750 kV變電站GIS設(shè)備波紋管失效分析

羅宏建，李正剛，張 杰，吳忠燁，趙洲峰，周宇通，趙利軍

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000）

0 前言

氣體絕緣組合電器設(shè)備GIS（Gas Insulated Switchgear）是以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)設(shè)備，具有運(yùn)行安全系數(shù)高、技術(shù)性能優(yōu)良、占地面積小和運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各種電壓等級(jí)的變電站中[1]。母線是GIS設(shè)備的重要組成部分，它采用長(zhǎng)距離、多段分段拼接、架空安裝，各段的連接處常裝有波紋管膨脹節(jié)，用于補(bǔ)償設(shè)計(jì)、制造和安裝過程中的誤差和運(yùn)行中的熱脹冷縮、震動(dòng)和基礎(chǔ)不均勻沉降等造成的水平和垂直位移。因此，波紋管膨脹節(jié)是涉及GIS設(shè)備安全可靠的關(guān)鍵部件之一[2]。

在實(shí)際加工制造時(shí)受加工成本、生產(chǎn)進(jìn)度和人員技能等因素的影響，GIS波紋管膨脹節(jié)端管和波紋管之間的焊縫連接容易出現(xiàn)未熔合、未焊透等焊接缺陷，降低了波紋管膨脹節(jié)的強(qiáng)度和承載能力，嚴(yán)重影響其使用壽命。同時(shí)，變電站GIS設(shè)備大多建于戶外，面臨雨、霧、冰、雪等惡劣天氣，工作環(huán)境惡劣且受力情況復(fù)雜，波紋管膨脹節(jié)運(yùn)行時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力集中，該部件一旦失效將出現(xiàn)地基拉裂、殼體焊縫拉裂、支架焊縫開裂和氣體泄漏等問題，嚴(yán)重影響電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。因此，開展波紋管膨脹節(jié)失效分析對(duì)保障GIS設(shè)備安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

針對(duì)某750 kV變電站GIS設(shè)備波紋管膨脹節(jié)發(fā)生氣體泄漏的故障進(jìn)行失效原因分析，采用有限元法模擬仿真了失效部位波紋管和焊縫的應(yīng)力應(yīng)變分布，為制定預(yù)防措施和工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

某750 kV變電站GIS設(shè)備運(yùn)行不到5年，發(fā)現(xiàn)GIS氣室壓力表示數(shù)有較大變化，紅外顯像儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)波紋管與法蘭接管焊縫、波紋管表面存在兩處氣體泄漏點(diǎn)。該波紋管主體為多層不銹鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為0Cr19Ni10，采用滾焊封邊直邊段端口處，與兩端法蘭端管環(huán)焊縫用TIG焊連接。

沿波紋管軸線縱向切開發(fā)生泄漏的失效部位，在波紋管直邊段端口焊縫區(qū)和波紋管波峰泄漏處分別截取試樣用于失效原因分析。試樣經(jīng)磨制、拋光和侵蝕后在體式顯微鏡和Axio Lab.A1金相顯微鏡下進(jìn)行金相觀察，用TESCAN MIRA3場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的微觀形貌，使用EDS定量分析微區(qū)成分；用拉伸試驗(yàn)機(jī)將波紋管與端管焊縫處拉斷得到斷口，采用掃描電鏡觀察和分析斷口及焊縫內(nèi)部缺陷。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀檢查

發(fā)生泄漏的GIS設(shè)備不銹鋼波紋管膨脹節(jié)宏觀形貌如圖1a所示，波紋管部位表面波峰位置有較明顯的泄漏點(diǎn)如圖1b所示。用著色滲透探傷在環(huán)焊縫區(qū)域發(fā)現(xiàn)明顯咬邊現(xiàn)象，如圖1d所示。

端管與波紋管之間焊縫區(qū)域沿接線管軸線縱向剖開，取樣制樣后在顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。波紋管由4層厚度8 mm的不銹鋼薄板在直邊端口滾焊封邊，再通過TIG焊與端管焊接在一起。焊縫底部與端管坡口之間間隙較大，未焊透深度1.51 mm，約占波紋管總厚度的1/2，焊縫有效連接部分嚴(yán)重不足，未焊透缺陷相當(dāng)于減薄理論板厚，降低焊縫的受力面積[5]。

