金属断口技术论文
金属断口技术论文
随着断裂学科的发展，金属断口分析在材料断裂失效分析中占有越来越重要的位置。下面是小编为大家精心推荐的金属断口技术论文，希望能够对您有所帮助。
金属断口技术论文篇一
500kV断路器断口击穿故障与防护措施分析
[摘 要]通过对几起500 kV断路器断口击穿故障的分析表明，断路器断口发生击穿后，无论是灭弧室内部断口击穿还是断口外绝缘表面闪络，故障电弧均不能自行熄灭，同时由于断口闪络电流较小且没有对地故障，各种保护装置均不能快速动作。持续燃烧数秒钟的电弧使灭弧室严重发热，劣化SF。气体，并引发断路器爆炸等更严重的设备故障。带有并联电杭器的线路断路器及发变组断路器发生断口闪络故障的风险较高。
[关键词]断路器;断口闪络;闪络保护
中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2014)18-0143-01
0 引言
近期电网发生的几起断路器断口击穿、并联电容器击穿以及断路器断口瓷套外部闪络击穿故障，从总体来看，这几起故障均可归为断路器断口闪络、击穿故障，并从中可以看出发变组断路器、以及带有并联电抗器线路的断路器发生断口闪络的风险较高。由于断口闪络后故障电流较小且没有对地故障，通常保护装置均不能快速切除故障;同时由于系统电压的存在，故障电弧也不能自行熄灭。从近期几起故障来看，持续燃烧数秒钟的电弧使灭弧室严重发热，劣化SF。气体，并引发断路器爆炸等更严重的设备故障。因此为断路器闪络配置有效的保护装置，及时切除发生故障的断路器，对于保证设备安全、避免故障扩大有着重要意义。
1 断路器断口闪络故障分析
1.1 发变组断路器断口闪络故障
1.1.1 断路器机械故障造成的断口闪络
2011年5月19日，某电厂1号机组启动并网过程中，执行调度命令将5021，5022断路器由冷备转热备。在5021-1刀闸已合入，合入5021-2刀闸后，发生5021断路器C相损坏、1号母线双套差动动作的故障， 从故障波形可以看出，故障时，5021断路器C相出现一次有效值约6.8 kA的电流;此后约4s时间内，该电流随发变组高压侧电压与系统母线电压之间的角度差变化而变化，呈现周期性变化趋势，当角度差为零时，该电流为零，角度差为最大时，该电流在此4s时间内的最大有效值达到4 kA，但持续时间很短;该电流始终存在，直到断路器爆炸引发相间短路母差保护动作。
后解体分析认为，由于该断路器内部变直机构轴销脱落，造成双断口中靠近发变组进线侧断口实际始终处于合位。起机过程中，由于机组电压与系统电压存在频差，使断路器断口间电压在0～2U0范围内变化(U0为系统电压额定值);而由于发变组进线侧断口实际在合入位置，断路器母线侧单断口外绝缘不能承受2 U0的工频电压，进而发生外绝缘闪络。
由于机组同期并网过程机组电压与系统电压的幅值相位都比较接近，因此断口外绝缘闪络后故障电流很小，且为低频周期出现，在断口发生闪络的4S时间内没有保护能够感知故障并动作，电弧持续燃烧，断路器内部压力也不断增大，直至断路器瓷套发生爆炸，断路器内部SF。气体与碎裂的瓷件飞出，引起相间短路故障后，短路电流激增，母线保护才动作将故障切除。
1.1.2 外绝缘闪络造成的断口闪络
2011年3月26日，某电厂机组具备并网条件后，按照调度令进行并网操作，当发电机机端电压升至19.9 kV、运行人员即将自动同期装置投入准备并网时，升压站5008开关B相灭弧室东断口发生爆炸， 通过对闪络过程故障录波的分析，在机组并网前由于主变高压侧电压与系统电压存在微小相角差和频差，使5008开关断口两侧电压在0～2U0范围内变化。从产品设计和制造上，断路器断口灭弧室内部绝缘能够承受该电压的作用，之后的解体过程中检查灭弧室内部喷口没有烧损和放弧痕迹看，也证明灭弧室内部没有发生内闪络。但由于故障前该厂地区大量降雪，在柱式断路器水平断口外表而上方存在大量积雪，断口外绝缘水平大大降低，最终在2U0电压作用下造成断口外绝缘闪络，长时间的闪络电流，使电弧集中的灭弧室瓷套根部严重发热、加之灭弧室内部SF。气体压力作用，造成灭弧室爆炸。
