換流站冷卻水管泄漏分析

葉建鋒，田 澤，張 瑩，姚其新，熊 宇

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050；3.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077）

換流站冷卻水管泄漏分析

葉建鋒1，田 澤1，張 瑩1，姚其新2，熊 宇3

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050；3.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077）

針對某500 kV換流站換流閥冷卻水管發(fā)生泄漏問題，通過垢樣分析、化學(xué)成分分析、射線檢測、滲透檢測、金相分析等手段進(jìn)行分析和檢測，結(jié)果表明：泄漏是由于冷卻水管存在鑄造缺陷，在生產(chǎn)后的存放、運輸?shù)冗^程中，腐蝕性離子因為毛細(xì)現(xiàn)象在缺陷內(nèi)聚集，并對缺陷處的材料產(chǎn)生腐蝕，從而導(dǎo)致穿孔泄漏。

換流站；鑄造缺陷；毛細(xì)現(xiàn)象；腐蝕

1 概況

某500 kV換流站換流閥冷卻水管在運行過程中發(fā)生泄漏，如圖1所示，冷卻水管由塑料管和不銹鋼彎頭組成，泄漏部位為不銹鋼彎頭。

圖1 泄漏位置Fig.1 Location of leak

冷卻水管為換流閥冷卻系統(tǒng)[1]的一部分，根據(jù)設(shè)計圖紙的說明，冷卻水管不銹鋼彎頭的材質(zhì)為316L，規(guī)格為Φ65 mm×5 mm。

為分析冷卻水管彎頭的泄露原因，本文通過對冷卻水管彎頭進(jìn)行材質(zhì)化學(xué)成分分析、金相組織檢驗、規(guī)格尺寸測量、內(nèi)部缺陷檢測以及冷卻水管彎頭垢樣分析等實驗，分別從冷卻水管彎頭的制造質(zhì)量和運行環(huán)境兩方面進(jìn)行分析。

2 試驗與分析

2.1 垢樣分析

冷卻水管彎頭與塑料管連接部位存在少量結(jié)垢，如圖2所示，對圖中的兩種垢樣（樣品1和樣品2）進(jìn)行取樣并在掃描電鏡下進(jìn)行分析。

分析結(jié)果顯示，樣品1由鋁、鉻、鐵的氧化產(chǎn)物組成，樣品2則單純?yōu)殇X的氧化產(chǎn)物，如圖3、4所示。由于冷卻水會經(jīng)過換流閥電阻冷卻面板，且該冷卻面板的材質(zhì)為鋁，由此可以判斷鋁的氧化產(chǎn)物來源于換流閥電阻冷卻面板同時冷卻水中存在氧腐蝕環(huán)境。

圖2 垢樣取樣部位Fig.2 Location of scale

圖3 樣品1分析結(jié)果Fig.3 Results of sample one

圖4 樣品2分析結(jié)果Fig.4 Results of sample two

2.2 化學(xué)成分分析

對不銹鋼彎頭進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

從化學(xué)成分分析結(jié)果可見，其成分不符合316L的要求，但符合CF3M的要求。CF3M是標(biāo)準(zhǔn) ASTM SA351《承壓元件用奧氏體、奧氏體-鐵素體（雙相）鑄件》[2]中規(guī)定的鑄造用不銹鋼，316L則為標(biāo)準(zhǔn)ASTM SA273《不銹鋼棒材和型材》[3]中規(guī)定的鍛造用不銹鋼，兩種材質(zhì)的化學(xué)成分較為接近，而發(fā)生泄漏的不銹鋼彎頭為鑄造件，因此設(shè)計圖紙中規(guī)定使用316L應(yīng)為筆誤。

此外，對比垢樣分析中樣品1的成分和表1的成分可以判斷，樣品1主要為不銹鋼彎頭的氧化物。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Results of chemical composition analysis

2.3 截面分析及滲透檢測

將不銹鋼彎頭沿橫向切割后發(fā)現(xiàn)，彎頭的管壁厚度不均勻，發(fā)生泄漏的部位壁厚最薄，壁厚僅為2.66 mm，如圖5所示。

進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)泄漏點部位存在凹坑，而凹坑對應(yīng)的內(nèi)壁無肉眼可見孔洞，通過滲透檢測發(fā)現(xiàn)了內(nèi)壁孔洞所在的位置，如圖6所示。

圖5彎頭橫截面Fig.5 Cross section of elbow

圖6 內(nèi)外壁泄漏點Fig.6 Location of leak on internal and external walls of elbow

測量圖6中內(nèi)、外壁泄漏點與試樣上邊界的距離發(fā)現(xiàn)，內(nèi)、外壁泄漏點與試樣上邊界的距離分別為4 mm和8 mm，這表明泄漏通道并非垂直于管壁，而與管壁成約57°夾角。

2.4 射線檢測

對圖6中的試樣進(jìn)行X射線檢測，發(fā)現(xiàn)泄漏點附近存在一條線性有分支的缺陷，而內(nèi)、外壁泄漏點所形成的通道僅為該缺陷的一部分，如圖7所示。缺陷從外壁泄漏點一直延伸到試樣上方的橫截面處。

圖7 射線檢測結(jié)果Fig.7 Results of RT

2.5 金相分析

對圖7中試樣上方橫截面進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)有缺陷延伸至上方橫截面的痕跡，如圖8所示。彎頭的金相組織為奧氏體加鐵素體，缺陷的邊界圓滑。

圖8 金相分析結(jié)果Fig.8 Results of metallographic analysis

2.6 應(yīng)力計算

取管件最薄處為管件的有效壁厚，即2.66 mm，管件外徑為65 mm，內(nèi)壓力為0.7 MPa，根據(jù)下式計算[4]

