±800 kV 換流站逆止閥扭轉(zhuǎn)彈簧斷裂原因分析①

黃 蓉， 謝 億， 王 軍， 曹先慧， 胡鈺婧， 馮 超

（1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

換流閥水冷系統(tǒng)是換流站的核心設(shè)備，是直流輸電工程中重要的輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2 個(gè)冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成，一是內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)低含氧量的去離子水對(duì)閥進(jìn)行冷卻；二是外冷水循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)冷卻水塔對(duì)內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻。 若換流閥水冷系統(tǒng)發(fā)生故障，可直接引起直流系統(tǒng)功率回降和閉鎖［1-4］。

內(nèi)冷水系統(tǒng)直接關(guān)系到換流閥組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，主循環(huán)泵是內(nèi)冷水系統(tǒng)中唯一保持持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，為系統(tǒng)提供足夠壓力，保證冷卻介質(zhì)恒定壓力和持續(xù)流量，通過(guò)熱量交換，使組件保持在正常工作溫度區(qū)間。 一旦主循環(huán)泵發(fā)生故障，水冷系統(tǒng)將失去動(dòng)力，同時(shí)將引發(fā)壓力、溫度和流量低而報(bào)警和跳閘，導(dǎo)致直流閉鎖［5-6］。

內(nèi)冷水系統(tǒng)循環(huán)泵出口有一個(gè)逆止閥，又叫止回閥（閥內(nèi)有扭轉(zhuǎn)彈簧），靠介質(zhì)流動(dòng)的力量自行啟閉，防止換流閥塔內(nèi)的水倒流導(dǎo)致循環(huán)泵出口壓力過(guò)大而跳泵停運(yùn)［7-8］。 某逆止閥內(nèi)扭轉(zhuǎn)彈簧臂在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂，本文對(duì)其斷裂失效原因進(jìn)行了分析。

1 故障概況

在2021 年度檢修期間，發(fā)現(xiàn)湖南電網(wǎng)某±800 kV換流站極I 高端換流閥水冷系統(tǒng)內(nèi)冷水主循環(huán)泵出口V001 逆止閥內(nèi)部扭轉(zhuǎn)彈簧的彈簧臂斷裂，立刻排查換流閥水冷系統(tǒng)中其他的逆止閥。 最終檢查發(fā)現(xiàn)全站共8 個(gè)逆止閥，每個(gè)逆止閥內(nèi)有2 個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，總共16個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧，其中4 個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧的彈簧臂完全斷裂，8個(gè)扭轉(zhuǎn)彈簧表面都存在不同程度的磨損和微裂紋。 將故障逆止閥和全新逆止閥內(nèi)扭轉(zhuǎn)彈簧進(jìn)行了對(duì)比，如圖1 所示。 扭轉(zhuǎn)彈簧臂失效情況如圖2 所示，失效主要是斷裂和磨損。

圖1 故障逆止閥和全新逆止閥內(nèi)扭轉(zhuǎn)彈簧對(duì)比

圖2 扭轉(zhuǎn)彈簧失效情況

該換流站采用的是MV-1220 蝶形逆止閥，閥體內(nèi)有2 個(gè)對(duì)開(kāi)式閥瓣，循環(huán)泵啟動(dòng)時(shí)，在流動(dòng)介質(zhì)的沖擊壓力作用下，閥瓣逐漸開(kāi)啟，讓流動(dòng)介質(zhì)通過(guò)；循環(huán)泵停止時(shí)，由于介質(zhì)壓力和彈簧力的作用，閥瓣發(fā)生閉合，切斷介質(zhì)的逆向流動(dòng)。 如果彈簧失效，閥體內(nèi)閥瓣不能及時(shí)關(guān)閉，會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)倒流，進(jìn)一步導(dǎo)致反轉(zhuǎn)或跳泵停運(yùn)等重大事故。

2 失效彈簧檢測(cè)

