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        LF型斷路器分合閘線圈內(nèi)彈簧裂紋分析與研究

        2021-08-26 02:50:08梁錢勝
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年10期
        關(guān)鍵詞:大修裂紋環(huán)境

        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。

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