此外从故障波形中可以看出，在断路器断口发生外绝缘闪络时后，主变高压侧B相出现电流，最大有效值为5 260 A(主变高压侧正常额定电流为825 A)，系统电压仍为正常值。但由于B相闪络后机组实际上与系统联通，故障电流随之减小;在随后的0.5 s内减小到了2 kA以下，此故障电流不具备启动零序保护的条件，所以主变零序保护没有出口。直至2 765 ms后5008开关爆炸使静触头引线掉落于CT油箱发生接地短路，母差保护动作，切除5034A和5044开关，使500 kV-4 A母线彻底与系统断电隔离，故障消除。
1.2 带并联电抗器线路断路器断口闪络故障
1.2.1 切除空载线路引发的断口闪络
2012年3月3日，某带有并联电抗器的线路发生B相永久故障，断路器重合失败后三相跳开。在最后一组断路器三相跳开过程中，由于线路电容与并联电抗器间的放电过程，使断路器断口两端电压出现幅值较高的拍频电压，电压峰值达到910 kV。该电压造成A相断路器断口电容器击穿，电容器击穿后实际形成线路A相经闪络断口击穿的状态，流过断口的电流为经电抗器补偿后的线路空充电流，约为70 A。由于电流值很小(二次值为28 mA) ，且没有对地故障，因而所有保护均未动作;此电流在断口内持续燃烧约12 S，造成内部SF。气体严重劣化或电容器阀片爆裂，使内部绝缘降低，最终发展为对地故障，母差保护切除故障。
1.2.2 对端断路器切除空载线路引发的断口闪络
2010年5月5日，某变电站在对一带并联高抗补偿的线路停电操作过程中，在本侧断路器已断开情况下，线路对侧拉开断路器时，本侧断路器发生断口内部击穿。闪络电流约190 A，持续数秒后造成断路器双断口灭弧室炸裂，由于故障电流较小，且没有对地故障，所有保护均未动作，断口闪络的电弧在空气中燃烧十几分钟后，由运行人员将母线停运，电弧燃烧过程结束。
金属断口技术论文篇二
基于PCNN的金属断口图像识别方法研究
【摘 要】为将本钢新建的世界上最先进的2300热连轧机组装备优势转化为先进的技术优势和扩大高强钢产品市场份额，通过合理设计的合金成分，采用TMCP技术生产的高强度合金钢S700MC，在拉伸试验过程中其断口出现分层缺陷，采用金相方法对缺陷部位进行分析，是由于铸坯在凝固过程中C、Mn等元素的中心偏析以及氧化物夹杂所造成的，通过对炼钢工艺和轧钢工艺的优化可控制拉伸断口分层现象的发生。
【关键词】S700MC 高强钢 断口分层
1 引言
随着工程机械向装备大型化、轻量化及重载荷等方向的发展，高强度钢使用比例和质量要求都有较大提高，国内高强度工程机械用钢的研发及生产已取得快速进展，对高强钢的质量和强度要求越来越高。S700MC属于属低碳微合金冷成型用钢，采用了铌、钛微合金化和控轧空冷技术，广泛用于工程机械和车辆结构等领域。
目前，600MPa级及以上的高强热轧卷板按的强化机制主要有两种，一是低碳贝氏体系列，其特点是在低C或是超低碳的基础上加一定贝的Mn、Mo、B、Nb、Cr等合金元素，其组织是细的低碳贝氏体组织。这类钢的优点是有好的低温冲击性能，缺点是生产难度大，需要较低的卷取温度，板卷性能波动大;二是析出强化系列，其特点是在C-Mn钢的基础上加一定量的Nb、Ti等微合金元素。析出强化系列的优点是成形性能好，容易生产。目前，绝大多数高强板采用析出强化，本论文的高强钢S700MC就属此第二系列[1]。
2 试验材料与拉伸断口分层现象
2.1 S700MC化学成分及力学性能
S700MC钢合金成分执行标准EN10149-2，化学成分见表1，钢卷卷取8小时以后取样，要求在尾部3米，板宽1/4处取样，钢板厚度12.6mm，进行纵向拉伸、冲击和横向冷弯实验，各项性能指标均满足S700MC标准要求，实际测量现场生产样品，屈服强度和抗拉强度分别为735和850MPa，伸长率18.5%，-20℃冲击功大于70J，冷弯性能良好。
