GIS設備儀表接頭連接件漏氣淺析
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摘要：文中針對某220kV變電站gis設備儀表接頭連接件漏氣事故展開研究，通過運用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀等設備，結合宏觀檢查、材料成分分析等，系統分析了GIS設備儀表接頭連接件的漏氣原因。結果表明，針對使用工況，連接件設計材質選用不合理是引起連接件漏氣的主因；其次是連接件毛坯的熱處理工藝控制不當以致產生微裂紋缺陷，且在出廠檢驗中未進行無損探傷試驗將其排除。根據行業相關導則對連接件進行了更換，并針對此提出了對策與建議。
關鍵詞：GIS設備；儀表連接件；303不銹鋼；晶間腐蝕；預防措施
0引言
氣體絕緣金屬封閉開關設備GIS(gas⁃insulatedswitchgear)因其結構緊湊、占地面積小、配置靈活、安裝方便、維護工作量小等特點，經過多年發展，已成為輸電工程建設的主流方案[1-2]。但GIS常常出現SF6氣體泄漏引起的設備內部絕緣性能下降的故障，且隨著運行時間的逐漸增長，由故障漏氣帶來的風險也越來越大，進而影響電力設備穩定運行，同時也會對大氣環境造成嚴重污染[3]。因此，GIS設備漏氣問題值得關注[4-6]。SF6氣體泄漏后需要進行補充，處理時間比較長，會造成長時間、大范圍的停電，而且維修和處理都比較麻煩[7-8]。目前，在發現GIS設備出現漏氣時，通常采用補氣的方式進行處理，但是該方法無法從根本上解決問題，漏氣現象不能得到有效抑制。因此，對GIS設備進行漏氣點的查找及漏氣原因分析是十分必要的[9-10]。據統計，GIS設備中易出現SF6氣體泄漏現象的部位主要有母線伸縮節、法蘭密封面、殼體焊接處及注膠孔等位置[11]。從相關文獻可以看到，GIS設備漏氣事故原因集中在盆式絕緣子安裝工藝控制不良[12]，法蘭連接處注脂密封不合格，水氣入侵導致生銹[13]，母線伸縮節碟簧長度存在誤差，長度調整不能滿足設計要求[14]，伸縮節安裝不規范，外側的螺栓緊固而不能伸長，沒有起到緩解母線筒熱脹冷縮的作用[15]，GIS焊縫局部存在焊接缺陷，焊縫受到應力作用發生疲勞開裂[16-17]等，有關漏氣原因的分析及其預防措施研究的文獻較多，但對GIS設備儀表接頭連接件漏氣的研究相對較少。文中基于重慶某220kV變電站GIS設備儀表接頭連接件發生SF6氣體泄漏事故，運用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀等設備，結合宏觀檢查、材料成分分析，系統探討了GIS設備儀表接頭連接件失效漏氣的原因，最終為解決同類型的GIS設備SF6氣體泄漏事故提供了研究方向和技術指導意見。
1案例
2019年6月5日，重慶某220kV變電站運維人員日常巡視工作中發現某公司生產的220kVGIS設備密度繼電器報警，通過SF6檢漏儀檢測到2021開關表計與氣路管道接頭處存在SF6漏氣情況(見圖1)。運維人員第一時間上報故障情況，同時發現2022，2023等開關部位的儀表接頭連接件表面都出現了腐蝕性裂紋。根據廠家提供的資料，該組合電器于2016年4月26日出廠，2016年9月30日投運，連接件的設計材質為303不銹鋼，上述失效連接件為該廠同一批次產品。
2試驗
2.1宏觀檢查
通過觀察，連接件為圓柱頭六角形，內部通過螺紋方式進行連接，外表面大部分區域呈現銀白色的金屬光澤，端面和側面有較明顯的銹蝕和裂紋。裂紋位置主要位于連接件6個面底部與螺桿連接部位，裂紋由上至下呈縱向趨勢發展，見圖2，其中，底部已經形成從內到外的橫向貫穿裂紋，所有裂紋縫隙處均有黃褐色的銹跡，整個連接件無明顯塑性變形，具有晶間脆性開裂特征，且從裂紋銹蝕情況來看，裂紋的形成和發展已有較長的時間。
2.2材料成分分析
