UHVDC閥冷管路焊接缺欠對(duì)內(nèi)冷介質(zhì)質(zhì)量的影響

黑增杰， 羅小勇， 馬亞恒， 趙直爽， 高宏河,林昌龍

(1.河南綠控科技有限公司，河南 許昌 461000；2.華僑大學(xué)，廈門市計(jì)算機(jī)視覺與模式識(shí)別重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0 前言

換流閥作為(特)高壓直流輸電的核心設(shè)備,其運(yùn)行可靠性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。由于換流閥在運(yùn)行過程中承受較大的電流和電壓，晶閘管等核心元器件會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要通過冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱冷卻。閥冷設(shè)備密閉式內(nèi)冷系統(tǒng)使用不導(dǎo)電的蒸餾水為介質(zhì)，為特高壓直流輸電換流閥運(yùn)行提供持續(xù)的降溫冷卻，滿足(特)高壓直流輸電系統(tǒng)24 h持續(xù)運(yùn)行需求。

常規(guī)±800 kV(特)高壓直流輸電系統(tǒng)額定功率為800萬千瓦，單套設(shè)備滿負(fù)荷輸電4 800萬度/天，一旦出現(xiàn)非計(jì)劃停運(yùn)，造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響較大。根據(jù)GB/T 30425—2013《高壓直流輸電換流閥水冷卻設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)要求，閥冷設(shè)備年度可用率應(yīng)≥98%，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，DL/T 1716—2017《高壓直流輸電換流閥冷卻水運(yùn)行管理導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了閥冷系統(tǒng)內(nèi)冷卻水質(zhì)量參數(shù)，而內(nèi)冷水質(zhì)量受其流體管路焊接缺欠影響較大，現(xiàn)階段關(guān)于閥冷設(shè)備管路焊接缺欠對(duì)內(nèi)冷水質(zhì)量影響的研究，在國內(nèi)外均處于空白狀態(tài)。

針對(duì)閥冷設(shè)備獨(dú)特工況和母材特點(diǎn)，通過理論分析和等效模擬試驗(yàn)，初步總結(jié)了焊接缺欠對(duì)內(nèi)冷水質(zhì)量影響，給出閥冷設(shè)備不銹鋼管路焊接缺欠對(duì)應(yīng)策略，為提高閥冷系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性提供了參考，可減少了直流非計(jì)劃停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，間接創(chuàng)造了較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 換流閥內(nèi)冷卻系統(tǒng)簡介

直流輸電將交流電通過換流器變換成直流電，然后通過直流輸電線路送至受電端并通過換流器變成交流電，最終注入交流電網(wǎng)。相對(duì)交流輸電來說，直流輸電具有輸送靈活、損耗小、能夠節(jié)約輸電走廊、能夠?qū)崿F(xiàn)快速控制等優(yōu)點(diǎn)。具備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、超遠(yuǎn)距離、大容量送電能力，主要定位于中國西南大水電基地和西北大煤電基地的超遠(yuǎn)距離、超大容量外送。在(特)高壓直流輸電設(shè)備中，換流閥是交直流電換流的核心關(guān)鍵部件，設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量熱量，均配置全自動(dòng)內(nèi)冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行循環(huán)冷卻散熱，內(nèi)冷系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 閥冷設(shè)備內(nèi)冷系統(tǒng)圖

1.2 內(nèi)冷卻介質(zhì)質(zhì)量要求

由于閥冷系統(tǒng)內(nèi)冷卻介質(zhì)直接和帶電元器件接觸，其主要作用是傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移熱量，因此通常采用不導(dǎo)電的蒸餾水和去離子水，其水質(zhì)須滿足絕緣和耐腐蝕的要求。DL/T 1716—2017中對(duì)內(nèi)冷水質(zhì)做了明確要求，見表1[1]。

