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

(甘肅電力科學研究院技術中心有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

變電站的避雷針是防止變電站架構以及其他設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。

避雷針在平均風荷載、脈動風荷載的共同作用下,長期處于擺動狀態。由于結構鋼度的影響,其下部法蘭處受到的交變彎曲應力作用最為明顯。某變電站停電檢修時發現110 kV設備區避雷針自下向上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,并制定了相應的預防措施,以確保構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現有橫向裂紋,其中#1、#9及#10角焊縫的缺陷尤為明顯,線性缺陷走向經過加強筋板角焊縫上端熔合線向法蘭盤方向發展,使鍍鋅層與避雷針主體呈剝離趨勢。

1.3 結構尺寸測量

為確認該避雷針法蘭結構尺寸是否符合標準要求,對該避雷針法蘭盤進行結構尺寸測量: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,因此符合設計標準要求。

1.4 磁粉檢測

檢測部位(區段)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現: #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現超標磁痕顯示。磁粉檢測結果如表1所列,檢測結果顯示#1、#9、#10加強筋板加強焊縫不合格。

表1 磁粉檢測結果評定表

圖3 檢測部位(區段)及缺陷位置示意圖

1.5 化學成分分析

對#1、#9、#10加強筋板對應的鋼管部位截取樣品,進行化學成分分析試驗。從化學成份分析結果看,3個樣品所含元素及含量與標稱牌號Q235相符,C、Mn、Si等主要元素含量均符合GB/T 700-2006《碳素結構鋼》標準要求[1],樣品化學成分分析結果如表2所列。

表2 樣品化學成分分析結果

1.6 力學性能分析

對#1、#9、#10加強筋板對應的鋼管部位截取樣品,加工成標準試樣,進行力學性能試驗。從試驗結果看,所有3個完好樣品的常溫力學性能均各自符合GB/T 700-2006《碳素結構鋼》、GB/T 232-2008《低合金高強度鋼》標準要求,試驗結果合格[2]。Q235鋼試樣力學性能試驗結果如表3所列。

表3 Q235鋼試樣力學性能試驗結果

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。結果發現:大試樣環向存在覆蓋現象,其沿環向的長度為0.94 mm;鍍鋅層與管壁側剝離,沿軸向的長度為1.16 mm;焊縫旁咬邊深度為0.42 mm,在咬邊旁未發現新生裂紋。大試樣形貌如圖4、5所示。小試樣焊縫旁亦存在咬邊現象,其咬邊深度為0.70 mm,寬度0.57 mm,咬邊旁未發現新生裂紋,小試樣如圖6所示。

圖4 大試樣環向形貌(25×) 圖5 大試樣軸向形貌(25×)

圖6 小試樣環向形貌(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,鐵素體呈網狀,鐵素體針由晶界向晶內生長,網狀分布的鐵素體會對鋼材的強度和韌性構成一定影響,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果如圖7、8所示。

圖7 大試樣環向焊縫及熔合線(200×) 圖8 大試樣環向母材(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,在熔合線區域形成不連續區域,導致嚴重的應力集中現象;宏觀裂紋在交變彎曲應力的作用下由鍍鋅層與基體結合部位不連續區域萌生并持續向鍍鋅層外壁擴展,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境,誘發避雷針內壁基材高速腐蝕,塔材長期低溫冷脆現象及風擺導致結構的疲勞壽命明顯下降,焊縫疲勞裂紋萌生。受到自身的結構特點、交變風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成分和力學性能均符合技術要求。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,導致其較大的殘余應力集中傾向性增加,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,此材質在低溫、大風情況下,易發生低溫冷脆現象。而風擺易造成材料疲勞,長期積累后,在瞬時強風作用下,各段連接處易產生風致振動累積損傷,兩種風振動產生的交變應力都會造成焊接缺陷,從而使連接處焊縫周邊疲勞開裂,由于設計的構架避雷針柔性法蘭結構應力不足,在長時間交變風載荷作用下在薄弱位置易發生生開裂或斷裂[5]。

3 措施和建議

(1) 加強運維管理,結合實際發現問題并及時整改,消除質量隱患。

(2) 從設計、結構、材質、螺栓、緊固件等方面規范設計,采取加固措施并改進設計方案,使設計符合國家鋼結構設計規范和鐵塔設計規程。

(3) 綜合考慮站址環境,優化結構,優化可行性,安全性,提高避雷針抗風、抗震、抗自然災害能力;對于強風、多地震,多雨雪出惡劣環境地區應采取差異化設計;避雷針應采取增加強筋板、支撐筋板數量及支撐筋板寬度等加固措施。

(4) 規范施工、安裝,及時開展到貨抽檢和專項檢測,加強鍍鋅層質量監督,幾何尺寸檢測,重量檢測,焊縫質量檢測等,確保符合標準要求。

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

4 結 語

文章研究分析了避雷針法蘭開裂失效的原因及后果,并提出相應的措施和建議。通過避雷針在惡劣環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。通過加強材料的質量控制和工藝的規范化,優化避雷針法蘭設計,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備的穩定運行。

變電站避雷針法蘭開裂失效分析產生的意義或價值如下:①進一步提高電力系統的安全性;②促進電力科研和技術水平的提升;③提高了避雷針法蘭制造和檢測的要求;④降低了電網安全風險;⑤為避雷針生產和質量管理提供技術依據;⑥推動了電力系統的健康發展;⑦對環境保護和可持續發展有積極的貢獻;⑧為行業內其他相關領域的研究提供思路和方向。