某1000kV特高压站电抗器储油柜联管开裂原因分析

党 乐 董俊谦 崔亚茹 张 威 郝建国

某1000kV特高压站电抗器储油柜联管开裂原因分析

党 乐1董俊谦1崔亚茹1张 威1郝建国2

（1. 国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特 010000； 2. 国网内蒙古东部电力有限公司内蒙古超特高压分公司，内蒙古 锡林郭勒 026000）

本文对一起蒙东地区1 000kV电抗器联管开裂事件进行分析。为了查明联管开裂原因、了解联管管材的健康状况，利用外观形貌分析、断口分析、X射线数字成像（DR）透视检测、化学成分分析、金相显微组织检测、力学性能检测及强度校核计算等方法对开裂联管进行综合性试验分析。结果表明，开裂发生于联管上接高压测装的支管角焊缝两侧的焊趾处，管壁厚度偏差较大，支管角焊缝均存在不同程度的夹渣、气孔及未焊透等焊接缺陷；开裂的联管支管断口起裂于外壁，断口上大部分区域为扩展区，扩展区宏观上可观察到“海滩状”疲劳辉纹，微观上可观察到明显的疲劳条带，为典型的疲劳断裂，联管内外表层均存在明显的全脱碳层缺陷，这降低了管材的疲劳强度。

1 000kV特高压；电抗器；联管；开裂泄漏；疲劳；全脱碳层

0 引言

国网内蒙古东部电力有限公司某特高压变电站1 000kV电抗器型号为BKD—320000/1000，该电抗器于2020年6月换相后投入运行。2020年9月5日，运行人员巡视时发现电抗器C相存在明显振动现象，对其进行噪声测试，结果显示电抗器C相噪声明显高于其他两相，站内开始加强监视，但并未发现异常。2020年10月31日11:00，运行人员巡视发现，电抗器C相储油柜 89mm主联管上的 32mm支管根部开裂漏油严重，造成电抗器紧急迫停。设备停运后，经现场检查确认为主联管上近支管角焊缝处发生开裂并引发泄漏。

1 试验内容及结果

1.1 宏观检查

对联管进行取样试验分析，送检联管试样详细信息见表1。

表1 送检联管试样详细信息

对开裂的储油柜联管进行宏观形貌检查，联管存在2处开裂缺陷，分别位于联管上接高压测装支管角焊缝两侧的焊趾处：一处裂纹位于主管上角焊缝焊趾处，该裂纹长约65mm，与联管轴线10°相交、基本呈直线状分布，焊趾处的裂纹中间开口略宽、两端尖锐，表层的防锈漆局部已崩落，主管未见胀粗及弯曲变形；另一处裂纹位于支管侧角焊缝焊趾处，裂纹沿焊趾呈周向分布，长度约为支管周长的1/2，该处裂纹开口细小、两端尖锐，同时支管角焊缝成型不良，焊缝填充量过多，焊趾处变截面不够平缓[1-5]。此外，联管主管及支管上未见明显腐蚀损伤及机械损伤等缺陷。开裂联管的宏观形貌如图1所示。

将联管开裂部位剖开后检查其内部情况，开裂联管的解剖断面形貌如图2所示。支管焊接不规范，支管内径与主管开口尺寸不匹配，焊缝根部存在未焊透缺陷。同时，支管壁厚不均匀，其设计规格为 32mm×3.0mm，经测量一侧的壁厚为3.3mm，另一侧壁厚为2.1mm，超出允许的壁厚偏差要求。开裂位于薄壁一侧，同时支管内壁存在多条周向分布的较深的凹槽[6-7]。

图1 开裂联管的宏观形貌

图2 开裂联管的解剖断面形貌

1.2 断口分析

将联管主管和支管开裂部分剖开，进行断口宏观分析并利用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）对断口进行微观形貌分析[8-10]。联管主管断口的宏观和微观形貌分别如图3和图4所示，可以看出，联管主管断口起裂于角焊缝的焊趾区钢管外壁，断口的绝大部分为裂纹扩展区，在扩展区宏观上可观察到较为明显的“海滩状”疲劳辉纹，微观上可观察到明显的疲劳条带。