圖1 不銹鋼波紋管泄漏位置宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of leakage position of stainless steel bellows

圖2 焊縫截面宏觀金相照片F(xiàn)ig.2 Macro-metallographic photo of weld cross section

2.2 波紋管泄漏區(qū)域分析

泄漏區(qū)域波紋管截面微觀形貌如圖3所示，其中圖3a為侵蝕后的光學(xué)金相樣品照片，圖3b～3d為未侵蝕樣品的掃描電鏡照片?？梢钥闯觯诙鄬硬讳P鋼板之間的間隙位置存在裂紋源，裂紋從層間開始沿垂直于多層不銹鋼板表面的方向往內(nèi)外擴(kuò)展，裂紋較深，其寬度較窄，裂紋形態(tài)呈現(xiàn)為樹干和樹枝狀特征，并且在裂紋擴(kuò)展的局部形成深色區(qū)（見圖3d）。由圖3a可知，裂紋為以穿晶為主、伴有少量沿晶裂紋的混合型裂紋。多層不銹鋼板間隙處、裂紋內(nèi)深色區(qū)和母材區(qū)EDS微區(qū)成分分析結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯c母材合金成分相比，多層不銹鋼板間隙處和裂紋內(nèi)深色區(qū)的O、Cl和C元素含量較高，主要成分為金屬鐵（鉻）氧化物，同時(shí)包含有氯的腐蝕產(chǎn)物。裂紋內(nèi)深色區(qū)（見圖3d）主要為O和Cl的金屬氧化腐蝕產(chǎn)物，說明裂紋開裂過程中伴有氧化腐蝕發(fā)生。

圖3 腐蝕孔區(qū)裂紋微觀形貌Fig.3 Micromorphology of crack in the corrosion hole area

表1 不同區(qū)域EDS分析結(jié)果Table 1 EDS analysis results of different regions %

2.3 焊縫組織及缺陷分析

波紋管直邊與端管TIG焊縫、未焊透區(qū)及焊縫兩側(cè)母材微觀形貌如圖4所示。由圖4a、圖4b可知，焊縫與兩端母材熔合線均勻，焊縫組織為γ奧氏體和少量δ鐵素體，呈鑄態(tài)枝晶組織，焊縫晶粒始于熔合線、終于焊縫中心，焊縫區(qū)組織較細(xì)小。焊縫左側(cè)母材為不銹鋼薄板經(jīng)過滾焊后形成與薄板平行的帶狀δ鐵素體和γ奧氏體混合組織[6-7]；焊縫右側(cè)為不銹鋼端管原始組織。由圖4b、圖4c可見焊縫底部有明顯的根部未焊透缺陷，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在焊縫根部熔合線處存在未熔合缺陷，深度約為164 μm，這進(jìn)一步削弱了焊縫與母材的連接并增加了局部應(yīng)力集中。圖4d為未熔合缺陷區(qū)域EDS分析，微區(qū)成分點(diǎn)分析結(jié)果如表2所示，與母材成分相比，未熔合缺陷狹縫中的灰色填充物O、C元素含量明顯偏高，為焊接時(shí)的金屬氧化物和夾渣。

圖4 焊縫區(qū)金相組織和缺陷形貌Fig.4 Microstructure and defect morphology of weld zone

表2 未熔合區(qū)夾雜EDS分析結(jié)果 %Table 2 EDS analysis results of inclusions in unfused zone