表1 內(nèi)冷卻水質(zhì)量要求

1.3 內(nèi)冷卻管路焊接缺欠

現(xiàn)階段內(nèi)冷卻系統(tǒng)國產(chǎn)化生產(chǎn)制造技術(shù)已日益成熟，系統(tǒng)管路焊接工藝均采用清潔度較高的TIG焊，通過對(duì)近年10套內(nèi)冷卻管路(180 000寸徑)，對(duì)生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)的焊接缺欠進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。各缺欠統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)次數(shù)如圖2所示。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，未焊透、錯(cuò)邊、成形不良、氧化夾雜為高發(fā)缺欠，氣孔、裂紋、焊瘤、咬邊、夾渣、未熔合、凹坑等缺欠低概率發(fā)生。

圖2 各缺欠出現(xiàn)次數(shù)

2 等效模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

等效模擬內(nèi)冷卻系統(tǒng)介質(zhì)環(huán)境，制備相應(yīng)焊接缺欠試件，通過試件開展內(nèi)冷系統(tǒng)水質(zhì)環(huán)境試驗(yàn)，橫向?qū)Ρ仍u(píng)價(jià)各焊接缺欠對(duì)水質(zhì)的影響要素，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，制訂各焊接缺欠對(duì)應(yīng)策略，科學(xué)合理改進(jìn)生產(chǎn)工藝，為內(nèi)冷卻設(shè)備高效生產(chǎn)制造提供參考。

2.2 試驗(yàn)方案

制備焊接缺欠試件，調(diào)配試驗(yàn)介質(zhì)，在25 ℃環(huán)境下，將試件置于試驗(yàn)溶液中，采用浸泡方式，等效模擬焊接缺欠對(duì)內(nèi)冷水質(zhì)量的影響。

2.2.1試驗(yàn)試件

結(jié)合實(shí)際工況，共制備6種試件，均采用304材質(zhì)的不銹鋼管道，與實(shí)際工況保持一致，試件清單見表2。

表2 試驗(yàn)試件清單

2.2.2試驗(yàn)介質(zhì)

根據(jù)內(nèi)冷系統(tǒng)水質(zhì)要求，參考GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》，進(jìn)行等效模擬內(nèi)冷水環(huán)境。采用鹽霧試驗(yàn)常用氯化鈉分析純和去離子水配制試驗(yàn)介質(zhì)，氯化物含量20.3 g/L，等效內(nèi)冷水腐蝕速率270倍。計(jì)劃試驗(yàn)時(shí)間為40日，等效時(shí)間為內(nèi)冷水系統(tǒng)360個(gè)月，與閥內(nèi)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命30年吻合。

2.3 試驗(yàn)過程

以10日為一個(gè)周期(10日等效90個(gè)月)，對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行觀察并記錄，試驗(yàn)過程試件外觀狀態(tài)記錄見表3，水質(zhì)數(shù)據(jù)見表4。

表3 試驗(yàn)過程試件外觀記錄表

表4 試驗(yàn)過程水質(zhì)數(shù)據(jù)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)4周期試驗(yàn)，對(duì)試件外觀、PH值、電導(dǎo)率、溶解氧、鋁離子等維度分析，通過橫向?qū)Ρ?，氧化夾雜和氣孔對(duì)內(nèi)冷水水質(zhì)影響最大，其它缺陷對(duì)內(nèi)冷水水質(zhì)影響較小，各維度分析過程如下所述。

2.4.1試件外觀

經(jīng)4周期試驗(yàn)，對(duì)試件外觀橫向?qū)Ρ?，氧化夾雜和氣孔銹蝕嚴(yán)重，其它缺陷表面銹蝕極少。純母材在4周期試驗(yàn)中表面一直維持不銹鋼銀白色，未出現(xiàn)銹蝕；輕度缺欠焊縫合格焊縫4周期內(nèi)未見銹蝕，氧化氣孔在第1至第4周期出現(xiàn)點(diǎn)銹蝕嚴(yán)重?cái)U(kuò)散；中度缺欠焊縫，氣孔、氧化缺欠在第1至第4周期內(nèi)出現(xiàn)銹蝕并擴(kuò)散，其它缺欠在4周期內(nèi)無銹蝕；重度缺欠焊縫，在第1周期24 h即出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕除氣孔、4周期試驗(yàn)結(jié)后，基體銹蝕嚴(yán)重。

