QFSN-300-2-20型發(fā)電機(jī)出線套管爆裂原因分析及防范措施

周多軍

（湛江電力有限公司，廣東 湛江 524099）

某電廠2 號(hào)QFSN-300-2-20 型發(fā)電機(jī)，其早期的出線套管結(jié)構(gòu)為：水內(nèi)冷導(dǎo)電桿套裝于空心瓷套中，導(dǎo)電桿外表面與瓷套內(nèi)表面有空氣間隙。套管上端密封置于氫氣中，下端密封置于空氣中，這樣，對(duì)上端漏入套管內(nèi)的氫氣也有密封、阻止其外泄的作用。通常情況下，這種套管是滿足安全運(yùn)行要求的，但由于其上下端的密封件壽命有限，運(yùn)行多年后需對(duì)其進(jìn)行檢修、更換，在處理過程中往往受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及檢修工藝的影響，會(huì)產(chǎn)生工藝缺陷進(jìn)而造成極其嚴(yán)重的后果。

1 事件經(jīng)過

1.1 第1 次套管爆裂經(jīng)過及情況

某電廠2 號(hào)機(jī)組于2010-04-21 大修后啟動(dòng)，于2010-04-25T23:35 并網(wǎng)。26日04:40，在89 MW負(fù)荷下，集控室值班人員聽到2 號(hào)機(jī)6.3 m 層傳來響聲，檢查發(fā)現(xiàn)2 號(hào)發(fā)電機(jī)封母筒下部地面上有瓷瓶碎片，初步判斷是發(fā)電機(jī)出線套管出現(xiàn)問題。2號(hào)機(jī)停機(jī)，檢查情況如下。

(1)B 相出線套管機(jī)外部分已全部碎裂(見圖1)，碎片最大直徑約20 cm，其余約為5 ～6 cm，斷面無明顯陳舊痕跡。套管的機(jī)內(nèi)部分無破裂變形現(xiàn)象。

(2)B 相套管出線端處的封閉母線筒內(nèi)壁上，與套管瓷裙對(duì)應(yīng)高度的圓周上有多處明顯的被擊打的凹痕(約1 mm 深)。

(3)B 相導(dǎo)電桿表面油膩濕潤(rùn)，上下定位銅環(huán)上的Φ8 膠圈已老化脫落。

(4)發(fā)電機(jī)定子出線出水溫度：A 相38.5 ℃、B相38.1 ℃、C 相38.3 ℃。氫壓0.26 MPa，事件發(fā)生前后發(fā)電機(jī)各參數(shù)正常，機(jī)組軸系振動(dòng)正常。

(5)本次大修僅更換了B 相出線套管下端口的密封圈。

檢查后，電廠更換了B 相套管的瓷套，在水壓、絕緣等試驗(yàn)合格后，于2010-04-29 再次并網(wǎng)投運(yùn)。

圖1 B 相出線套管瓷套爆裂后導(dǎo)電桿裸露

1.2 第2 次套管爆裂經(jīng)過及情況

自從第1 次套管爆裂事件處理后，2 號(hào)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后所帶負(fù)荷一直維持在210 ～300 MW。2010-05-14T13:50 左右，運(yùn)行人員進(jìn)行交接班檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)2 號(hào)發(fā)電機(jī)出線封母筒下方又出現(xiàn)碎瓷塊，判斷又發(fā)生瓷套爆裂（事后了解，當(dāng)日上午10點(diǎn)左右，有人曾聽到該方位有異響），隨即停2 號(hào)機(jī)。經(jīng)檢查，B 相出線套管的瓷套再次發(fā)生爆裂，具體情況如圖2，3 所示。

圖2 B 相出線套管瓷套第2 次爆裂的碎片

圖3 B 相瓷套爆裂后的法蘭及機(jī)內(nèi)部分

經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電桿的2 個(gè)定位銅環(huán)未安裝Φ8 防震橡膠圈。據(jù)了解，在第1 次爆裂后進(jìn)行搶修處理時(shí)，因只有3 天的時(shí)間，故采取了更換套管瓷套方式。施工中因?qū)щ姉U與瓷套中心不對(duì)正，該橡膠圈使瓷套很難裝上，于是沒有安裝橡膠圈。

