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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-09-27 20:53
國內(nèi)某1000千伏特高壓變電站1000千伏電抗器在運行過程中C相儲油柜主聯(lián)管發(fā)生開裂泄漏。利用泄漏點外觀形貌分析、斷口分析、DR透視檢測、化學(xué)成分分析、金相顯微組織檢測、力學(xué)性能檢測及強度校核計算等方法對開裂的聯(lián)管進行試驗分析。綜合設(shè)備運行工況及試驗結(jié)果判定開裂原因為焊趾處的疲勞開裂。
國內(nèi)某1000千伏特高壓變電站1000千伏電抗器采用320000/1000型電抗器。該電抗器于2020年6月?lián)Q相后投入運行。2020年10月31日11:00，運行人員巡視發(fā)現(xiàn)，電抗器C相儲油柜的φ89mm主聯(lián)管上的φ32mm支管根部開裂漏油嚴(yán)重，造成電抗器緊急迫停，造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失。開裂聯(lián)管的詳細(xì)信息見表1。
表1 送檢聯(lián)管試樣的細(xì)信息
1. 試驗內(nèi)容及結(jié)果
1宏觀檢查
對開裂的1000千伏電抗器C相儲油柜聯(lián)管進行宏觀形貌檢查，聯(lián)管存在2處開裂缺陷，分別位于聯(lián)管上接高壓測裝的支管角焊縫的兩側(cè)的焊趾處。
即一處裂紋位于主管上角焊縫焊趾處，該裂紋長約65mm，與聯(lián)管軸線10°相交、基本呈直線狀分布，焊趾處的裂紋中間開口略寬、兩端尖銳，表層的防銹漆局部已崩落，主管未見脹粗及彎曲變形。
另一處裂紋位于支管側(cè)角焊縫焊趾處，裂紋沿焊趾呈周向分布，長度約為支管周長的1/2，該處裂紋也開口細(xì)小，兩端尖銳。同時可以看出，支管角焊縫成型不良，焊縫填充量過多，焊趾處變截面不夠平緩。
此外，聯(lián)管主管及支管上未見明顯的腐蝕損傷及機械損傷等缺陷，如圖1所示。
圖1 開裂聯(lián)管的宏觀形貌
將聯(lián)管開裂部位剖開后檢查其內(nèi)部情況，如圖2所示?？梢钥吹?，支管焊接不規(guī)范，支管內(nèi)徑與主管開口尺寸不匹配，焊縫根部存在未焊透缺陷。同時，支管壁厚不均勻，其設(shè)計規(guī)格為Φ32×3.0mm，經(jīng)測量一側(cè)的壁厚為3.3mm，另一側(cè)壁厚為2.1mm，超出其允許的壁厚偏差要求。開裂位于薄壁一側(cè)，同時，支管內(nèi)壁存在多條周向分布的較深的凹槽。
圖2 開裂聯(lián)管的解剖斷面形貌
2斷口分析
將聯(lián)管主管和支管開裂部分剖開，進行斷口宏觀分析并利用掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口進行微觀形貌分析。可以看出，聯(lián)管主管斷口起裂于角焊縫的焊趾區(qū)鋼管外壁，斷口的絕大部分為裂紋擴展區(qū)，在擴展區(qū)宏觀上可以觀察到較為明顯的“海灘狀”疲勞輝紋，微觀上可以觀察到明顯的疲勞條帶，如圖3所示。
圖3 聯(lián)管主管開裂部位斷口宏觀及SEM微觀形貌
開裂的聯(lián)管支管斷口起裂于外壁，斷口上大部分區(qū)域也為擴展區(qū)，擴展區(qū)宏觀上可以觀察到“海灘狀”疲勞輝紋，微觀上可以觀察到明顯的疲勞條帶，如圖4所示。
圖4 聯(lián)管支管開裂部位斷口宏觀及SEM微觀形貌
3冷陰極-DR透視分析
利用冷陰極X射線數(shù)字成像技術(shù)(冷陰極-DR技術(shù))對聯(lián)管、各支管及角焊縫進行透視檢測，如圖5所示。