2.4.2PH值

目前內(nèi)冷水pH值一般要求控制在容易控制的6～9范圍內(nèi)，在實(shí)際運(yùn)行中不是常規(guī)監(jiān)督指標(biāo)，內(nèi)冷水處理設(shè)備也不配套在線監(jiān)督pH的表計(jì)[2]。經(jīng)4周期試驗(yàn)，pH值變化不大，通過橫向?qū)Ρ确治?，所有焊接缺欠?duì)試驗(yàn)介質(zhì)pH值影響趨勢基本一致，試驗(yàn)介質(zhì)pH值對(duì)比如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)介質(zhì)pH值變化對(duì)比圖

2.4.3電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是判斷水中離子雜質(zhì)的重要指標(biāo)，控制電導(dǎo)率是因?yàn)樵诟邏弘妶鲎饔孟?，如果?nèi)冷水中有離子存在,會(huì)使內(nèi)冷水具有導(dǎo)電性能，導(dǎo)致泄露電流和能量損耗增加，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生電氣閃絡(luò)[3-4]，經(jīng)4周期試驗(yàn)，通過橫向?qū)Ρ确治?，各焊接缺欠?duì)電導(dǎo)率影響趨勢差別極大，其中氧化夾雜和氣孔缺欠是主要影響因素，其它缺欠對(duì)電導(dǎo)率影響較小。試驗(yàn)介質(zhì)電導(dǎo)率值變化對(duì)比如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)介質(zhì)電導(dǎo)率值變化對(duì)比圖

2.4.4溶解氧

換流閥內(nèi)冷水中的含氧量標(biāo)準(zhǔn)要求≤200 μg/L，也是因?yàn)楹趿康脑黾訒?huì)加速鋁的腐蝕速率，造成閥冷系統(tǒng)中鋁散熱器腐蝕加劇，須嚴(yán)格控制有效去除。經(jīng)4周期試驗(yàn)，通過橫向?qū)Ρ确治?，各焊接缺欠?duì)溶解氧值變化趨勢一致，試驗(yàn)介質(zhì)溶解氧值變化對(duì)比如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)介質(zhì)溶解氧含量變化對(duì)比圖

2.4.5鋁離子

內(nèi)冷水鋁離子含量鋁散熱器腐蝕程度的體現(xiàn)，散熱器的腐蝕會(huì)增加鋁離子含量的增加，引起均壓電極結(jié)垢、冷卻毛細(xì)支管路堵塞和漏水等設(shè)備故障。

經(jīng)4周期試驗(yàn)，通過橫向?qū)Ρ确治觯X離子值變化趨勢一致，差別不大，所有焊接缺欠對(duì)鋁離子含量影響趨勢基本一致。試驗(yàn)介質(zhì)鋁離子含量值變化對(duì)比如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)介質(zhì)鋁離子含量變化對(duì)比圖

3 缺欠控制

通過以上試驗(yàn)，得出氧化夾雜和氣孔對(duì)內(nèi)冷水水質(zhì)影響最大，其它缺陷對(duì)內(nèi)冷水水質(zhì)影響較小。因此，在閥冷管路焊接加工過程中，應(yīng)重點(diǎn)控制氧化夾雜和氣孔，閥冷管路焊接缺欠控制處理策略清單見表5。

表5 閥冷管路焊接缺欠處理策略

4 結(jié)論

(1)奧氏體不銹鋼在焊接加工過程產(chǎn)生的缺欠中，未焊透、錯(cuò)邊、成形不良、氧化夾雜為高發(fā)缺欠，氣孔、裂紋、焊瘤、咬邊、夾渣、未熔合、凹坑等缺欠低概率發(fā)生。

(2)氧化夾雜和氣孔缺欠對(duì)內(nèi)冷水介質(zhì)質(zhì)量影響極大，裂紋會(huì)導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度失效，焊接生產(chǎn)應(yīng)重點(diǎn)控制，杜絕此類缺陷產(chǎn)生。

(3)未焊透、錯(cuò)邊、成形不良、焊瘤、咬邊、夾渣、未熔合、凹坑等缺欠出現(xiàn)概率較小且對(duì)內(nèi)冷水質(zhì)量影響較小，焊接生產(chǎn)中可采用表5不同處理策略，在保證質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。