GIS设备仪表接头连接件漏气浅析

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摘要：文中针对某220kV变电站gis设备仪表接头连接件漏气事故展开研究，通过运用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱仪等设备，结合宏观检查、材料成分分析等，系统分析了GIS设备仪表接头连接件的漏气原因。结果表明，针对使用工况，连接件设计材质选用不合理是引起连接件漏气的主因；其次是连接件毛坯的热处理工艺控制不当以致产生微裂纹缺陷，且在出厂检验中未进行无损探伤试验将其排除。根据行业相关导则对连接件进行了更换，并针对此提出了对策与建议。

关键词：GIS设备；仪表连接件；303不锈钢；晶间腐蚀；预防措施

0引言

气体绝缘金属封闭开关设备GIS(gas⁃insulatedswitchgear)因其结构紧凑、占地面积小、配置灵活、安装方便、维护工作量小等特点，经过多年发展，已成为输电工程建设的主流方案[1-2]。但GIS常常出现SF6气体泄漏引起的设备内部绝缘性能下降的故障，且随着运行时间的逐渐增长，由故障漏气带来的风险也越来越大，进而影响电力设备稳定运行，同时也会对大气环境造成严重污染[3]。因此，GIS设备漏气问题值得关注[4-6]。SF6气体泄漏后需要进行补充，处理时间比较长，会造成长时间、大范围的停电，而且维修和处理都比较麻烦[7-8]。目前，在发现GIS设备出现漏气时，通常采用补气的方式进行处理，但是该方法无法从根本上解决问题，漏气现象不能得到有效抑制。因此，对GIS设备进行漏气点的查找及漏气原因分析是十分必要的[9-10]。据统计，GIS设备中易出现SF6气体泄漏现象的部位主要有母线伸缩节、法兰密封面、壳体焊接处及注胶孔等位置[11]。从相关文献可以看到，GIS设备漏气事故原因集中在盆式绝缘子安装工艺控制不良[12]，法兰连接处注脂密封不合格，水气入侵导致生锈[13]，母线伸缩节碟簧长度存在误差，长度调整不能满足设计要求[14]，伸缩节安装不规范，外侧的螺栓紧固而不能伸长，没有起到缓解母线筒热胀冷缩的作用[15]，GIS焊缝局部存在焊接缺陷，焊缝受到应力作用发生疲劳开裂[16-17]等，有关漏气原因的分析及其预防措施研究的文献较多，但对GIS设备仪表接头连接件漏气的研究相对较少。文中基于重庆某220kV变电站GIS设备仪表接头连接件发生SF6气体泄漏事故，运用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱仪等设备，结合宏观检查、材料成分分析，系统探讨了GIS设备仪表接头连接件失效漏气的原因，最终为解决同类型的GIS设备SF6气体泄漏事故提供了研究方向和技术指导意见。

1案例

2019年6月5日，重庆某220kV变电站运维人员日常巡视工作中发现某公司生产的220kVGIS设备密度继电器报警，通过SF6检漏仪检测到2021开关表计与气路管道接头处存在SF6漏气情况(见图1)。运维人员第一时间上报故障情况，同时发现2022，2023等开关部位的仪表接头连接件表面都出现了腐蚀性裂纹。根据厂家提供的资料，该组合电器于2016年4月26日出厂，2016年9月30日投运，连接件的设计材质为303不锈钢，上述失效连接件为该厂同一批次产品。

2试验

2.1宏观检查

通过观察，连接件为圆柱头六角形，内部通过螺纹方式进行连接，外表面大部分区域呈现银白色的金属光泽，端面和侧面有较明显的锈蚀和裂纹。裂纹位置主要位于连接件6个面底部与螺杆连接部位，裂纹由上至下呈纵向趋势发展，见图2，其中，底部已经形成从内到外的横向贯穿裂纹，所有裂纹缝隙处均有黄褐色的锈迹，整个连接件无明显塑性变形，具有晶间脆性开裂特征，且从裂纹锈蚀情况来看，裂纹的形成和发展已有较长的时间。

2.2材料成分分析

在变电站现场，分析人员使用便携式X射线荧光光谱仪对带裂纹的GIS设备仪表接头连接件进行材质分析，分析结果见表1，仪器显示牌号为Y1Cr18Ni9不锈钢(303不锈钢)，与厂家提供的资料相符。随后分析人员将失效的连接件带回实验室，使用台式直读光谱仪对其进行全元素化学成分分析，分析结果见表2。各元素体积分数符合GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》[18]对Y1Cr18Ni9不锈钢(303不锈钢)材质的技术要求。