第2 次套管爆裂發(fā)生時(shí)，發(fā)電機(jī)同樣處于正常運(yùn)行狀態(tài)，氫壓0.29 MPa，三相參數(shù)平衡，其中B 相出線出水溫度46.9 ℃，封母筒溫度46 ℃。停機(jī)后，在爆裂套管法蘭處人工檢漏氫氣，結(jié)果為0.9 %～1.1 %。

2 原因分析

2.1 電擊穿或表面污閃

套管爆裂后設(shè)備還在正常運(yùn)行的事實(shí)表明無電擊穿的可能。為了論證污閃可能性，試驗(yàn)人員進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，將CD 段(參見圖4)全部用鋁箔紙包裹并接地，套管內(nèi)放入等效模擬導(dǎo)電桿，在導(dǎo)電桿對(duì)地之間加壓，通過了64.5 kV 交流耐壓試驗(yàn)(按廠家產(chǎn)品技術(shù)條件)。為充分考慮現(xiàn)場(chǎng)不利條件，將套管的DE 段和AB 段表面打濕，加壓30 kV 亦無異常。這表明套管外露部分的污閃不足以構(gòu)成顯著影響，且外表面污閃既不會(huì)進(jìn)入套管內(nèi)部，也不會(huì)在外部產(chǎn)生如此巨大的能量使瓷套爆裂。

圖4 QFSN-300-2-20 型發(fā)電機(jī)出線套管電位分布

2.2 機(jī)械應(yīng)力或共振

發(fā)電機(jī)出線套管正常運(yùn)行時(shí)主要受到軸向壓緊應(yīng)力、中心不對(duì)正產(chǎn)生的徑向剪切力、振動(dòng)和熱膨脹應(yīng)力的作用。但是各種作用力和振動(dòng)都具有一定的方向性和局部性，在產(chǎn)生破壞作用時(shí)不可能將套管全方位甚至較均勻地爆裂粉碎。共振的破壞力只能是物理性的，不可能具有本事件中所顯現(xiàn)出的異常內(nèi)壓力。

此外，封母筒頂蓋(環(huán)氧板)與套管瓷套并未直接接觸，而是通過橡膠圈連接，瓷套表面距離環(huán)氧板以及固定橡膠圈的鋁圈距離皆大于15 mm，不可能發(fā)生直接碰撞。

2.3 內(nèi)部導(dǎo)電桿嚴(yán)重過熱

套管內(nèi)的導(dǎo)電桿如果因某種原因出現(xiàn)嚴(yán)重的整體或局部過熱，則套管的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度都會(huì)下降。在2 次套管爆裂事件的前后，三相定子出線出水溫差不大且均處于較低水平。導(dǎo)電桿徑向方向的溫度基本與其內(nèi)部對(duì)應(yīng)處的水溫一致,在軸向方向上呈線性分布，中間高、兩端低。在不同負(fù)荷率和冷卻水流量下,導(dǎo)電桿相對(duì)進(jìn)口水溫的最高溫升不超過10 ℃，最低溫升未超過3 ℃。只要導(dǎo)電桿內(nèi)通有一定量的冷卻水(＞0.4 m3/h)，冷卻水的溫度變化不會(huì)影響對(duì)導(dǎo)電桿的冷卻效果，所以導(dǎo)電桿的溫度不會(huì)影響套管的可靠運(yùn)行。

2.4 瓷套內(nèi)部氣體熱膨脹

2.4.1 套管瓷套內(nèi)腔的溫度估算

從2 次套管爆裂時(shí)的負(fù)荷大小和導(dǎo)電桿的出水溫度，結(jié)合出線套管傳熱理論，可推斷出導(dǎo)電桿表面的溫度不會(huì)高于40 ℃(第1 次爆裂)和50 ℃(第2 次爆裂)。導(dǎo)電桿的熱量主要經(jīng)冷卻水帶走，瓷套內(nèi)腔的溫度略小于導(dǎo)電桿表面溫度。

