某110 kV變電站避雷針法蘭開裂失效分析*

石華洲,武 鑫,周云飛,晏得才

(甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

變電站的避雷針是防止變電站架構(gòu)以及其他設(shè)備遭受雷擊侵害的重要裝置。由于雷擊的危害極大,所以必須保證110 kV變電站的避雷針能正常工作。

避雷針在平均風(fēng)荷載、脈動風(fēng)荷載的共同作用下,長期處于擺動狀態(tài)。由于結(jié)構(gòu)鋼度的影響,其下部法蘭處受到的交變彎曲應(yīng)力作用最為明顯。某變電站停電檢修時發(fā)現(xiàn)110 kV設(shè)備區(qū)避雷針自下向上18 m處法蘭處明顯開裂,嚴重威脅變電站的運行安全。針對上述情況,筆者對避雷針法蘭處開展了解體失效分析試驗,并制定了相應(yīng)的預(yù)防措施,以確保構(gòu)架避雷針安全可靠運行。

1 檢驗檢測

1.1 宏觀檢查

如圖1所示,開裂部位處于避雷針構(gòu)件鋼管與法蘭組加強筋板焊縫#1、#9、#10頂部焊縫,呈橫向裂紋,裂紋分別由加強筋板焊縫頂部熔合線由端部向兩側(cè)擴展。

圖1 金相檢驗取樣位置示意圖

1.2 取樣編號

加強筋板角焊縫宏觀形貌如圖2所示。

圖2 加強筋板角焊縫宏觀形貌

1、4、5、6、9、10加強筋板角焊縫頂端發(fā)現(xiàn)有橫向裂紋,其中#1、#9及#10角焊縫的缺陷尤為明顯,線性缺陷走向經(jīng)過加強筋板角焊縫上端熔合線向法蘭盤方向發(fā)展,使鍍鋅層與避雷針主體呈剝離趨勢。

1.3 結(jié)構(gòu)尺寸測量

為確認該避雷針法蘭結(jié)構(gòu)尺寸是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求,對該避雷針法蘭盤進行結(jié)構(gòu)尺寸測量:鋼管柱尺寸Φ196.07 mm×6.25 mm,法蘭盤尺寸Φ511.20 mm×19.86 mm,法蘭盤加強筋板焊角尺寸9.5 mm×8.5 mm×6 mm,因此符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 磁粉檢測

檢測部位(區(qū)段)及缺陷位置示意圖如圖3所示。對10條避雷針鋼管與法蘭加強筋板連接焊縫做磁粉檢測發(fā)現(xiàn): #1加強筋板焊縫頂部有10 mm長磁痕顯示;#9加強筋板焊縫頂部有5 mm長磁痕顯示;#10加強勁板頂部焊縫有9 mm長磁痕顯示;其余7組加強筋板焊縫未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)磁痕顯示。磁粉檢測結(jié)果如表1所列,檢測結(jié)果顯示#1、#9、#10加強筋板加強焊縫不合格。

表1 磁粉檢測結(jié)果評定表

圖3 檢測部位(區(qū)段)及缺陷位置示意圖

1.5 化學(xué)成分分析

對#1、#9、#10加強筋板對應(yīng)的鋼管部位截取樣品,進行化學(xué)成分分析試驗。從化學(xué)成份分析結(jié)果看,3個樣品所含元素及含量與標(biāo)稱牌號Q235相符,C、Mn、Si等主要元素含量均符合GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求[1],樣品化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所列。

表2 樣品化學(xué)成分分析結(jié)果

1.6 力學(xué)性能分析

對#1、#9、#10加強筋板對應(yīng)的鋼管部位截取樣品,加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣,進行力學(xué)性能試驗。從試驗結(jié)果看,所有3個完好樣品的常溫力學(xué)性能均各自符合GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 232-2008《低合金高強度鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求,試驗結(jié)果合格[2]。Q235鋼試樣力學(xué)性能試驗結(jié)果如表3所列。

表3 Q235鋼試樣力學(xué)性能試驗結(jié)果

1.7 金相檢驗

截取#10加強筋板角焊縫進行金相檢驗試驗,將截取的試塊切割成一大一小兩個試樣,并分別對大小試樣進行金相檢驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn):大試樣環(huán)向存在覆蓋現(xiàn)象,其沿環(huán)向的長度為0.94 mm;鍍鋅層與管壁側(cè)剝離,沿軸向的長度為1.16 mm;焊縫旁咬邊深度為0.42 mm,在咬邊旁未發(fā)現(xiàn)新生裂紋。大試樣形貌如圖4、5所示。小試樣焊縫旁亦存在咬邊現(xiàn)象,其咬邊深度為0.70 mm,寬度0.57 mm,咬邊旁未發(fā)現(xiàn)新生裂紋,小試樣如圖6所示。

圖4 大試樣環(huán)向形貌(25×) 圖5 大試樣軸向形貌(25×)

圖6 小試樣環(huán)向形貌(25×)