2.4 斷口分析

拉伸試驗(yàn)試樣斷口在焊縫與母材根部未焊透熔合線位置，其微觀形貌如圖5所示。由圖5b可知，斷口上存在較大的未焊透區(qū)（斷口上半部分），該區(qū)域附著較多顆粒狀或塊狀?yuàn)A雜，如圖5c所示，夾雜成分EDS分析結(jié)果如表3所示，主要由Al、Ti、Na、K和Si的氧化物組成，為焊接過程金屬飛濺、氧化物或焊渣殘留在未焊透區(qū)母材根部坡口上。圖5c所示區(qū)域?yàn)榫植科驴谖慈酆先毕?，拉伸斷裂過程中裂紋起源于未熔合缺陷尖端，沿著與拉應(yīng)力垂直方向擴(kuò)展并最終斷裂，斷裂過程裂紋擴(kuò)展區(qū)如圖5d所示，存在大量韌窩為典型的韌性斷裂斷口特征，該部位斷口類型主要為韌性斷裂。

2.5 波紋管及焊接缺陷處應(yīng)力分析

圖5 焊縫區(qū)斷口微觀形貌Fig.5 Fracture morphology of weld zone

表3 未焊透區(qū)EDS分析結(jié)果Table 3 EDS analysis results of incomplete penetration area %

為進(jìn)一步分析不銹鋼波紋管及焊接缺陷處局部受力狀態(tài)和應(yīng)力分布，用ANSYS對(duì)不銹鋼波紋管進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算其應(yīng)力分布和關(guān)鍵部位應(yīng)力大小。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)體部件測(cè)量數(shù)據(jù)建立波紋管的三維模型，參考圖2中的缺陷尺寸在波紋管與端管焊縫連接處添加未焊透缺陷。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該波紋管最大軸向工作位移為±35 mm，設(shè)備殼體內(nèi)部充有額定壓力0.5MPa的SF6氣體，因此對(duì)波紋管的內(nèi)表面施加0.5 MPa壓力，整體施加35mm軸向壓縮位移。有限元仿真模擬時(shí)采用PLANE182單元進(jìn)行軸對(duì)稱分析，模型一端固定約束，另一端施加位移約束[8]。波紋管波峰波谷和未焊透缺陷處應(yīng)力分布云圖如圖6所示。圖6a為波紋管波峰波谷應(yīng)力分布圖，最大壓力位于波紋管波峰內(nèi)壁及波谷外壁處，為623.8 MPa；圖6b為波紋管在y方向上應(yīng)力分布，最大應(yīng)力達(dá)到695.6 MPa。波紋管波峰處，波紋管內(nèi)壁受到壓縮，外壁受到拉伸；波紋管波谷處，波紋管內(nèi)壁受到拉伸，外壁受到壓縮。波紋管主體與端管連接焊縫的未焊透缺陷處應(yīng)力分布云圖如圖6c所示，焊縫缺陷尖端處出現(xiàn)最大應(yīng)力為348.6 MPa；圖6d為該未焊透焊接缺陷y方向上應(yīng)力分布，最大應(yīng)力達(dá)到430.4 MPa。未焊透缺陷尖端向兩邊的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力逐漸減小，在尖端處由于幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。而波紋管主體與端管連接處無焊接缺陷時(shí)有限元應(yīng)力分布云圖如圖6e、6f所示，內(nèi)壁受到最大總應(yīng)力為165.1MPa，y方向應(yīng)力為177.0 MPa。

2.6 失效原因分析

根據(jù)波紋管泄漏處和焊縫連接區(qū)的宏觀微觀形貌、斷口、金相組織和成分分析以及波紋管、焊縫缺陷有限元分析結(jié)果可知，不銹鋼波紋管泄漏失效的主要原因是波紋管波峰處發(fā)生了應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生于多層不銹鋼薄板表面，沿厚度方向開裂并造成了穿孔；同時(shí)焊縫連接處存在嚴(yán)重的根部未焊透和坡口未熔合缺陷，其存在降低了連接處的強(qiáng)度，在未熔合缺陷的尖端處產(chǎn)生了應(yīng)力集中并導(dǎo)致焊縫開裂。