2.1 宏觀檢查

失效扭轉(zhuǎn)彈簧表面存在一些水跡，但未見(jiàn)銹蝕痕跡，如圖1（c）所示。 斷口部位未見(jiàn)明顯塑性變形，見(jiàn)圖2（a）。 部分未斷裂扭轉(zhuǎn)彈簧臂的內(nèi)側(cè)和外側(cè)存在不同程度的磨損，如圖2（b）～（c）所示。

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)扭轉(zhuǎn)彈簧進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)合見(jiàn)表1。結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)彈簧符合GB／T 24588—2019《不銹彈簧鋼絲》［9］和GB／T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》［10］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的06Cr17Ni12Mo2 成分要求。

表1 成分檢測(cè)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

2.3 硬度檢測(cè)

對(duì)逆止閥未斷裂的扭轉(zhuǎn)彈簧進(jìn)行檢測(cè)，多個(gè)彈簧存在不同程度的磨損，磨損位置分布在彈簧臂與逆止閥的閥軸接觸部位、彈簧臂與兩側(cè)緊固件接觸部位，彈簧臂的磨損量最大約50%。 經(jīng)檢測(cè)，閥軸和緊固件的材質(zhì)與扭轉(zhuǎn)彈簧的材質(zhì)一致，均為06Cr17Ni12Mo2。對(duì)扭轉(zhuǎn)彈簧、閥軸和接觸緊固件分別進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。 結(jié)果表明，其平均硬度分別為43.3HRC，44.7HRC 和45.6HRC，扭轉(zhuǎn)彈簧硬度符合標(biāo)準(zhǔn)GB／T 23935—2009《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》［11］要求的42 ～52HRC。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果

2.4 掃描電鏡SEM 分析

采用掃描電鏡分析扭轉(zhuǎn)彈簧的彈簧臂斷口形貌，如圖3 所示。 彈簧臂斷口形貌呈現(xiàn)較顯著的疲勞斷裂特征，如圖3（a）所示；在低倍率下，斷口未見(jiàn)明顯的塑性變形，如圖3（b）所示；高倍率下發(fā)現(xiàn)斷口呈現(xiàn)出典型的疲勞斷口形貌，有較為明顯的3 個(gè)區(qū)：疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)，如圖3（c）～（d）所示；彈簧臂斷口處的外表面和未斷裂彈簧臂相同位置的外表面均可見(jiàn)明顯的微裂紋，如圖3（e）～（f）所示。

圖3 斷口疲勞斷裂微觀形貌

2.5 彈簧最大應(yīng)力計(jì)算

依據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧的材料特性、工況環(huán)境等數(shù)據(jù)，采用Ansys19.0 軟件對(duì)扭轉(zhuǎn)彈簧進(jìn)行有限元分析，扭轉(zhuǎn)彈簧應(yīng)力云圖如圖4 所示。 在彈簧臂扭轉(zhuǎn)變形角約290°位置應(yīng)力集中，最大mises 應(yīng)力為814.1 MPa［12］。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 23935—2009［11］，06Cr17Ni12Mo2 扭轉(zhuǎn)彈簧動(dòng)負(fù)荷下許用彎曲應(yīng)力σs=0.55 ～0.65Rm=808 ～955 MPa（Rm為彈簧鋼絲的強(qiáng)度極限），依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 24588—2019［9］，Φ2.20 mm 鋼絲的強(qiáng)度極限約為1 470 N／mm2，彈簧最大mises 應(yīng)力已達(dá)到許用彎曲應(yīng)力，可見(jiàn)扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)許用彎曲應(yīng)力水平較低。