2.4.2 瓷套內(nèi)壓力推算

根據(jù)2 次套管爆裂時(shí)的環(huán)境溫度、瓷套內(nèi)腔溫度(取導(dǎo)電桿表面可能的最高溫度)、機(jī)內(nèi)氫壓(第1 次分別為26 ℃，40 ℃，0.26 MPa；第2 次分別為33 ℃，50 ℃，0.29 MPa)，由熱力學(xué)氣態(tài)方程可以推算：無論瓷套內(nèi)皆為空氣，還是冷態(tài)時(shí)漏進(jìn)的氫氣已等于機(jī)內(nèi)氫壓，可能的最大內(nèi)壓力＜0.31 MPa。考慮泄漏的雙向可逆性，瓷套內(nèi)腔的內(nèi)壓力一般不會(huì)超過機(jī)內(nèi)氫壓。

2.4.3 破壞內(nèi)壓力和長(zhǎng)時(shí)承受內(nèi)壓力的估算

該套管瓷套為Ⅱ類硅質(zhì)瓷上釉瓷套，瓷套內(nèi)壓力指標(biāo)：

(1)《氫冷電機(jī)氣密封性檢驗(yàn)方法及評(píng)定》要求：套管密封試驗(yàn)在0.4 MPa 下，6 h 的壓力降≤(0.4×0.008 %)MPa；

(2)瓷套的破壞內(nèi)壓力由電機(jī)工程手冊(cè)中相應(yīng)計(jì)算公式：

式中：δ為內(nèi)壓破壞應(yīng)力，從電機(jī)工程手冊(cè)中查得δ=6；D為斷面外徑；d為斷面內(nèi)徑。

上述結(jié)果是在(20±5)℃的條件下計(jì)算所得，考慮實(shí)際運(yùn)行中的溫升、振動(dòng)以及性能分散性等因素，根據(jù)格里菲斯基關(guān)于能量平衡的有關(guān)微裂紋理論，當(dāng)電瓷材料受外加作用力時(shí)，其表面及內(nèi)部總是存在的微裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展。此外，從抗熱震性講，長(zhǎng)期循環(huán)的冷熱作用產(chǎn)生的材料熱應(yīng)力變化也會(huì)導(dǎo)致微裂紋的進(jìn)一步產(chǎn)生和發(fā)展，最終使瓷套的機(jī)械強(qiáng)度下降。所以長(zhǎng)期運(yùn)行后的瓷套內(nèi)壓力實(shí)際承受能力比計(jì)算的破壞內(nèi)壓力要低一些，但仍高于瓷套在運(yùn)行中其內(nèi)腔氣體因溫度升高而膨脹所產(chǎn)生的最高內(nèi)壓力，因此瓷套內(nèi)氣體的正常溫升不會(huì)導(dǎo)致套管爆裂。

2.5 漏氫并發(fā)生“氫爆”

分析“氫爆”的原因，需要從如下幾點(diǎn)出發(fā)：

(1)引起氫爆的激勵(lì)因素；

(2)氫爆條件的形成時(shí)間；

(3)氫爆的強(qiáng)度；

(4)為何未發(fā)現(xiàn)燃燒痕跡。

2.5.1 激勵(lì)因素及條件的形成

氫氣在空氣中的爆炸范圍較寬，為4 %～75 %(體積分?jǐn)?shù))，在空氣中的最小點(diǎn)火能為0.019 mJ，導(dǎo)體局部不均勻電場(chǎng)與支持瓷瓶臟污、潮濕所引起的電暈均可作為爆炸的媒介條件。對(duì)2 次套管爆裂而言, 引起氫爆的媒介應(yīng)是套管內(nèi)部的強(qiáng)電暈。

