110 kV变压器油管波纹管裂纹成因分析

章学兵，廖 巍

( 1.国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799；2.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

变电站作为电力系统的主要组成部分，其性能决定变电站运行的稳定性。变压器的主要组成部件有油箱本体、储油柜、散热器、套管、分接开关及附属装置等；散热器油管与变压器本体油路之间采用波纹管连接，由于波纹管具有较好的柔性结构，管道简单紧凑，可以避免由温差导致的热应力位移和地基不均匀沉降而产生的机械位移，同时起到消除机械振动和降低噪声的作用[1]。但波纹管在实际安装和运行过程中容易出现变形、振动和腐蚀问题，进而导致波纹管发生故障，引起变压器停运检修[2-3]。

本文对上海某110 kV变电站变压器油管波纹管开裂问题进行分析，运用多种检测手段，综合分析其开裂成因，并提出改进措施，以提升波纹管的运行质量。

1 变压器波纹管典型结构

变压器油路常用的波纹管有3种型式：内配合、外配合、封闭底。本次开裂的110 kV变压器油管波纹管型式为内配合式，其典型结构如图1所示，内径80 mm，波纹管长度132 mm，法兰盘外径180 mm。

图1 变压器波纹管典型结构

2 试验分析

本次开裂的波纹管如图2所示，共8个波峰。对拆卸后的波纹管进行检测，分为4个项目：外观检查、化学成分分析、显微组织分析及微区元素X射线能谱(EDS)分析。

图2 开裂的波纹管

2.1 外观检查

对波纹管进行外观检查，波纹管裂纹位于波纹管第5个波峰左侧，裂纹长度约为52 mm，宏观形貌如图3所示。

图3 波纹管裂纹外观形貌

裂纹上有2处明显锈斑，波纹管其他位置也有不同程度的锈迹。显微镜下观察到的波纹管其他位置表面腐蚀物如图4所示。

图4 显微镜下的波纹管其他位置表面腐蚀物

2.2 化学成分分析

对波纹管化学成分进行光谱材质分析，采用便携式荧光光谱仪，型号为Niton 3t 980，检测结果见表1。检测依据为GB/T 20878—2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》，表1结果显示，Cr含量偏低，不符合标准要求。

表1 波纹管化学成分光谱分析结果 %

2.3 金相组织分析

在波纹管开裂部分截取试样，试样经镶嵌、磨制、抛光后，在金相显微镜下观察，发现3处腐蚀坑，如图5所示。在图5中，1号腐蚀坑的深度和宽度均为波纹管壁厚的1/3左右，2号腐蚀坑的宽度为波纹管壁厚的1/4左右，3号腐蚀坑的宽度大致与波纹管壁厚相同。

图5 断口形貌

1号腐蚀坑的微观形貌如图6所示，2号腐蚀坑的微观形貌如图7所示，3号腐蚀坑的微观形貌如图8所示。

图6 1号腐蚀坑微观形貌

图8 3号腐蚀坑微观形貌

1号腐蚀坑与2号腐蚀坑中孪晶界存在条带状腐蚀产物。经分析得到产生原因如下：304不锈钢中存在孪晶组织，由于孪晶界面与孪晶内部耐腐蚀性能存在差异，在受到缓慢腐蚀后，形成了条带状的腐蚀产物，因此可以判定该波纹管断口处有腐蚀发生，并且腐蚀过程比较缓慢。

3号腐蚀坑中发现有泥状花样的腐蚀产物，泥状花样腐蚀产物是应力腐蚀开裂的典型特征。由此得到3号腐蚀坑处发生应力腐蚀开裂，最大腐蚀坑处为裂纹源。

2.4 微区元素EDS分析

对波纹管断口处多个部位进行微区元素EDS分析，检测结果见表2。由检测结果显示，除不锈钢本身元素及因氧化腐蚀产生的元素以外，还发现腐蚀产物中存在较高含量的Cl元素，断口处腐蚀坑中Cl元素质量分数为3.16%～3.88%，外表面腐蚀锈斑中Cl元素质量分数为5.82%～6.04%；Cl元素为不锈钢发生应力腐蚀的特定腐蚀介质。

2.5 试验结果

应力腐蚀开裂须具备敏感金属材料、承受一定拉伸应力和特定腐蚀介质这3个条件。本次开裂的波纹管材质为奥氏体不锈钢，其化学成分检测结果显示Cr元素含量偏低。Cr元素的作用是在钢表面生成一层保护性氧化膜，减缓腐蚀进度[3]，Cr元素含量偏低会增加局部腐蚀概率；氯离子能渗透奥氏体不锈钢表面的氧化膜，因此奥氏体不锈钢在含氯环境中具有较强的应力腐蚀倾向。

表2 微区元素EDS分析结果(质量分数) %

此外，显微组织分析结果显示断口处存在腐蚀坑及泥状花样腐蚀产物等应力腐蚀典型特征；在微区元素EDS分析结果显示腐蚀坑及外表锈斑腐蚀产物中存在3.16%～6.04%的氯元素，并且开裂位置在波纹管拉应力最为集中的波峰处。因此，该波纹管开裂的主要原因是奥氏体不锈钢在较高氯离子环境中发生了应力腐蚀开裂。

3 结语

对某110 kV变压器油管波纹管开裂问题进行了分析，得到提升波纹管运行稳定性需做好以下几方面工作。

(1) 针对不同地区、不同环境、不同运行工况等应差异化选材，尤其是在沿海重工业等氯含量较高的环境下应选择更高等级的不锈钢(如316不锈钢)，或在波纹管表面增加一层防腐涂层。

(2) 设备验货阶段加强波纹管材质检测，对不合格的产品及时退换。

(3) 在基建安装过程中，重视变压器基础沉降测量，加强波纹管安装精度管控，避免野蛮施工。

(4) 对已投运的油管波纹管应加强排查和运行巡视，建立设备台账，及时制定改造计划。