圖4 扭轉(zhuǎn)彈簧應(yīng)力云圖

3 彈簧失效原因分析

3.1 疲勞斷裂

換流閥內(nèi)冷水系統(tǒng)循環(huán)泵交替啟動(dòng)和停止時(shí)，逆止閥閥體的兩片閥瓣交替啟閉動(dòng)作，扭轉(zhuǎn)彈簧臂承受閥瓣的交變應(yīng)力作用，雖然承受的平均應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限，但長(zhǎng)時(shí)間工作后仍會(huì)發(fā)生斷裂，這是由于金屬疲勞引起的疲勞斷裂［13］。 機(jī)械零件在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在局部高應(yīng)力區(qū)會(huì)形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴(kuò)展以致斷裂。 疲勞破壞具有時(shí)間上的突發(fā)性、位置上的局部性及對(duì)環(huán)境和缺陷的敏感性等特點(diǎn)，故疲勞破壞常不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)且易于造成事故。 影響金屬疲勞的3 個(gè)主要因素是應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力值和循環(huán)次數(shù)。 該換流站投運(yùn)時(shí)間為2017 年，已經(jīng)投運(yùn)4 年多，逆止閥從未更換，扭轉(zhuǎn)彈簧臂擺動(dòng)頻率為3 ～4 秒／次，總循環(huán)次數(shù)可能高達(dá)4×107次，屬于高周循環(huán)運(yùn)作。 結(jié)合前面檢測(cè)結(jié)果可知，扭轉(zhuǎn)彈簧失效的主要原因是疲勞斷裂。

3.2 磨 損

扭轉(zhuǎn)彈簧臂發(fā)生磨損的主要原因是扭轉(zhuǎn)彈簧的硬度低于逆止閥的閥軸和緊固件的硬度。 逆止閥閥瓣啟閉過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)彈簧與閥軸、緊固件直接接觸時(shí)存在摩擦，在高周循環(huán)運(yùn)作過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致彈簧臂產(chǎn)生摩擦磨損［14］，最終也可能因彈簧臂磨損斷裂而失效。

3.3 設(shè)計(jì)缺陷

扭轉(zhuǎn)彈簧在逆止閥的閥瓣啟閉過(guò)程中承受的最大交變應(yīng)力值達(dá)到動(dòng)負(fù)荷下許用彎曲應(yīng)力，雖然工況條件下不一定達(dá)到最大扭轉(zhuǎn)變形角，也不是長(zhǎng)時(shí)間處在許用彎曲應(yīng)力條件下，但彈簧高周疲勞運(yùn)作，容易導(dǎo)致彈簧失效。 所以扭轉(zhuǎn)彈簧存在應(yīng)力設(shè)計(jì)缺陷。

扭轉(zhuǎn)彈簧不斷與閥軸、緊固件直接接觸摩擦，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)彈簧臂發(fā)生磨損。 所以逆止閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在缺陷。

另外，換流站采用的逆止閥驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)CJ／T 282—2016《碟型緩閉止回閥》［15］，該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)逆止閥的主要零部件做了相關(guān)規(guī)定，但對(duì)扭轉(zhuǎn)彈簧未做要求，所以逆止閥的安裝驗(yàn)收也存在缺陷［16］。

4 結(jié)論及建議

扭轉(zhuǎn)彈簧失效的主要原因是疲勞斷裂和磨損，另外產(chǎn)品存在應(yīng)力、結(jié)構(gòu)、安裝驗(yàn)收等設(shè)計(jì)缺陷。 針對(duì)故障問(wèn)題，提出以下改進(jìn)意見(jiàn)：

1） 換流站年度檢修必須檢查逆止閥內(nèi)扭轉(zhuǎn)彈簧的表面質(zhì)量，觀察是否存在微裂紋、磨損等缺陷，如有缺陷立即更換逆止閥。

2） 提高逆止閥扭轉(zhuǎn)彈簧的硬度，應(yīng)略高于閥軸和緊固件的硬度；或降低逆止閥的閥軸硬度，使其略低于扭轉(zhuǎn)彈簧的硬度；在扭轉(zhuǎn)彈簧與緊固件之間安裝尼龍PA66 軸承，避免彈簧與緊固件直接接觸。

3） 提高扭轉(zhuǎn)彈簧在動(dòng)負(fù)荷情況下的許用彎曲應(yīng)力，改變彈簧鋼絲直徑和有效圈數(shù)等參數(shù)，從而提高彈簧的強(qiáng)度極限和許用彎曲應(yīng)力。