图3 联管主管断口宏观形貌

图4 联管主管断口微观形貌

联管支管开裂部位断口宏观和微观形貌分别如图5和图6所示，开裂的联管支管断口起裂于外壁，断口上大部分区域为扩展区，扩展区宏观上可观察到“海滩状”疲劳辉纹，微观上可观察到明显的疲劳条带。

图5 联管支管开裂部位断口宏观形貌

图6 联管支管开裂部位断口微观形貌

1.3 X射线数字成像透视分析

利用X射线数字成像（digital radiography, DR）技术对联管、各支管及角焊缝进行透视检测，开裂联管各部位DR透视图像如图7所示[11]，可以看出，联管的3根支管角焊缝均存在不同程度的夹渣、气孔及未焊透等焊接缺陷；联管主管母材未见制造缺陷，支管母材内壁存在大量凹槽。

图7 开裂联管各部位DR透视图像

1.4 化学成分分析

用SPECTROMAXx型台式直读光谱仪对开裂的联管主管及支管分别取样进行化学成分检测，得到联管20钢化学成分检测结果见表2[12]。可以看出，主管各主要元素的含量均符合标准对20钢材质的要求；支管各主要元素的含量也均符合标准对20钢材质的要求。

1.5 力学性能测试

自联管主管上截取标准试样进行常温拉伸性能测试，得到联管主管20钢常温力学性能测试结果见表3[13-15]。可以看出，主管的强度及塑性指标符合标准要求。支管由于尺寸所限，无法进行拉伸性能测试。

1.6 金相分析

自联管开裂部位截取试样对联管母材及焊缝进行金相组织检测[16]，得到联管主管各部位金相组织如图8所示。主管的裂纹位于角焊缝的焊趾热影响区，裂纹沿钢管壁厚方向呈外宽内窄分布，说明裂纹起源于外壁的焊趾处，同时，裂纹较为平直呈穿晶断裂特征，未见明显的晶粒拉长塑性变形，裂纹内部未见高温氧化情况。钢管母材的组织为铁素体+珠光体，珠光体大部分沿铁素体晶界分布，且珠光体存在一定程度的球化，母材中未见明显夹杂物；钢管内壁及外壁均存在100mm左右的全脱碳层缺陷组织，全脱碳层晶粒粗大。焊缝的组织为索氏体+魏氏组织，基本正常，焊缝中存在夹渣及未焊透等缺陷。

表2 联管20钢化学成分检测结果

表3 联管主管20钢常温力学性能测试结果

图8 联管主管各部位金相组织

开裂支管各部位金相组织如图9所示，联管支管的裂纹位于薄壁侧近角焊缝焊趾的母材上，裂纹沿垂直于钢管壁厚方向平直分布，内壁处与加工凹槽相贯通，裂纹也呈现穿晶断裂特征，未见明显的晶粒拉长塑性变形。钢管母材的组织为带状分布的铁素体+珠光体，组织中未见明显夹杂物，内外壁未见全脱碳层缺陷。焊缝的组织为索氏体+魏氏组织，焊缝中存在大气孔等焊接缺陷。

图9 开裂支管各部位金相组织

1.7 强度校核计算

联管中油介质的最高参数，即最高油位时油温为110℃，压力约为0.118 385MPa，参考承压部件强度校核计算公式对联管主管及支管的壁厚进行校核，以确定其实际壁厚是否满足使用要求[17]。

分别将联管主管及支管的外径尺寸代入式（1），经计算得出联管主管的理论计算最小壁厚为0.05mm，支管的理论计算最小壁厚为0.02mm。主管的实测最小壁厚为4.1mm，支管的实测最小壁厚2.1mm。因此，加上腐蚀附加厚度、厚度负偏差及工艺厚度减薄值等附加尺寸，联管主管及支管的实际壁厚能够满足使用要求。

1.8 高抗振动测试

对存在异常的高抗C相进行振动测试，振动测试点位示意图如图10所示，图10中带高压套管升高座一侧为油箱正面，振动测试结果见表4。

图10 振动测试点位示意图

表4 高抗C相振动测试结果 单位: mm

结果显示，高抗C相平均振动位移值为39.94mm，振动值最大位移点位于背面1号测量点，振动位移值为85.89mm。对于油浸式变压器（电抗器），在额定电压、额定电流、额定频率和允许谐波电流分量下，箱壁振动优良值不大于60mm，油箱壁振动最大值不大于100mm，可见高抗C相在运行过程中存在严重的振动现象，通过噪声分析可知，该振动伴随着较高的振动频率，高频高幅的振动会在应力集中部位造成金属疲劳导致开裂，从而使支管断裂。

