后，以疲劳的形式扩展，最终断裂。
4 机械计算
为确定材料错误对导电螺杆疲劳寿命的影响，建立数模进行机械计算。
4.1 数模建立
根据导电螺杆结构设计，考虑结构的对称性，建立1/2导电螺杆装配的有限元模型，如图11所示。分析中实体结构均采用高阶的20节点SOLID186单元以保证结构的精度。
图11 导电螺杆强度计算有限元模型
有限元模型中各部件使用的材料参数如表4所示，其中，纯铜和铬锆铜在塑性阶段的应力应变曲线如图12所示。
表4 材料参数
部件 弹性模量E (MPa) 泊松比ν 密度ρ (kg/mm3) 热胀系数α (1/℃)
磁极引线 117000 0.35 8.95×10-6 17.4×10-6
导电螺杆（纯铜） 117000 0.35 8.95×10-6 17.4×10-6
导电螺杆（铬锆铜） 104000 0.35 8.95×10-6 17.4×10-6
环 2.07×105 0.3 7.86×10-6 11.5×10-6
绝缘筒 1.10×104 0.15 1.39×10-6 12.6×10-6
（a）纯铜
（b）铬锆铜
图12 纯铜、铬锆铜材料塑性应力-应变曲线
4.2 边界与载荷
由于对模型进行了简化处理，建立了导电螺杆的1/2模型，因此在所有部件的对称面上施加对称约束，同时在导电螺杆底部螺纹段施加柔性的位移约束。计算中共考虑2个工况：1、静止工况，转子0转速，各部件无温升，磁极引线顶部和绝缘筒无位移，螺栓预紧力12500N；2、额定工况，施加转速为3000r/min，保持螺栓预紧力，施加各部件温升，磁极引线顶部和绝缘筒施加位移载荷。其中，额定工况下边界条件及载荷如图13所示。
图13 有限元边界条件及载荷（额定工况）
4.3 计算结果
计算导电螺杆在静止、额定工况下的应力，采用纯铜时，导电螺杆最大等效应力分别为176MPa、317MPa,如图14所示；采用铬锆铜时，导电螺杆最大等效应力分别为198MPa、420MPa,如图15所示。
图14 导电螺杆（纯铜）等效应力云图
（左：静止；右：额定）
图15 导电螺杆（铬锆铜）等效应力云图
（左：静止；右：额定）
从上面的计算结果可以看出，在额定工况下，导电螺杆无论采用纯铜还是铬锆铜，最大等效应力均超材料屈服强度，因此需校核其疲劳强度。静止-额定交变工况下，导电螺杆应力幅及应变幅云图如图16和图17所示。取最大应变点进行疲劳计算，采用铬锆铜材料时导电螺杆寿命约为采用纯铜材料时的60倍。
导电螺杆采用纯铜材料寿命明显远低于采用铬锆铜材料的寿命。
图16 静止-额定交变工况下导电螺杆（纯铜）应力幅应变幅云图
图17 静止-额定交变工况下导电螺杆（铬锆铜）应力幅应变幅云图
4 结论
通过对失效导电螺杆化学成分、性能、金相、断口以及机械计算分析可知：
1） 导电螺杆为疲劳导致的断裂；
2） 导电螺杆采用纯铜材料的疲劳寿命远低于采用铬锆铜；
3） 导电螺杆断裂的可能原因由于检验不严发生了混料，实际使用性能远低于设计要求值。
5 改进措施及建议
1）加强对原材料的检验，避免发生同类事件；
2）该发电机另一极导电螺杆极有可能存在同样问题，应尽快拆下并检查；
3）对同一批进口机组进行相关检查，避免发生同类问题；
4）由于导电螺杆不易拆下，建议后续初步检查采用便携式设备，在不拆的情况下进行化分和硬度检测。
参考文献：
[1]林镇钰.大型汽轮发电机转子直流电阻偏大的分析与处理[J].华电技术, 2015.
[2]林史峰.沙角A发电厂4号发电机转子漏氢分析[J].广东电力, 2000.
[3]王景晞,张号,商显栋,等.电厂发电机转子开裂失效分析[J].化工机械, 2022(004):049.
[4]姜茜.汽轮发电机常见故障及事故分析[J].东方电机, 2012.
作者简介：
叶煜（1988.09－），男，安徽省安庆市（宿松县）人，博士，高级工程师，研究方向为发电机金属材料和焊接，E-mail：yeyu2@shanghai-electric.com。
注：（作者联系方式：叶煜，手机：13811928774，固定电话：021-64626666-7136，电子信箱：yeyu2@shanghai-electric.com，通信地址：上海市闵行区江川路555号3号门上海发电机厂，邮编：200240）
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