GIS設備儀表接頭連接件漏氣淺析
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摘要：文中針對某220kV變電站gis設備儀表接頭連接件漏氣事故展開研究，通過運用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀等設備，結合宏觀檢查、材料成分分析等，系統(tǒng)分析了GIS設備儀表接頭連接件的漏氣原因。結果表明，針對使用工況，連接件設計材質(zhì)選用不合理是引起連接件漏氣的主因；其次是連接件毛坯的熱處理工藝控制不當以致產(chǎn)生微裂紋缺陷，且在出廠檢驗中未進行無損探傷試驗將其排除。根據(jù)行業(yè)相關導則對連接件進行了更換，并針對此提出了對策與建議。
關鍵詞：GIS設備；儀表連接件；303不銹鋼；晶間腐蝕；預防措施
0引言
氣體絕緣金屬封閉開關設備GIS(gas⁃insulatedswitchgear)因其結構緊湊、占地面積小、配置靈活、安裝方便、維護工作量小等特點，經(jīng)過多年發(fā)展，已成為輸電工程建設的主流方案[1-2]。但GIS常常出現(xiàn)SF6氣體泄漏引起的設備內(nèi)部絕緣性能下降的故障，且隨著運行時間的逐漸增長，由故障漏氣帶來的風險也越來越大，進而影響電力設備穩(wěn)定運行，同時也會對大氣環(huán)境造成嚴重污染[3]。因此，GIS設備漏氣問題值得關注[4-6]。SF6氣體泄漏后需要進行補充，處理時間比較長，會造成長時間、大范圍的停電，而且維修和處理都比較麻煩[7-8]。目前，在發(fā)現(xiàn)GIS設備出現(xiàn)漏氣時，通常采用補氣的方式進行處理，但是該方法無法從根本上解決問題，漏氣現(xiàn)象不能得到有效抑制。因此，對GIS設備進行漏氣點的查找及漏氣原因分析是十分必要的[9-10]。據(jù)統(tǒng)計，GIS設備中易出現(xiàn)SF6氣體泄漏現(xiàn)象的部位主要有母線伸縮節(jié)、法蘭密封面、殼體焊接處及注膠孔等位置[11]。從相關文獻可以看到，GIS設備漏氣事故原因集中在盆式絕緣子安裝工藝控制不良[12]，法蘭連接處注脂密封不合格，水氣入侵導致生銹[13]，母線伸縮節(jié)碟簧長度存在誤差，長度調(diào)整不能滿足設計要求[14]，伸縮節(jié)安裝不規(guī)范，外側(cè)的螺栓緊固而不能伸長，沒有起到緩解母線筒熱脹冷縮的作用[15]，GIS焊縫局部存在焊接缺陷，焊縫受到應力作用發(fā)生疲勞開裂[16-17]等，有關漏氣原因的分析及其預防措施研究的文獻較多，但對GIS設備儀表接頭連接件漏氣的研究相對較少。文中基于重慶某220kV變電站GIS設備儀表接頭連接件發(fā)生SF6氣體泄漏事故，運用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀等設備，結合宏觀檢查、材料成分分析，系統(tǒng)探討了GIS設備儀表接頭連接件失效漏氣的原因，最終為解決同類型的GIS設備SF6氣體泄漏事故提供了研究方向和技術指導意見。
1案例
2019年6月5日，重慶某220kV變電站運維人員日常巡視工作中發(fā)現(xiàn)某公司生產(chǎn)的220kVGIS設備密度繼電器報警，通過SF6檢漏儀檢測到2021開關表計與氣路管道接頭處存在SF6漏氣情況(見圖1)。運維人員第一時間上報故障情況，同時發(fā)現(xiàn)2022，2023等開關部位的儀表接頭連接件表面都出現(xiàn)了腐蝕性裂紋。根據(jù)廠家提供的資料，該組合電器于2016年4月26日出廠，2016年9月30日投運，連接件的設計材質(zhì)為303不銹鋼，上述失效連接件為該廠同一批次產(chǎn)品。
2試驗
2.1宏觀檢查
通過觀察，連接件為圓柱頭六角形，內(nèi)部通過螺紋方式進行連接，外表面大部分區(qū)域呈現(xiàn)銀白色的金屬光澤，端面和側(cè)面有較明顯的銹蝕和裂紋。裂紋位置主要位于連接件6個面底部與螺桿連接部位，裂紋由上至下呈縱向趨勢發(fā)展，見圖2，其中，底部已經(jīng)形成從內(nèi)到外的橫向貫穿裂紋，所有裂紋縫隙處均有黃褐色的銹跡，整個連接件無明顯塑性變形，具有晶間脆性開裂特征，且從裂紋銹蝕情況來看，裂紋的形成和發(fā)展已有較長的時間。