2 综合分析评价

从开裂形貌分析，联管上的2处裂纹分别位于接高压测装的支管角焊缝两侧的焊趾处。焊趾部位由于明显的非圆滑过渡变截面结构，会形成大的应力集中现象。从主管和支管开裂部位的断口均可观察到明显的疲劳条带，说明主管及支管的开裂模式为疲劳开裂。

从焊接工艺分析，通过肉眼观察及DR检测结果可以看出，联管的各支管角焊缝均存在成型不良、填充量过多、焊趾处变截面尖锐现象，还存在不同程度的夹渣、气孔及未焊透等焊接缺陷，说明焊接工艺及操作不良。

从金相组织分析，联管主管的裂纹起裂于支管角焊缝的焊趾热影响区，呈穿晶断裂模式，未见明显的晶粒拉长，符合疲劳开裂的微观组织特征。此外，主管内外壁均存在100mm左右的全脱碳层缺陷组织，表层全脱碳层的存在会严重降低管材的疲劳强度，当遇有循环的交变应力时易沿变截面、缺口等应力集中部位产生疲劳损伤开裂。

从运行工况分析，电抗器C相在运行过程中存在严重的振动现象。经现场测试，与联管相连接的箱盖处的最大振幅达到58mm，且振动频率高。如此高频高幅值的振动传递到联管上会在应力集中现象严重的支管角焊缝处形成大的交变应力，从而引发沿焊趾部位开裂的疲劳开裂损伤。

从化学成分分析，联管主管及支管的化学成分均符合标准对20钢材质的要求；从力学性能分析，联管主管的强度及塑性指标符合标准要求；支管虽由于尺寸所限无法进行拉伸性能测试，但从其金相组织分析，其力学强度也能满足要求。因此，可排除上述两种因素。

3 防治建议

针对上述造成1 000kV电抗器C相储油柜联管开裂泄漏的原因，提出以下三点防治建议：

1）应采取有效措施，如加装约束或减振阻尼器等方式，有效改善联管的振动工况。振动工况不消除，联管开裂损伤难以彻底根除。

2）应提高联管的材料等级，以提高管材的抗疲劳能力，确保所选管材不存在脱碳层等缺陷；同时，考虑到锡林郭勒地区冬季寒冷，建议选用含有适量镍（Ni）元素的低温用钢制作联管。

3）可通过使用三通管件代替支管角焊缝结构来降低主管与支管连接处的应力集中程度，以避免再次发生类似的开裂失效事件。

4 结论

本次1 000kV电抗器C相储油柜联管开裂泄漏的主要原因为，电抗器C相在运行过程中存在严重的振动现象，与其相连接的联管在振动工况下承载持续的循环交变载荷，致使在联管上应力集中的支管角焊缝焊趾区域形成大的交变应力。同时，联管内外表层均存在明显的全脱碳层缺陷，降低了管材的疲劳强度，在大的交变应力作用下于应力集中的焊趾部位形成疲劳开裂，在振动工况下疲劳裂纹不断扩展直至贯穿管壁，进而导致联管开裂泄漏。

[1] 孟令, 吴维国, 胡成城, 等. 一种万能绝缘子更换卡具的研制与分析[J]. 电气技术, 2023, 24(4): 52-56.

[2] 王相锋, 陈习文, 任宝林, 等. 一起套管密封缺陷导致的主变跳闸事故分析[J]. 电气技术, 2023, 24(5): 82-86.

[3] 李晓鹏, 田平, 桂景海. 给水泵汽轮机进汽管道开裂泄漏的分析与处理[J]. 冶金动力, 2022, 41(4): 65-67, 71.

[4] 周帅, 林磊, 梁帆, 等. 核电厂疏水管道焊缝开裂根本原因分析和治理建议[J]. 中国核电, 2022, 15(3): 376-382, 392.

