梁錢勝

（大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司設(shè)備管理部，廣東 深圳 518124）

1 LF型斷路器分合閘線圈內(nèi)部固定彈簧功能及異常裂紋情況

功能簡介：LF型6.6kV斷路器分合閘線圈的功能如下。斷路器通過線圈短時勵磁，由其線圈的中心桿撞擊斷路器分、合閘操作機(jī)構(gòu)，來控制斷路器分閘和合閘操作。分合閘線圈的內(nèi)部固定彈簧對線圈的中心桿起到支撐及固定導(dǎo)向筒的作用。

1.1 LF型斷路器內(nèi)部固定彈簧的結(jié)構(gòu)及原理

LF型斷路器分、合閘線圈內(nèi)部固定彈簧的機(jī)構(gòu)及原理相同，分合閘線圈的主要結(jié)構(gòu)包括線圈、線圈中心桿、線圈中心桿平衡塊、中心桿背部固定彈簧和復(fù)位彈簧等，具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3；圖1為線圈實物的整體外觀圖；將與線圈中心桿連接的平衡塊拆下，取出線圈的中心桿，線圈中心桿的固定彈簧、中心桿的導(dǎo)向筒以及電磁線圈，實物圖如圖2所示。

圖1 線圈外觀

圖2 線圈解體圖

圖3 線圈內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 LF型斷路器線圈及其固定彈簧的作用

LF型斷路器線圈的功能、作用以及線圈內(nèi)部固定彈簧的功能及作用介紹如下。斷路器是通過分、合閘線圈短時勵磁，由其線圈中心桿撞擊斷路器分、合閘操作機(jī)構(gòu)，來控制斷路器的分閘和合閘操作。

固定彈簧的作用：將金屬圓筒固定在線圈支架兩端的圓形凹槽內(nèi)，使線圈整體固定在線圈支架上；使線圈中心桿尼龍圓盤始終在金屬圓筒中運(yùn)動；固定彈簧安裝后，一直處于壓縮狀態(tài)，不動作；固定彈簧斷裂，可能使金屬圓筒輕微偏斜，影響尼龍導(dǎo)向圓盤上下活動，使線圈中心桿回彈復(fù)位緩慢，可能導(dǎo)致斷路器不能正確動作。

LF型斷路器線圈現(xiàn)場安裝情況：某核電站所使用的LF型斷路器共包括2種型號，即LF2型和LF3型，該電站的2臺機(jī)組中每臺機(jī)組現(xiàn)場安裝26臺；每臺斷路器中安裝有1個分閘線圈及1個合閘線圈，每個分閘或合閘線圈中安裝1個內(nèi)部固定彈簧，因此，1臺機(jī)組共計裝有52根固定彈簧。

事件描述：2020年1月份，某核電機(jī)組大修期間，解體中壓斷路器時發(fā)現(xiàn)斷路器分、合閘線圈內(nèi)部固定彈簧銹蝕、變形、且有裂紋。反饋檢查該機(jī)組的5臺斷路器的10個線圈內(nèi)部固定彈簧，發(fā)現(xiàn)有5個固定彈簧銹蝕，且部分銹蝕彈簧有裂紋。

事件后果：斷路器是通過分、合閘線圈短時勵磁，由其線圈中心桿撞擊斷路器分、合閘操作機(jī)構(gòu)，來控制斷路器的分閘和合閘操作；固定彈簧斷裂，可能使金屬圓筒輕微偏斜，影響尼龍導(dǎo)向圓盤上下活動，使線圈中心桿回彈復(fù)位緩慢，可能導(dǎo)致斷路器不能正確動作。

任務(wù)與目標(biāo)：對引起LF型斷路器分合閘線圈內(nèi)部固定彈簧銹蝕、裂紋的原因進(jìn)行分析查找，從配電盤柜的設(shè)計、斷路器分合閘線圈的結(jié)構(gòu)特點、內(nèi)部固定彈簧的材質(zhì)及制造工藝以及環(huán)境影響等多個維度分析故障原因，根據(jù)該原因制定相應(yīng)的糾正措施。