焊縫組織晶粒粗大,且有過熱傾向,基本組織為鐵素體加珠光體,鐵素體呈網(wǎng)狀,鐵素體針由晶界向晶內(nèi)生長,網(wǎng)狀分布的鐵素體會對鋼材的強度和韌性構(gòu)成一定影響,存在魏氏組織傾向。母材組織為鐵素體加珠光體,有少量的夾雜物。試樣金相組織檢查結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 大試樣環(huán)向焊縫及熔合線(200×) 圖8 大試樣環(huán)向母材(200×)

2 綜合分析

通過以上分析可知,1、9、10號加強筋板角焊縫處存在未溶透、覆蓋及咬邊等焊接缺陷,在熔合線區(qū)域形成不連續(xù)區(qū)域,導(dǎo)致嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象;宏觀裂紋在交變彎曲應(yīng)力的作用下由鍍鋅層與基體結(jié)合部位不連續(xù)區(qū)域萌生并持續(xù)向鍍鋅層外壁擴展,形成鍍鋅層開裂[3]。避雷針法蘭焊接部位鍍鋅層開裂,焊接缺陷處的水容易滲入且不易排出,使焊接部位長時間處于潮濕環(huán)境,誘發(fā)避雷針內(nèi)壁基材高速腐蝕,塔材長期低溫冷脆現(xiàn)象及風(fēng)擺導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞壽命明顯下降,焊縫疲勞裂紋萌生。受到自身的結(jié)構(gòu)特點、交變風(fēng)載荷以及溫度變化等多種因素的影響的原因,變電站避雷針法蘭接點薄弱部位極易出現(xiàn)疲勞斷裂。

此次事件中,避雷針采用柔性法蘭連接,法蘭所用材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能均符合技術(shù)要求。管材與法蘭板的焊接處為薄弱部位,法蘭坡口焊處的主材受焊接影響,導(dǎo)致其較大的殘余應(yīng)力集中傾向性增加,其斷口上的解理斷裂特征表明,條紋與裂紋擴展方向一致,具有疲勞裂紋特征,而應(yīng)力的存在是促使裂紋開裂形成的必要條件之一[4]。

避雷針主材為Q235B級鋼,此材質(zhì)在低溫、大風(fēng)情況下,易發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象。而風(fēng)擺易造成材料疲勞,長期積累后,在瞬時強風(fēng)作用下,各段連接處易產(chǎn)生風(fēng)致振動累積損傷,兩種風(fēng)振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力都會造成焊接缺陷,從而使連接處焊縫周邊疲勞開裂,由于設(shè)計的構(gòu)架避雷針柔性法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力不足,在長時間交變風(fēng)載荷作用下在薄弱位置易發(fā)生生開裂或斷裂[5]。

3 措施和建議

(1) 加強運維管理,結(jié)合實際發(fā)現(xiàn)問題并及時整改,消除質(zhì)量隱患。

(2) 從設(shè)計、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、螺栓、緊固件等方面規(guī)范設(shè)計,采取加固措施并改進設(shè)計方案,使設(shè)計符合國家鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和鐵塔設(shè)計規(guī)程。

(3) 綜合考慮站址環(huán)境,優(yōu)化結(jié)構(gòu),優(yōu)化可行性,安全性,提高避雷針抗風(fēng)、抗震、抗自然災(zāi)害能力;對于強風(fēng)、多地震,多雨雪出惡劣環(huán)境地區(qū)應(yīng)采取差異化設(shè)計;避雷針應(yīng)采取增加強筋板、支撐筋板數(shù)量及支撐筋板寬度等加固措施。

(4) 規(guī)范施工、安裝,及時開展到貨抽檢和專項檢測,加強鍍鋅層質(zhì)量監(jiān)督,幾何尺寸檢測,重量檢測,焊縫質(zhì)量檢測等,確保符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(5) 利用仿真模擬技術(shù)進行仿真分析,研究避雷針柔性法蘭在長時間交變風(fēng)載荷作用下的受力特性,分析發(fā)生開裂的原因;分析其在風(fēng)載和自重的作用下,是否滿足強度要求,是否采取加固措施和改進設(shè)計方案,以確保構(gòu)架避雷針安全可靠運行。

4 結(jié) 語

文章研究分析了避雷針法蘭開裂失效的原因及后果,并提出相應(yīng)的措施和建議。通過避雷針在惡劣環(huán)境下法蘭開裂失效原因的全方位的分析和評估,在材料、制造工藝、設(shè)計及安裝等方面采取了一系列改進措施。通過加強材料的質(zhì)量控制和工藝的規(guī)范化,優(yōu)化避雷針法蘭設(shè)計,完善安裝過程的管理等措施,降低其失效率,從而更好地保障電力設(shè)備的穩(wěn)定運行。

變電站避雷針法蘭開裂失效分析產(chǎn)生的意義或價值如下:①進一步提高電力系統(tǒng)的安全性;②促進電力科研和技術(shù)水平的提升;③提高了避雷針法蘭制造和檢測的要求;④降低了電網(wǎng)安全風(fēng)險;⑤為避雷針生產(chǎn)和質(zhì)量管理提供技術(shù)依據(jù);⑥推動了電力系統(tǒng)的健康發(fā)展;⑦對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展有積極的貢獻;⑧為行業(yè)內(nèi)其他相關(guān)領(lǐng)域的研究提供思路和方向。