[5] 李显鹏, 毛海波, 程兴民, 等. 某1 000kV高抗套管压力异常的分析和处理[J]. 电工电气, 2018(2): 71-72.

[6] 袁守谦, 姚成功, 陈列, 等. 中碳钢连铸方坯内部角裂机制研究与优化[J]. 钢铁研究学报, 2012, 24(3): 53-57.

[7] 郑东宏, 陈孝海, 李加华, 等. 核电厂镍基焊缝应力腐蚀开裂返修技术分析[J]. 发电设备, 2023, 37(4): 243-247, 252.

[8] 冯柳, 彭庆梁. 扫描电镜在金属材料检测中的应用[J]. 世界有色金属, 2020(16): 208-209.

[9] SALIMI H, POURGOL-MOHAMMAD M, YAZDANI M. Metal fatigue assessment based on temperature evolution and thermodynamic entropy generation[J]. International Journal of Fatigue, 2019, 127: 403-416.

[10] SHANYAVSKY A A. Scales of metal fatigue cracking[J]. Physical Mesomechanics, 2015, 18(2): 163-173.

[11] 刘涛, 尹志强, 雷经发, 等. 金属疲劳损伤过程中表面形貌的多分辨特征提取[J]. 激光与光电子学进展, 2022, 59(8): 444-453.

[12] 高志. 新技术下金属材料成分分析技术发展前景[J]. 中国金属通报, 2021(9): 1-2.

[13] 何东欣, 魏君宇, 王婉君, 等. 界面缺陷及老化状态下电力电子器件封装绝缘应力波检测与分析[J]. 电工技术学报, 2023, 38(3): 610-621.

[14] 赵小军, 张凌云, 刘洋, 等. 机械应力对取向硅钢片综合磁性能影响的实验研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(22): 5776-5787.

[15] NOWAK C M, OTHMAN A, STRÖBELE D A, et al. Comparative mechanical testing for different ortho- dontic aligner materials over time-in vitro study[J]. Journal of Clinical and Experimental Dentistry, 2022, 14(6): e457-e463.

[16] 郝雪龙, 禄璐, 张东晖, 等. 异种金属焊接构件腐蚀疲劳性能研究[J]. 大型铸锻件, 2022(6): 79-82.

[17] 金世贵. 硬度测定在壁厚强度校核中的应用[J]. 化学工程与装备, 2017(7): 58-59.

Analysis of cracking and leakage of reactor oil storage tank joint pipe in a 1 000kV ultra-high voltage substation

DANG Le1DONG Junqian1CUI Yaru1ZHANG Wei1HAO Jianguo2

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Inner Mongolia Eastern Electric Power Co., Ltd, Hohhot 010000; 2. Inner Mongolia Ultra High Voltage Branch of State Grid Inner Mongolia Eastern Electric Power Co., Ltd, Xilingol, Inner Mongolia 026000)

This paper analyzes the failure of a 1 000kV reactor joint pipe cracking in the eastern region of Inner Mongolia. For identifying the causes of the cracking of the joint pipe and understanding the health status of the pipe material, a comprehensive experimental analysis is conducted on the cracked joint pipe using methods such as appearance morphology analysis, fracture analysis, digital radiography (DR) fluoroscopy detection, chemical composition analysis, metallographic microstructure detection, mechanical property detection, and strength verification calculation. The results indicated that the cracking occurres at the weld toes on both sides of the branch pipe fillet weld connected to the high- pressure measuring device on the joint pipe. The thickness deviation of the pipe wall is significant, and there are welding defects such as slag inclusion, porosity and incomplete penetration in the branch pipe fillet weld to varying degrees. The fracture of the cracked branch pipe starts from the outer wall, and most of the area on the fracture surface is an extension zone. Macroscopically, beach shaped fatigue striations can be observed in the extension zone, while microscopically, obvious fatigue bands can be observed, indicating a typical fatigue fracture. There are obvious fully decarburized layer defects on both the inner and outer surfaces of the pipe, which reduces the fatigue strength of the pipes.

1 000kV ultra-high voltage; reactor; joint pipe; cracking and leakage; fatigue; fully decarburized layer

2023-08-30

2023-10-08

党 乐（1987—），男，内蒙古自治区包头市人，硕士，高级工程师，主要从事电网材料技术监督及电网新材料的研究应用工作。