2 分析方法、過程及結(jié)果

2.1 LF型斷路器內(nèi)部分合閘線圈固定彈簧檢查

根據(jù)某核電站機(jī)組大修的反饋，對該電站的其中1臺機(jī)組所有斷路器的分合閘線圈內(nèi)部固定彈簧進(jìn)行檢查，共計52根，發(fā)現(xiàn)有20根固定彈簧存在異常，對有異常的彈簧均已使用備件進(jìn)行了更換處理。

2.2 某集團(tuán)內(nèi)部各不同電站反饋檢查情況

某集團(tuán)內(nèi)各個不同電站相應(yīng)的反饋檢查情況如下。1）某電站L#08大修對該機(jī)組所有的斷路器分合閘線圈內(nèi)部固定彈簧進(jìn)行反饋檢查，共檢查了26臺斷路器，共計52根，總體使用備件更換了20根。2）某A電站大修期間共檢查48個線圈，共發(fā)現(xiàn)有7個線圈有輕微銹蝕，無嚴(yán)重銹蝕。3）某B電站近期大修，其中一輪大修反饋檢查未見異常，另外一輪大修共計檢查約24臺斷路器，同樣未發(fā)現(xiàn)異常。

2.3 6.6 kV中壓配電盤柜設(shè)計的運(yùn)行環(huán)境

6.6 kV中壓配電盤柜設(shè)計的運(yùn)行環(huán)境要求如下：1）電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DL/T593-2016高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求）的第2.2.1節(jié)中配電盤柜設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的要求如下。①周圍空氣溫度最高不超過40 ℃，且在24 h內(nèi)測得的平均溫度不超過35 ℃。周圍空氣最低溫度為-5℃、-15℃、-25℃。②濕度條件。在24h內(nèi)測得的相對濕度的平均值不超過95%；月相對濕度平均值不超過90%；在這樣的濕度條件下有時會出現(xiàn)凝露。高濕度期間、溫度發(fā)生急降時會出現(xiàn)凝露。2）電器設(shè)備廠家配電盤柜設(shè)計對運(yùn)行環(huán)境的要求如下[1]，如下：正常運(yùn)行條件，戶內(nèi)設(shè)備溫度為-5℃～+40℃，海拔為1000 m，濕度為在 24h 內(nèi)測得的相對濕度的平 均值不超過 95%；月相對濕度平均值不超過 90%。3）某電站運(yùn)行技術(shù)規(guī)范中對配電盤所在房間的溫度要求。電氣設(shè)備房間的溫度，不超過設(shè)備運(yùn)行溫度的限值，對于A列中、低壓電氣盤、A/B列直流盤，該限制為35℃；對于B列中、低壓電氣盤和繼電器房間，該限制為40℃；如果溫度超出限制，則認(rèn)為涉及的電氣設(shè)備不可用，則需要執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)范，記錄機(jī)組的限制條件。

2.4 某電站6.6 kV中壓配電盤實際運(yùn)行環(huán)境的分析

該文所分析的某電站6.6kV中壓盤實際的運(yùn)行環(huán)境情況如下。

2.4.1 某電站環(huán)境條件的測量參考數(shù)據(jù)

累年極端最高氣溫：37.3℃；累年極端最低氣溫：0.2℃；多年平均氣溫：22.6℃；多年平均相對濕度：78%；平均降雨量1900mm；大氣壓：960.2mbar～1060mbar；實測海鹽離子濃度：0.1095mg/100cm2?d；結(jié)露：海洋性空氣結(jié)露；室外水：雨水中Cl-濃度：8156mg/m3、pH值6.21。

2.4.2 現(xiàn)場監(jiān)測的中壓盤所在LX廠房的環(huán)境溫濕度情況

機(jī)組正常運(yùn)行期間監(jiān)測的LX廠房環(huán)境溫濕度的情況：溫度在25℃～ 30℃，濕度在65% ～ 75% 。

2.4.3 機(jī)組大修期間中壓盤所在LX廠房的環(huán)境情況

在機(jī)組的大修期間，雖然大修機(jī)組廠房的通風(fēng)因檢修停運(yùn)，但是廠房通風(fēng)系統(tǒng)會通過臨時再供電進(jìn)行通風(fēng)，且AB列的設(shè)備在其中一列檢修時，房間的防火門打開，另外一列通風(fēng)系統(tǒng)也會有一定的通風(fēng)效果；因此，設(shè)備受到潮濕環(huán)境的影響較小，潮濕環(huán)境引入氯元素的可能性很小。