可以看出，聯(lián)管的3根支管角焊縫均存在不同程度的夾渣、氣孔及未焊透等焊接缺陷；聯(lián)管主管母材未見制造缺陷，支管母材內(nèi)壁存在大量凹槽。
圖5 開裂聯(lián)管各部位的DR透視圖像
4化學(xué)成分分析
用SPECTROMAXx型臺式直讀光譜儀對開裂的聯(lián)管主管及支管分別取樣進行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表2。
可以看出，主管各主要元素的含量均符合標(biāo)準(zhǔn)對20鋼材質(zhì)的要求；支管各主要元素的含量也均符合標(biāo)準(zhǔn)對20鋼材質(zhì)的要求。
表2 聯(lián)管20鋼材化學(xué)成分檢測結(jié)果(wt/%)
5金相分析
自聯(lián)管開裂部位截取試樣對聯(lián)管母材及焊縫進行金相組織檢測。
主管的裂紋位于角焊縫的焊趾熱影響區(qū)，裂紋沿鋼管壁厚方向外寬內(nèi)窄分布，說明裂紋起源于外壁的焊趾處，同時，裂紋較為平直呈穿晶斷裂特征，未見明顯的晶粒拉長塑性變形，裂紋內(nèi)部未見高溫氧化情況。
鋼管母材的組織為鐵素體+珠光體，珠光體大部分沿鐵素體晶界分布，且珠光體存在一定程度的球化，母材中未見明顯夾雜物；鋼管內(nèi)壁及外壁均存在100μm左右的全脫碳層缺陷組織，全脫碳層晶粒粗大。
焊縫的組織為索氏體+魏氏組織，基本正常，焊縫中存在夾渣及未焊透等缺陷，如圖6所示。
圖6 聯(lián)管主管各部位的金相組織
聯(lián)管支管的裂紋位于薄壁側(cè)近角焊縫焊趾的母材上，裂紋沿垂直于鋼管壁厚方向平直分布，內(nèi)壁處與加工凹槽相貫通，裂紋也呈現(xiàn)穿晶斷裂特征，未見明顯的晶粒拉長塑性變形。
鋼管母材的組織為帶狀分布的鐵素體+珠光體，組織中未見明顯夾雜物，內(nèi)外壁未見全脫碳層缺陷。焊縫的組織為索氏體+魏氏組織，焊縫中存在大氣孔等焊接缺陷，如圖7所示。
圖7 開裂支管各部位的金相組織
6 力學(xué)性能測試
自聯(lián)管主管上截取標(biāo)準(zhǔn)試樣進行常溫拉伸性能測試，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，主管的強度及塑性指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；支管由于尺寸所限，無法進行拉伸性能測試。
表3 聯(lián)管主管20鋼常溫力學(xué)性能測試結(jié)果
7強度校核計算
依據(jù)聯(lián)管中油介質(zhì)的最高參數(shù)，即最高油位時油溫為110℃，壓力約為0.118385MPa，參考承壓部件強度校核計算公式對聯(lián)管主管及支管的壁厚進行校核，以確定其實際壁厚是否滿足使用要求。
式中：δt為理論計算最小壁厚，單位為mm；P為介質(zhì)最高工作壓力，單位為MPa；D0為鋼管的外徑，單位為mm；ψmin為最小減弱系數(shù)，本算例結(jié)合實際開孔減弱程度選用0.75；[σ]為管材的許用應(yīng)力，單位為MPa，即20鋼材料在110℃時的許用應(yīng)力，利用查表及插值法計算得出為137MPa。
分別將聯(lián)管主管及支管的外徑尺寸代入上述公式，經(jīng)計算得出聯(lián)管主管需要的理論計算最小壁厚為0.05mm，支管需要的理論計算最小壁厚為 0.02mm；而主管的實測最小壁厚為4.1mm，支管的實測最小壁厚為2.1mm。因此，加上腐蝕附加厚度、厚度負(fù)偏差及工藝厚度減薄值等附加厚度尺寸，聯(lián)管主管級支管的實際壁厚是能夠滿足使用要求的。
2. 綜合分析評價