發(fā)電機(jī)出現(xiàn)套管電位分布如圖4 所示，設(shè)套管內(nèi)表面某點(diǎn)與導(dǎo)電桿之間的電位差(按線電壓下考慮)為Uo，Uo=(Un-Ux)。通過模擬試驗(yàn)確定Uo的數(shù)值：套管法蘭接地，在套管中放置Φ60 金屬管，在不同中心、不同傾斜度情況下，以及模擬瓷套有貫穿性裂紋情況下，給金屬管加交、直流電壓進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：只要導(dǎo)電桿在套管內(nèi)正確裝配，基本保持在中心位置，正常運(yùn)行下是不會(huì)出現(xiàn)明顯電暈的。但是，當(dāng)導(dǎo)電桿與套管的中軸線相互偏差較大，導(dǎo)電桿與套管內(nèi)壁的間隙變小時(shí)，以及導(dǎo)電桿傾斜或瓷套有貫穿性裂紋時(shí)，起暈電壓都將顯著變小(最小僅為6.8 kV)。

當(dāng)管內(nèi)有潮氣、導(dǎo)電微塵時(shí)，其綜合作用也將降低起暈電壓。促使電暈強(qiáng)化還與滲氫(也必然滲入檢漏用的氟里昂氣體)有關(guān)，因?yàn)闅錃獾慕^緣強(qiáng)度僅為空氣的60 %，而氣密試驗(yàn)時(shí)滲入的氟里昂氣體在電暈作用下發(fā)生分解也會(huì)激發(fā)電暈。

從爆裂套管的現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來看，上述不利因素幾乎都存在，很有可能產(chǎn)生電暈甚至強(qiáng)烈電暈。

機(jī)組檢修后，從發(fā)電機(jī)充氫開始，B 相出線套管機(jī)內(nèi)上端的密封部位開始漏氫，因套管下端也密封，套管外部的檢漏無法發(fā)現(xiàn)此類漏氫。由于套管內(nèi)腔空間容量很小，氫氣與空氣的混合比例很快達(dá)到了燃爆范圍，在強(qiáng)電暈激勵(lì)下最終發(fā)生爆裂事件。

第2 次套管氫爆的條件形成與第1 次類似。因?qū)щ姉U上的2 個(gè)定位銅環(huán)缺少橡膠圈，可能存在的導(dǎo)電桿與瓷套的接觸，進(jìn)一步降低了瓷套的機(jī)械強(qiáng)度，這可能是造成第2 次爆裂碎片較小的原因。

2.5.2 氫爆強(qiáng)度估計(jì)

有關(guān)氣體爆炸的相關(guān)資料表明，爆炸會(huì)產(chǎn)生超壓。其中，空氣中氫氣爆炸最大壓力出現(xiàn)在濃度為30 %(氫體積比)附近，超壓比(最大壓力/初始?jí)毫?約6.5 倍；氫氧混合下的爆炸超壓比則為9～25倍(氫體積比濃度50 %時(shí))；而在密閉容器中，當(dāng)燃料以上、下極限的比例與空氣混合并且燃燒時(shí)，其爆炸超壓(指壓力增量，下同)是初始?jí)毫Φ?～5倍，當(dāng)燃料與空氣以化學(xué)配比混合燃燒時(shí)，爆炸超壓一般為初始?jí)毫Φ?～9 倍；此外，球形容器內(nèi)氫氣在濃度為29.6 %下爆炸的最大超壓比為7.5倍。

根據(jù)以上資料，并考慮到2 次爆裂事件中瓷套內(nèi)混合氣體壓力可能接近機(jī)內(nèi)氫壓，則可估算2次爆裂時(shí)的最大壓力(按不同形狀密閉容器中平均約7 倍超壓比估算)：第1 次約為1.82 MPa(初壓0.26 MPa)，第2 次約為2.03 MPa(初壓0.29 MPa)。根據(jù)上文中對(duì)瓷套內(nèi)壓力實(shí)際承受能力的估算和分析可知，2 次事件中的最大壓力已接近，甚至可能超過瓷套的實(shí)際內(nèi)壓力承受值，若瓷套有局部薄弱點(diǎn)，爆裂必然發(fā)生。