在變電站現場，分析人員使用便攜式X射線熒光光譜儀對帶裂紋的GIS設備儀表接頭連接件進行材質分析，分析結果見表1，儀器顯示牌號為Y1Cr18Ni9不銹鋼(303不銹鋼)，與廠家提供的資料相符。隨后分析人員將失效的連接件帶回實驗室，使用臺式直讀光譜儀對其進行全元素化學成分分析，分析結果見表2。各元素體積分數符合GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》[18]對Y1Cr18Ni9不銹鋼(303不銹鋼)材質的技術要求。
2.3顯微組織形貌
對儀表接頭連接件不同部位進行取樣，通過鑲嵌，打磨，拋光后，可看到裂紋是由連接件表面向芯部逐漸擴展(見圖3)。再用王水(鹽酸：硝酸=3：1)浸蝕，在金相顯微鏡下觀察，檢查結果見圖4、5。圖可以看到，該連接件金相組織為奧氏體孿晶組織，同時晶界上分布著許多碳化物和夾雜物顆粒，圖5在裂紋尖端可以觀察到裂紋沿著晶界萌生和擴展，符合沿晶裂紋特征，為典型的晶間腐蝕裂紋。為進一步分析金相照片指示的裂紋附近的微觀形貌，將切割后的樣品在掃描電鏡下觀察其橫截面，其微觀形貌見圖6。從圖6可以看到，在晶界上分布著大量的碳化物、夾雜物，以及碳化物脫落后留下的空洞。碳化物或夾雜物EDS分析結果見表3，從表3可以看出，碳化物主要是碳—鉻的化合物，夾雜物主要元素是硫、氧元素。
2.4失效原因分析
結合化學成分分析，及顯微組織分析可以看出，該連接件所用材質為Y1Cr18Ni9不銹鋼(303不銹鋼)，其各元素體積分數都符合GB/T20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》[18]的技術要求。整個連接件無明顯塑性變形，具有脆性開裂特征，由顯微組織可以看到，裂紋為典型的晶間腐蝕裂紋。根據廠家提供的信息，連接件的設計選材為303不銹鋼，相比于常見的304不銹鋼，303不銹鋼中加入了大量硫元素提高了其切削性能和抗高溫粘結性能，最適用于自動車床、螺栓和螺母[19-20]。由EDS分析結果可以看到，由于連接件中硫元素過多，硫元素會與鐵元素或FeO(氧化鐵)形成低熔點的共晶體，并沿初生晶粒晶界析出，形成硫化物夾雜，鋼材在熱加工過程中共晶體融化導致鋼材開裂，即鋼的“熱脆性”[21-22]，從金相照片中可以看到部分微裂紋在連接件毛坯凝固時就已經存在。此外在連接件微觀組織中奧氏體晶界上分布有許多碳化物，303不銹鋼中的碳元素體積分數過多，與未融入基體的合金元素鉻形成碳化物并從晶界析出，造成晶界和臨近區域的鉻元素體積分數偏低，形成貧鉻區，而鉻是不銹鋼耐蝕的主要元素，結合重慶地區的大氣條件，常年氣候濕潤，空氣中的水分不斷吸附二氧化硫，二氧化氮等的含酸氣體，而貧鉻區的出現直接導致了不銹鋼抗腐蝕能力變差[23-24]，從沿晶腐蝕到最后沿晶開裂漏氣。
3結論
1)儀表接頭連接件開裂的主要原因是設計選用的Y1Cr18Ni9不銹鋼(303不銹鋼)不適用于戶外GIS設備連接件氣路管道部位。2)儀表接頭連接件在凝固過程中熱處理工藝控制不當，一方面當鉻元素未充分固溶到奧氏體中，會形成碳化物并從晶界析出，造成材質劣化，另一方面硫元素過多也導致了連接件在凝固過程中形成微裂紋缺陷。以上原因共同導致了GIS設備儀表連接件耐腐蝕性不能滿足長期使用要求，連接件由晶間腐蝕生銹逐漸發展成貫穿裂紋，從而發生漏氣事故。國家電網公司最新企標Q/GDW11717—2017《電網設備金屬技術監督導則》[25]中4.3.1規定：“在重污染環境中以及在戶外工作的金屬部件應選用防腐性能較好的材料，如3系、5系、6系等鋁合金以及耐腐蝕性不低于06Cr19Ni10(304)的奧氏體不銹鋼”，Y1Cr18Ni9(303不銹鋼)耐腐蝕性能低于06Cr19Ni10(304不銹鋼)，因此建議GIS設備生產商家對今后類似不合格連接件應全部更換為耐蝕性更好的304或316不銹鋼。
作者:任嘯 王謙 袁媛 周江 劉熊 單位:國網重慶市電力公司電力科學研究院 重慶大學材料科學與工程學院