從開裂形貌分析，聯(lián)管上的2處裂紋分別位于接高壓測裝的支管角焊縫兩側(cè)的焊趾處。焊趾部位由于明顯的非圓滑過渡的變截面結(jié)構(gòu)，會形成大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。而從主管和支管開裂部位的斷口上均可以觀察到明顯的疲勞條帶，說明主管級支管的開裂模式為疲勞開裂。
從焊接工藝分析，通過肉眼觀察及冷陰極-DR檢測結(jié)果可以看出，聯(lián)管的各支管角焊縫均存成型不良、填充量過多，焊趾處變截面尖銳現(xiàn)象，還不同程度存在夾渣、氣孔及未焊透等焊接缺陷，說明焊接工藝及操作存在不良。
從化學(xué)成分分析，聯(lián)管主管及支管的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)對20鋼材質(zhì)的要求，可以排除材質(zhì)錯用的情況。
從金相組織分析，聯(lián)管主管的裂紋起裂于支管角焊縫的焊趾熱影響區(qū)，呈穿晶斷裂模式，未見明顯的晶粒拉長，符合疲勞開裂的微觀組織特征。此外，主管內(nèi)外壁均存在100μm左右的全脫碳層缺陷組織，表層全脫碳層的存在會嚴(yán)重降低管材的疲勞強度，當(dāng)遇有循環(huán)的交變應(yīng)力時易沿變截面、缺口等應(yīng)力集中部位萌生疲勞損傷開裂。
從力學(xué)性能分析，聯(lián)管主管的強度及塑性指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求；支管雖由于尺寸所限無法進行拉伸性能測試，但從其金相組織分析，其力學(xué)強度也能滿足要求。
從運行工況分析，電抗器C相在運行過程中存在嚴(yán)重的振動現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場測試與聯(lián)管相連接的箱蓋處的最大振幅達(dá)到58μm，且振動頻率高。如此高頻高幅值的振動傳遞到聯(lián)管上會在應(yīng)力集中嚴(yán)重的支管角焊縫處形成大的交變應(yīng)力，易引發(fā)沿焊趾部位開裂的疲勞開裂損傷。
3. 結(jié)論及建議
1結(jié)論
此次1000千伏電抗器C相儲油柜聯(lián)管開裂泄漏的主要原因為，電抗器C相在運行過程中存在嚴(yán)重的振動現(xiàn)象，使得與其相連接的聯(lián)管在振動工況下承載持續(xù)的循環(huán)交變載荷，致使在聯(lián)管上應(yīng)力集中的支管角焊縫焊趾區(qū)域形成大的交變應(yīng)力。
同時，聯(lián)管內(nèi)外表層均存在明顯的全脫碳層缺陷，降低了管材的疲勞強度，在大的交變應(yīng)力作用下于應(yīng)力集中的焊趾部位形成疲勞開裂，在振動工況下疲勞裂紋不斷擴展直至貫穿管壁進而引發(fā)聯(lián)管的開裂泄漏。
2建議
針對于上述造成1000千伏電抗器C相儲油柜聯(lián)管開裂泄漏的原因，對1000千伏特高壓變電站1000千伏電抗器儲油柜主聯(lián)管提出如下三點防治建議以供參考：
首先，應(yīng)采取有效措施如加裝約束或減振阻尼器等方式有效改善聯(lián)管的振動工況，振動工況不消除，聯(lián)管開裂損傷難以徹底根除。
其次，應(yīng)提高聯(lián)管的材料等級以提高管材的抗疲勞能力，所選管材確保不存在脫碳層等缺陷，同時，應(yīng)結(jié)合電抗器的工況條件，對低溫區(qū)域建議選用含有適量鎳(Ni)元素的低溫用鋼制作聯(lián)管。
最后，可通過使用三通管件代替支管角焊縫結(jié)構(gòu)來降低主管與支管連接處的應(yīng)力集中程度，以避免再次發(fā)生類似的開裂失效。
來源：國電檢測
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