式中：σ為管材的應(yīng)力；δ為有效壁厚，2.66 mm；p為介質(zhì)壓力，0.7 MPa；Dw為管件的外徑，65 mm；φh為焊縫減弱系數(shù)（無縫鋼管，取1）。

計算得到管材的應(yīng)力為8.2 MPa。

3 綜合分析

從化學(xué)成分分析可見，管件的材質(zhì)不符合圖紙要求的316L，但符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM SA351《承壓元件用奧氏體、奧氏體-鐵素體（雙相）鑄件》對CF3M的要求，CF3M是常用的鑄造奧氏體不銹鋼，耐腐蝕能力與316L相當(dāng)，且Si含量較316L高，鑄造時流動性較316L好，因此可以判斷該管件的化學(xué)成分滿足要求。從應(yīng)力計算來看，管材的應(yīng)力為8.2 MPa，而CF3M的最小屈服強度為205 MPa，可見管件的運行應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服強度，另外從泄漏點的形狀可見，泄漏點附近未出現(xiàn)裂紋，因此可以判斷管件的泄漏并非應(yīng)力導(dǎo)致。

管件內(nèi)垢樣的分析結(jié)果顯示其成分主要為氧化物，即該管件存在氧腐蝕條件，但腐蝕部位在管接口處，管件內(nèi)壁的其余部位均未見腐蝕產(chǎn)物，因此可以排除泄漏點從內(nèi)壁開始腐蝕的可能性。

從射線檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該管件泄漏點位于管壁最薄的位置，且泄漏點存在分支，從腐蝕孔的擴展原理來看，這些分支并非腐蝕產(chǎn)生，而是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生，在出廠前即存在缺陷，在存儲和運輸過程中，環(huán)境中的腐蝕性離子由于毛細(xì)現(xiàn)象在缺陷內(nèi)聚集，并對缺陷處的金屬產(chǎn)生腐蝕，最終從缺陷的其中一個分支中腐蝕至內(nèi)壁導(dǎo)致穿孔。另外，從缺陷所處的部位和形狀可以推斷該缺陷為冷隔[5]。當(dāng)管件的壁厚不均勻時，在壁厚薄的位置液態(tài)金屬流動性較差，較容易出現(xiàn)冷隔等缺陷。

4 結(jié)論與建議

由于鑄造時內(nèi)砂型和外砂型的中心面存在較大的偏差，因此時不銹鋼彎頭成型后出現(xiàn)壁厚不均的情況，在壁厚較薄的位置，液體金屬流動性較差，生產(chǎn)了鑄造缺陷，在生產(chǎn)后的存儲、運輸?shù)冗^程中，腐蝕性離子由于毛細(xì)現(xiàn)象在缺陷內(nèi)聚集，并對缺陷進(jìn)行腐蝕導(dǎo)致穿孔泄漏。

由于壁厚不均是導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的重要原因，故建議在換流站年度檢修時對換流閥冷卻水管彎頭的壁厚進(jìn)行普查，并對彎頭外表面的孔洞類缺陷進(jìn)行檢查。

（References）

[1] 姚其新,張貴德,馬宜蓮.龍泉換流站閥水冷卻系統(tǒng)泄漏保護(hù)動作分析及建議[J].

湖北電力,2008(2)：55-57.YAO Qixin,ZHANG Guide,MA Yilian.Analysis and suggestion on leakage protection action of valve cooling system in Longquan converter station[J].Hubei Electric Power,2008(2)：55-57.

[2] ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASTM SA351承壓元件用奧氏體、奧氏體-鐵素體（雙相）鑄件[S].北京：中國石化出版社,2007.Material Sub Committee of ASME Boiler and Pressure Vessel Committee.ASTM SA351 Specification forCastings,Austenitic,Austenitic-Ferritic (duplex),for Pressure-Containing Parts[S].Beijing：Sinopec Press,2007.

[3] ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASTM SA273不銹鋼棒材和型材[S].北京：中國石化出版社,2007.Material Sub Committee of ASME Boiler and Pressure VesselCommittee.ASTM SA273 Stainless Steel Bars and Shapes[S].Beijing：Sinopec Press,2007.

[4] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 16507.4-2013水管鍋爐 第4部分：受壓元件強度計算[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2014.National Technical Committee for Standardization of Boiler Pressure Vessels.GB/T 16507.4-2013 Water-TubeBoilers-Part4：Strength Calculation of Pressure Parts[S]. Beijing：China Standard Press,2014.

[5] 王榮,王維昌.鑄件澆不足和冷隔缺陷的成因及防止措施[J].金屬加工,2008(17)：60-62.WANG Rong,WANG Weichang.Causes and prevention measures of casting defects and cold separation defects[J]. Metal Forming, 2008(17)：60-62.

Leak Analysis of Cooling Pipe in Converter Station

YE Jianfeng1,TIAN Ze1,ZHANGYing1,YAO Qixin2,XIONG Yu3
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.State Grid Hubei Corporation Maintenance Company,Wuhan Hubei 430050,China;3.Hubei Fangyuan Dongli Electric Power Science&Research Limited Company,Wuhan Hubei 430077,China)

In view of the cooling water pipe leakage in converter valve of a 500 kV converter station,the problem is analyzed and detected by means of scale sample analysis,chemical composition analysis,RT,PT,metallographic analysis.the results show that the leakage is due to the casting defects in the cooling pipe,then corrosive ions gather in the casting defects during storage after production,transportation process.As the material near the defects is corroded,leakage happens.

converter station;casting defects;capillary phenonmenon;corrosion

TG146.21

B

1006-3986(2017)03-0032-03

10.19308/j.hep.2017.03.007

2017-02-15

葉建鋒（1982），男，廣東東莞人，碩士，工程師。