表1 S700MC钢化学成分
Table 1 Chemical composition of S700MC /%
成分 C Si Mn P S Alt Nb Ti V Nb+Ti+V Mo
产品成分 0.056 0.16 1.76 0.017 0.001 0.05 0.055 0.13 0.004 0.189 0.15
2.2 拉伸断口形貌及分析
S700MC的拉伸试样，见图1，通过进行金相分析，S700MC的组织为贝氏体加铁素体，见图2，因硬脆相贝氏体体积含量大，钢板存在较大的残余应力。
在拉伸试样断口处取样进行金相分析，经过研磨抛光后，利用金相显微镜和扫描电镜对试样断口处夹杂物以及C、Mn的偏析进行观察，见图2，发现中心存在严重的偏析，呈明显的带状分布，通常，钢液在连铸坯冷却凝固过程中以树枝晶的方式长大，由于选择结晶，造成晶内和枝晶间的化学成分不均匀，枝晶间富集了较多的碳、合金元素及硫、磷等杂质。连铸坯加热时，碳作为间隙固溶原子在奥氏体内部扩散分布较均匀，而置换固溶原子锰均匀化较困难，枝晶偏析难以彻底改善，在轧制过程中，铸坯的枝晶偏析逐步转变为成品卷板的带状偏析[2]。对拉力分层处中心试样重新抛光，进行夹杂物分析，发现中心存在夹杂物，检测分析其中B类夹杂物达2.5级，D类和Ds类分别为1.0和1.5级，这也是导致拉伸断口分层的主要原因。
图1 S700MC拉伸断口 图2 S700MC心部显微组织(厚度方向)
Fig.1 Tensile fracture of S700MC Fig.2 Microstructure in the1/4 position(thickness direction)
3 S700MC钢拉伸断口分层的控制措施
以上研究表明，拉伸断口分层的产生的根本原因是连铸坯浇注钢水在凝固过程中合金元素产生的中心偏析造成的，通过优化炼钢和轧钢工艺可以加以控制其断口分层缺陷的形成。
3.1 炼钢工艺优化
连铸坯浇注过程中的钢水过热度、拉速、扇形段辊道开口度及夹杂物控制等因素直接影响连铸坯中心偏析。钢水过热度是影响等轴晶比例的重要因素。非金属夹杂物，特别是硫化物、氧化物夹杂的偏聚对钢材的性能产生恶劣影响，严重降低钢材的塑性、韧性[3]。
针对以上因素，对炼钢工艺进行了以下优化：
(1)中包过热度控制在10～30℃，铸坯拉速保持1.0m/min 恒速浇铸。
(2)采用轻压下以及电磁搅拌技术，以减轻铸坯中心偏析。
3.2 轧制工艺优化
优化轧制工艺主要目的是改善板坯中心偏析对钢卷中心分层的影响和细化铁素体晶粒，促进Ti(C、N)和Nb(C、N)的弥散析出，细化晶粒，提高产品强韧性，粗轧采用大压下工艺，将粗轧的3+5 道次调整为3+3 道次，以及降低冷却速率等。
4 结语
(1)S700MC钢板拉伸断口分层产生的主要原因是连铸坯存在C和Mn等元素产生的中心偏析，使脆性相贝氏体在中心碳、锰偏析的区域优先形成，从而造成整个断面组织产生较大的差异。
(2)炼钢工艺可采取控制浇注钢水过热度、降低铸坯拉速、采用动态压下或电磁搅拌;轧制工艺粗轧采用大压下工艺，将粗轧的3+5 道次调整为3+3道次和降低冷却速率等控制措施避免或减轻S700MC钢板拉伸断口分层。
参考文献：
[1]陆匠心.700MPa级高强度微合金钢生产技术研究[D].东北大学博士学位论文，2004.
[2]崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2007.74-76.
[3]任吉堂.连铸连轧理论与实践[M].冶金工业出版社，2002.107-108.
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