2.3显微组织形貌

对仪表接头连接件不同部位进行取样，通过镶嵌，打磨，抛光后，可看到裂纹是由连接件表面向芯部逐渐扩展(见图3)。再用王水(盐酸：硝酸=3：1)浸蚀，在金相显微镜下观察，检查结果见图4、5。图可以看到，该连接件金相组织为奥氏体孪晶组织，同时晶界上分布着许多碳化物和夹杂物颗粒，图5在裂纹尖端可以观察到裂纹沿着晶界萌生和扩展，符合沿晶裂纹特征，为典型的晶间腐蚀裂纹。为进一步分析金相照片指示的裂纹附近的微观形貌，将切割后的样品在扫描电镜下观察其横截面，其微观形貌见图6。从图6可以看到，在晶界上分布着大量的碳化物、夹杂物，以及碳化物脱落后留下的空洞。碳化物或夹杂物EDS分析结果见表3，从表3可以看出，碳化物主要是碳—铬的化合物，夹杂物主要元素是硫、氧元素。

2.4失效原因分析

结合化学成分分析，及显微组织分析可以看出，该连接件所用材质为Y1Cr18Ni9不锈钢(303不锈钢)，其各元素体积分数都符合GB/T20878—2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》[18]的技术要求。整个连接件无明显塑性变形，具有脆性开裂特征，由显微组织可以看到，裂纹为典型的晶间腐蚀裂纹。根据厂家提供的信息，连接件的设计选材为303不锈钢，相比于常见的304不锈钢，303不锈钢中加入了大量硫元素提高了其切削性能和抗高温粘结性能，最适用于自动车床、螺栓和螺母[19-20]。由EDS分析结果可以看到，由于连接件中硫元素过多，硫元素会与铁元素或FeO(氧化铁)形成低熔点的共晶体，并沿初生晶粒晶界析出，形成硫化物夹杂，钢材在热加工过程中共晶体融化导致钢材开裂，即钢的“热脆性”[21-22]，从金相照片中可以看到部分微裂纹在连接件毛坯凝固时就已经存在。此外在连接件微观组织中奥氏体晶界上分布有许多碳化物，303不锈钢中的碳元素体积分数过多，与未融入基体的合金元素铬形成碳化物并从晶界析出，造成晶界和临近区域的铬元素体积分数偏低，形成贫铬区，而铬是不锈钢耐蚀的主要元素，结合重庆地区的大气条件，常年气候湿润，空气中的水分不断吸附二氧化硫，二氧化氮等的含酸气体，而贫铬区的出现直接导致了不锈钢抗腐蚀能力变差[23-24]，从沿晶腐蚀到最后沿晶开裂漏气。

3结论

1)仪表接头连接件开裂的主要原因是设计选用的Y1Cr18Ni9不锈钢(303不锈钢)不适用于户外GIS设备连接件气路管道部位。2)仪表接头连接件在凝固过程中热处理工艺控制不当，一方面当铬元素未充分固溶到奥氏体中，会形成碳化物并从晶界析出，造成材质劣化，另一方面硫元素过多也导致了连接件在凝固过程中形成微裂纹缺陷。以上原因共同导致了GIS设备仪表连接件耐腐蚀性不能满足长期使用要求，连接件由晶间腐蚀生锈逐渐发展成贯穿裂纹，从而发生漏气事故。国家电网公司最新企标Q/GDW11717—2017《电网设备金属技术监督导则》[25]中4.3.1规定：“在重污染环境中以及在户外工作的金属部件应选用防腐性能较好的材料，如3系、5系、6系等铝合金以及耐腐蚀性不低于06Cr19Ni10(304)的奥氏体不锈钢”，Y1Cr18Ni9(303不锈钢)耐腐蚀性能低于06Cr19Ni10(304不锈钢)，因此建议GIS设备生产商家对今后类似不合格连接件应全部更换为耐蚀性更好的304或316不锈钢。

作者:任啸 王谦 袁媛 周江 刘熊 单位:国网重庆市电力公司电力科学研究院 重庆大学材料科学与工程学院