在瓷套內(nèi)氫空混合氣體爆炸的過程中，上部瓷套無疑也受到了較大的壓力，但由于機(jī)內(nèi)運(yùn)行氫壓的反向作用，且上部瓷套很短，其上部還有徑向加強(qiáng)固定(包纏了6 層以上的0.1 mm 厚的玻璃絲帶加環(huán)氧固定)，故上部瓷套得以保全。

另外，文獻(xiàn)表明，電瓷材料的強(qiáng)度有明顯的體積尺寸效應(yīng)，強(qiáng)度值隨瓷件尺寸增加會(huì)大幅下降。本事件中，套管下部瓷套長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于上部瓷套，其機(jī)械強(qiáng)度也因此相對(duì)低一些，所以下部瓷套更易于爆裂。

2.5.3 套管瓷套粉碎形態(tài)及無煙現(xiàn)象的機(jī)理分析

從材料的工藝、性能上分析，瓷套以粉狀原料燒結(jié)而成，有氣孔存在。同時(shí)，瓷套存在多種晶相，各向異性強(qiáng)。當(dāng)瓷套內(nèi)部壓力突然升高時(shí)，分布于各處的氣孔等缺陷出現(xiàn)微小裂紋，裂紋在異常的內(nèi)外壓力差下沿著應(yīng)力集中的方向(呈無序方向)進(jìn)一步發(fā)展，此過程中瓷套材料的晶格會(huì)被激發(fā)振動(dòng)，導(dǎo)致瓷套的整體內(nèi)壓力承受強(qiáng)度迅速下降，最終全面爆裂。

從過去的眾多氫爆事件統(tǒng)計(jì)分析資料看，如果容器內(nèi)沒有其他碳?xì)浠衔锟扇嘉镔|(zhì)，則氫氣爆燃或爆轟后是不會(huì)有煙痕碳黑的，所以本次事件的瓷套碎片上也是沒有煙痕碳黑的。瓷套圓周內(nèi)、外層的黑邊層是空芯瓷套在燒制過程中“瓷胎吸煙”現(xiàn)象所形成的。

3 改進(jìn)措施

(1)對(duì)現(xiàn)用同類套管，首先要保證套管的正確裝配，尤其是更換其密封圈時(shí)，宜將套管整體拆下更換，套管的任何部件都不可缺少或漏掉，組裝后應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)合格再將其整體裝上，只有如此，才能既保證密封性又保證裝配的對(duì)中要求和完整性，從而避免電暈產(chǎn)生。

(2)鑒于QFSN-300-2-20 型發(fā)電機(jī)的早期出線套管存在漏氫并可能誘發(fā)“氫爆”的隱患，使用單位應(yīng)逐步將此類套管更換為具有彈性密封結(jié)構(gòu)的新型充膠式套管，從根本上杜絕這一隱患。部分單位在此方面已有成功經(jīng)驗(yàn)，湛江電力有限公司自2010年以來已先后對(duì)4 臺(tái)發(fā)電機(jī)的出線套管進(jìn)行了換型更新，運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)束語

上述2 次發(fā)電機(jī)出線套管爆裂事件雖有偶然性，但偶然之中有必然。QFSN-300-2-20 型發(fā)電機(jī)的早期出線套管結(jié)構(gòu)性能落后，存在漏氫、積氫的必然性，其密封維護(hù)工作量大、工藝要求高，實(shí)施過程中容易節(jié)外生枝，特定條件下有出現(xiàn)“氫爆”的可能，并可能延伸影響到機(jī)內(nèi)，后果難以預(yù)料。因此，此類套管的使用單位除了要嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行套管密封部件的檢修維護(hù)外，也要著眼于出線套管的更新?lián)Q型，從源頭上消除隱患。

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