2.2材料成分分析
在變電站現(xiàn)場，分析人員使用便攜式X射線熒光光譜儀對帶裂紋的GIS設備儀表接頭連接件進行材質(zhì)分析，分析結果見表1，儀器顯示牌號為Y1Cr18Ni9不銹鋼(303不銹鋼)，與廠家提供的資料相符。隨后分析人員將失效的連接件帶回實驗室，使用臺式直讀光譜儀對其進行全元素化學成分分析，分析結果見表2。各元素體積分數(shù)符合GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》[18]對Y1Cr18Ni9不銹鋼(303不銹鋼)材質(zhì)的技術要求。
2.3顯微組織形貌
對儀表接頭連接件不同部位進行取樣，通過鑲嵌，打磨，拋光后，可看到裂紋是由連接件表面向芯部逐漸擴展(見圖3)。再用王水(鹽酸：硝酸=3：1)浸蝕，在金相顯微鏡下觀察，檢查結果見圖4、5。圖可以看到，該連接件金相組織為奧氏體孿晶組織，同時晶界上分布著許多碳化物和夾雜物顆粒，圖5在裂紋尖端可以觀察到裂紋沿著晶界萌生和擴展，符合沿晶裂紋特征，為典型的晶間腐蝕裂紋。為進一步分析金相照片指示的裂紋附近的微觀形貌，將切割后的樣品在掃描電鏡下觀察其橫截面，其微觀形貌見圖6。從圖6可以看到，在晶界上分布著大量的碳化物、夾雜物，以及碳化物脫落后留下的空洞。碳化物或夾雜物EDS分析結果見表3，從表3可以看出，碳化物主要是碳—鉻的化合物，夾雜物主要元素是硫、氧元素。
2.4失效原因分析
結合化學成分分析，及顯微組織分析可以看出，該連接件所用材質(zhì)為Y1Cr18Ni9不銹鋼(303不銹鋼)，其各元素體積分數(shù)都符合GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》[18]的技術要求。整個連接件無明顯塑性變形，具有脆性開裂特征，由顯微組織可以看到，裂紋為典型的晶間腐蝕裂紋。根據(jù)廠家提供的信息，連接件的設計選材為303不銹鋼，相比于常見的304不銹鋼，303不銹鋼中加入了大量硫元素提高了其切削性能和抗高溫粘結性能，最適用于自動車床、螺栓和螺母[19-20]。由EDS分析結果可以看到，由于連接件中硫元素過多，硫元素會與鐵元素或FeO(氧化鐵)形成低熔點的共晶體，并沿初生晶粒晶界析出，形成硫化物夾雜，鋼材在熱加工過程中共晶體融化導致鋼材開裂，即鋼的“熱脆性”[21-22]，從金相照片中可以看到部分微裂紋在連接件毛坯凝固時就已經(jīng)存在。此外在連接件微觀組織中奧氏體晶界上分布有許多碳化物，303不銹鋼中的碳元素體積分數(shù)過多，與未融入基體的合金元素鉻形成碳化物并從晶界析出，造成晶界和臨近區(qū)域的鉻元素體積分數(shù)偏低，形成貧鉻區(qū)，而鉻是不銹鋼耐蝕的主要元素，結合重慶地區(qū)的大氣條件，常年氣候濕潤，空氣中的水分不斷吸附二氧化硫，二氧化氮等的含酸氣體，而貧鉻區(qū)的出現(xiàn)直接導致了不銹鋼抗腐蝕能力變差[23-24]，從沿晶腐蝕到最后沿晶開裂漏氣。
3結論
1)儀表接頭連接件開裂的主要原因是設計選用的Y1Cr18Ni9不銹鋼(303不銹鋼)不適用于戶外GIS設備連接件氣路管道部位。2)儀表接頭連接件在凝固過程中熱處理工藝控制不當，一方面當鉻元素未充分固溶到奧氏體中，會形成碳化物并從晶界析出，造成材質(zhì)劣化，另一方面硫元素過多也導致了連接件在凝固過程中形成微裂紋缺陷。以上原因共同導致了GIS設備儀表連接件耐腐蝕性不能滿足長期使用要求，連接件由晶間腐蝕生銹逐漸發(fā)展成貫穿裂紋，從而發(fā)生漏氣事故。國家電網(wǎng)公司最新企標Q/GDW11717—2017《電網(wǎng)設備金屬技術監(jiān)督導則》[25]中4.3.1規(guī)定：“在重污染環(huán)境中以及在戶外工作的金屬部件應選用防腐性能較好的材料，如3系、5系、6系等鋁合金以及耐腐蝕性不低于06Cr19Ni10(304)的奧氏體不銹鋼”，Y1Cr18Ni9(303不銹鋼)耐腐蝕性能低于06Cr19Ni10(304不銹鋼)，因此建議GIS設備生產(chǎn)商家對今后類似不合格連接件應全部更換為耐蝕性更好的304或316不銹鋼。
作者:任嘯 王謙 袁媛 周江 劉熊 單位:國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院 重慶大學材料科學與工程學院