2.4.4 中壓配電盤設(shè)備所在LX廠房在工程調(diào)試階段的環(huán)境情況

在工程調(diào)試階段廠房環(huán)境條件惡劣，通風(fēng)條件差，海邊環(huán)境潮濕，設(shè)備長時間暴露在潮濕環(huán)境中，受到潮濕空氣影響引入氯元素的可能性最大；據(jù)歷史信息反饋，在工程調(diào)試階段，中壓配電盤的設(shè)備曾有過受潮的信息反饋。

2.4.5 銹蝕彈簧的材質(zhì)的分析

銹蝕彈簧樣品在某試驗室分析的情況如下：1）銹蝕彈簧樣品的描述。斷裂的彈簧4個，彈簧組件1個，型號規(guī)格為00891485FD（線圈型號），分別編號為1#～5#，其中1#彈簧已經(jīng)發(fā)生斷裂，2#～4#彈簧均出現(xiàn)一定的銹蝕與開裂，對彈簧的銹蝕原因進(jìn)行分析。2）分析過程。①化學(xué)成分分析。采用ICP-OES以及高頻紅外碳硫分析儀對彈簧進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DINEN10088-1（2014），彈簧材質(zhì)應(yīng)為X10CrNi18-8，該牌號為奧氏體不銹鋼，主要合金元素為Cr、Ni。②外觀檢查。1#彈簧已經(jīng)發(fā)生斷裂，多處開裂，彈簧表面多處可見紅褐色的銹跡，銹跡呈斑點狀，應(yīng)為點蝕。其他4個彈簧的外觀，每個彈簧均有多處開裂，多處可見紅褐色的銹跡，也應(yīng)為點蝕。③表面形貌。對斷口上的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行微區(qū)成分分析，腐蝕產(chǎn)物的主要組成元素有C、O、Cl、Cr、Mn、Fe、Ni，其中Cr、Mn、Fe、Ni來源于彈簧（不銹鋼），Cl應(yīng)來自于外部環(huán)境，結(jié)合腐蝕形貌，分析斷面應(yīng)是含Cl離子氛圍下發(fā)生的腐蝕。對1#～4#彈簧表面進(jìn)行觀察并對表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，腐蝕位置為離散的斑點，為點蝕；腐蝕產(chǎn)物的主要組成元素與斷口腐蝕產(chǎn)物相似，分析彈簧表面的腐蝕也是在含Cl離子的環(huán)境下發(fā)生的。④金相組織分析。彈簧的組織為沿圓周方向拉長的形變奧氏體，未見明顯的組織異常。⑤結(jié)論。彈簧的腐蝕是含Cl離子的氛圍下發(fā)生的點蝕。

表1 彈簧的化學(xué)成分檢測結(jié)果表

2.4.6 彈簧的裂紋分析

彈簧的裂紋分析情況如下所述：1）裂紋彈簧的有限元模擬分析。對彈簧的壓縮狀態(tài)進(jìn)行有限元模擬分析，分析顯示彈簧內(nèi)部主應(yīng)力為拉應(yīng)力，且主應(yīng)力方向與軸向存在一定的夾角，主應(yīng)力大致垂直于斷面，可知斷面方向與應(yīng)力特征是吻合的。2）綜合分析。通過對壓縮態(tài)的彈簧進(jìn)行有限元模擬，可知彈簧壓縮時，垂直于斷面的應(yīng)力為拉應(yīng)力（主應(yīng)力），應(yīng)力腐蝕的拉應(yīng)力為彈簧受壓時產(chǎn)生。對于彈簧的變形，開裂程度較大的裂紋兩側(cè)軸線都發(fā)生了一定的偏移（彎折），未見裂紋的位置軸線未發(fā)生彎折，可知彈簧的變形與裂紋有關(guān)。彈簧是螺旋體，當(dāng)某個位置開裂時，壓縮時引起彈簧受力不均，從而引起彎曲變形。3）結(jié)論。不銹鋼彈簧發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂；含裂紋的彈簧在壓力作用下發(fā)生變形。