由泄漏處截面微觀形貌（見圖3）和成分分析（見表1）可知，多層不銹鋼板縫隙以及裂紋內(nèi)部氯含量明顯偏高，而奧氏體不銹鋼對(duì)含有氯離子的介質(zhì)敏感。這是由于氯離子半徑小，穿透能力強(qiáng)，容易穿透鈍化膜內(nèi)極小的孔隙，優(yōu)先選擇吸附在鈍化膜上，與鈍化膜中的陽離子結(jié)合成可溶性氯化物，使鈍化膜產(chǎn)生溶解形成點(diǎn)蝕坑；在應(yīng)力作用下，點(diǎn)蝕坑底部的鈍化膜不斷遭到破壞，形成新的活性小陽極區(qū)，陽極繼續(xù)溶解腐蝕，在應(yīng)力和腐蝕的交互作用下在局部應(yīng)力集中處出現(xiàn)點(diǎn)蝕和穿孔[9-10]。由圖6a、6b可知，波紋管波峰和波谷表面為應(yīng)力最大區(qū)域，在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋；此外，鈍化膜破裂處的金屬基體暴露于腐蝕介質(zhì)中，成為陽極區(qū)發(fā)生溶解，并且隨著氯離子濃度的增加局部腐蝕加速，最后蝕穿不銹鋼斷面[11-12]，發(fā)生氣體泄漏。氯離子存在于多層不銹鋼板的層間縫隙里，很可能是在多層不銹鋼波紋管加工過程中帶入的，環(huán)境中含氯的污染物附著在波紋管外表面也可造成應(yīng)力腐蝕穿孔。

圖6 波紋管、焊縫缺陷和無缺陷處應(yīng)力云分布Fig.6 Stress nephogram of bellows，weld defects and non-defects areas

由焊縫截面微觀形貌、斷口形貌以及成分分析可知，在進(jìn)行波紋管主體與端管焊接時(shí)，焊縫區(qū)存在根部未焊透和坡口未熔合缺陷。其主要是焊接電流與焊接速度不匹配、保護(hù)氣體不足等造成[13]。焊接缺陷的存在使波紋管有效承載截面積不足，根據(jù)焊接接頭有限元仿真分析（見圖6c、6d），未焊透缺陷尖端是波紋管焊縫連接處應(yīng)力集中較大區(qū)域，若在安裝、運(yùn)行中遇到較大載荷，就會(huì)在應(yīng)力集中處產(chǎn)生開裂[14]。裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致有效承載截面積進(jìn)一步縮小，裂紋尖端形成更大的應(yīng)力集中，裂紋逐漸向深度方向擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)有效連接面，最終導(dǎo)致波紋管連接處開裂并發(fā)生氣體泄漏。

3 結(jié)論與建議

（1）750 kV變電站GIS設(shè)備波紋管與法蘭端管接管處泄漏的主要原因是焊縫存在嚴(yán)重的未焊透和未熔合等焊接缺陷。波紋管表面波峰處泄漏的主要原因是應(yīng)力腐蝕穿孔。

（2）在進(jìn)行波紋管與端管的TIG焊過程中，由于焊接工藝選用或人員操作不當(dāng)，焊縫根部產(chǎn)生了未焊透和未熔合缺陷，降低了焊縫連接的有效承載面積，在波紋管運(yùn)行過程中，焊接缺陷尖端極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致焊縫開裂失效。為防止波紋管焊縫過早失效，應(yīng)改進(jìn)焊接工藝并加強(qiáng)焊接產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)，尤其是加強(qiáng)制造和入網(wǎng)環(huán)節(jié)對(duì)該焊縫的無損檢驗(yàn)，避免存在制造缺陷的不合格品的使用。

（3）在加工制造不銹鋼波紋管和運(yùn)輸、安裝過程中，防止帶入含氯離子的污染物。不銹鋼波紋管波峰波谷處為應(yīng)力集中區(qū)域，在工作條件下應(yīng)力不可避免，只能在腐蝕介質(zhì)和波紋管材質(zhì)方面進(jìn)行改善。因此，在不銹鋼波紋管加工前應(yīng)進(jìn)行脫硫、脫鹽、添加緩蝕劑等處理，以改善腐蝕環(huán)境，避免腐蝕性污染物帶入波紋管。同時(shí)改進(jìn)酸洗鈍化工藝，使不銹鋼表面能形成良好致密的保護(hù)膜，加強(qiáng)設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝關(guān)鍵環(huán)節(jié)的監(jiān)督檢查，防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。