3 分析結(jié)論

3.1 故障原因邏輯推理

通過對銹蝕彈簧樣品的化學(xué)成分分析及金相分析，確認(rèn)彈簧的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，彈簧組織未見異常，即彈簧的材質(zhì)為正常的奧氏體不銹鋼材質(zhì)。銹蝕的彈簧化學(xué)成分分析含有Cl元素，不銹鋼金屬材質(zhì)對Cl元素敏感，銹蝕的原因為不銹鋼材料受到含有氯元素的污染物腐蝕。

分析導(dǎo)致彈簧出現(xiàn)銹蝕的氯元素的來源，認(rèn)為有如下幾種可能性：1）在工程調(diào)試階段廠房環(huán)境條件惡劣，通風(fēng)條件差，海邊的潮濕環(huán)境侵襲，設(shè)備長時間暴露在潮濕環(huán)境中，受到潮濕空氣影響引入氯元素的可能性最大；2）在機(jī)組的大修期間，雖然大修機(jī)組廠房的通風(fēng)因檢修停運(yùn)，但是廠房通風(fēng)系統(tǒng)會通過臨時再供電進(jìn)行通風(fēng)，且AB列的設(shè)備在其中一列檢修時，房間的防火門打開，另外一列的通風(fēng)系統(tǒng)也會有一定的通風(fēng)效果；因此，設(shè)備受到潮濕環(huán)境的影響較小，潮濕環(huán)境引入氯元素的可能性很?。?）根據(jù)集團(tuán)內(nèi)部的A電站及B電站某機(jī)組大修反饋檢查的情況可知，某A電站的某機(jī)組反饋檢查48個線圈僅發(fā)現(xiàn)7個有輕微銹蝕，某B電站的某機(jī)組反饋檢查未發(fā)現(xiàn)異常，討論分析認(rèn)為廠家生產(chǎn)過程中引入氯元素污染的可能性很?。?）機(jī)組日常運(yùn)行期間，房間通風(fēng)效果良好，并且中壓盤所在廠房的溫濕度滿足運(yùn)行技術(shù)規(guī)范要求，日常期間引入氯元素的可能性低。原因分析及屏障分析圖如圖4所示。

圖4 事件原因因素分析及屏障分析圖

3.2 根本原因陳述

綜合以上分析彈簧銹蝕的根本原因為工程調(diào)試階段，廠房通風(fēng)環(huán)境差，環(huán)境惡劣，設(shè)備長時間暴露在潮濕環(huán)境中，海邊的環(huán)境潮濕，彈簧不銹鋼材料受到了含有氯元素的污染物腐蝕，并在彈簧扭力及環(huán)境溫度的作用下（如高溫高濕的條件）出現(xiàn)了由鈍化膜破壞后的點蝕，出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，直至裂紋貫穿和簧絲斷裂。

4 結(jié)語

該報告是針對某電站LF型斷路器分合線圈內(nèi)部固定彈簧銹蝕、裂紋異常事件進(jìn)行的分析，該分析結(jié)果所涉及的內(nèi)容和分析方法，僅限于該文所述電站的機(jī)組LF型斷路器開關(guān)設(shè)備可借鑒使用。根據(jù)該文的分析可知，彈簧銹蝕是由于受到了氯元素的侵襲，對于同一時期投運(yùn)的同型號設(shè)備而言，均處于類似的調(diào)試環(huán)境，同樣存在受到氯元素侵襲的可能性，為徹底消除由于可能被氯元素侵襲的彈簧出現(xiàn)銹蝕的隱患，建議后續(xù)改進(jìn)措施如下：1）梳理該文所述的某電站大修中LF型斷路器分合閘線圈內(nèi)部固定彈簧的檢查更換情況，對未更換分合閘線圈內(nèi)部固定彈簧的斷路器進(jìn)行跟蹤，在后續(xù)大修時進(jìn)行更換。2）在該機(jī)組所在電站的其他2臺機(jī)組的后續(xù)大修中，對中壓斷路器分合閘線圈內(nèi)部固定彈簧進(jìn)行全部反饋檢查。