某110 kV变电站避雷针法兰开裂失效分析*

石华洲,武 鑫,周云飞,晏得才

(甘肃电力科学研究院技术中心有限公司,甘肃 兰州 730000)

0 引 言

变电站的避雷针是防止变电站架构以及其他设备遭受雷击侵害的重要装置。由于雷击的危害极大,所以必须保证110 kV变电站的避雷针能正常工作。

避雷针在平均风荷载、脉动风荷载的共同作用下,长期处于摆动状态。由于结构钢度的影响,其下部法兰处受到的交变弯曲应力作用最为明显。某变电站停电检修时发现110 kV设备区避雷针自下向上18 m处法兰处明显开裂,严重威胁变电站的运行安全。针对上述情况,笔者对避雷针法兰处开展了解体失效分析试验,并制定了相应的预防措施,以确保构架避雷针安全可靠运行。

1 检验检测

1.1 宏观检查

如图1所示,开裂部位处于避雷针构件钢管与法兰组加强筋板焊缝#1、#9、#10顶部焊缝,呈横向裂纹,裂纹分别由加强筋板焊缝顶部熔合线由端部向两侧扩展。

图1 金相检验取样位置示意图

1.2 取样编号

加强筋板角焊缝宏观形貌如图2所示。

图2 加强筋板角焊缝宏观形貌

1、4、5、6、9、10加强筋板角焊缝顶端发现有横向裂纹,其中#1、#9及#10角焊缝的缺陷尤为明显,线性缺陷走向经过加强筋板角焊缝上端熔合线向法兰盘方向发展,使镀锌层与避雷针主体呈剥离趋势。

1.3 结构尺寸测量

为确认该避雷针法兰结构尺寸是否符合标准要求,对该避雷针法兰盘进行结构尺寸测量:钢管柱尺寸Φ196.07 mm×6.25 mm,法兰盘尺寸Φ511.20 mm×19.86 mm,法兰盘加强筋板焊角尺寸9.5 mm×8.5 mm×6 mm,因此符合设计标准要求。

1.4 磁粉检测

检测部位(区段)及缺陷位置示意图如图3所示。对10条避雷针钢管与法兰加强筋板连接焊缝做磁粉检测发现: #1加强筋板焊缝顶部有10 mm长磁痕显示;#9加强筋板焊缝顶部有5 mm长磁痕显示;#10加强劲板顶部焊缝有9 mm长磁痕显示;其余7组加强筋板焊缝未发现超标磁痕显示。磁粉检测结果如表1所列,检测结果显示#1、#9、#10加强筋板加强焊缝不合格。

表1 磁粉检测结果评定表

图3 检测部位(区段)及缺陷位置示意图

1.5 化学成分分析

对#1、#9、#10加强筋板对应的钢管部位截取样品,进行化学成分分析试验。从化学成份分析结果看,3个样品所含元素及含量与标称牌号Q235相符,C、Mn、Si等主要元素含量均符合GB/T 700-2006《碳素结构钢》标准要求[1],样品化学成分分析结果如表2所列。

表2 样品化学成分分析结果

1.6 力学性能分析

对#1、#9、#10加强筋板对应的钢管部位截取样品,加工成标准试样,进行力学性能试验。从试验结果看,所有3个完好样品的常温力学性能均各自符合GB/T 700-2006《碳素结构钢》、GB/T 232-2008《低合金高强度钢》标准要求,试验结果合格[2]。Q235钢试样力学性能试验结果如表3所列。

表3 Q235钢试样力学性能试验结果

1.7 金相检验

截取#10加强筋板角焊缝进行金相检验试验,将截取的试块切割成一大一小两个试样,并分别对大小试样进行金相检验。结果发现:大试样环向存在覆盖现象,其沿环向的长度为0.94 mm;镀锌层与管壁侧剥离,沿轴向的长度为1.16 mm;焊缝旁咬边深度为0.42 mm,在咬边旁未发现新生裂纹。大试样形貌如图4、5所示。小试样焊缝旁亦存在咬边现象,其咬边深度为0.70 mm,宽度0.57 mm,咬边旁未发现新生裂纹,小试样如图6所示。

图4 大试样环向形貌(25×) 图5 大试样轴向形貌(25×)

图6 小试样环向形貌(25×)

焊缝组织晶粒粗大,且有过热倾向,基本组织为铁素体加珠光体,铁素体呈网状,铁素体针由晶界向晶内生长,网状分布的铁素体会对钢材的强度和韧性构成一定影响,存在魏氏组织倾向。母材组织为铁素体加珠光体,有少量的夹杂物。试样金相组织检查结果如图7、8所示。

图7 大试样环向焊缝及熔合线(200×) 图8 大试样环向母材(200×)

2 综合分析

通过以上分析可知,1、9、10号加强筋板角焊缝处存在未溶透、覆盖及咬边等焊接缺陷,在熔合线区域形成不连续区域,导致严重的应力集中现象;宏观裂纹在交变弯曲应力的作用下由镀锌层与基体结合部位不连续区域萌生并持续向镀锌层外壁扩展,形成镀锌层开裂[3]。避雷针法兰焊接部位镀锌层开裂,焊接缺陷处的水容易渗入且不易排出,使焊接部位长时间处于潮湿环境,诱发避雷针内壁基材高速腐蚀,塔材长期低温冷脆现象及风摆导致结构的疲劳寿命明显下降,焊缝疲劳裂纹萌生。受到自身的结构特点、交变风载荷以及温度变化等多种因素的影响的原因,变电站避雷针法兰接点薄弱部位极易出现疲劳断裂。

此次事件中,避雷针采用柔性法兰连接,法兰所用材料的化学成分和力学性能均符合技术要求。管材与法兰板的焊接处为薄弱部位,法兰坡口焊处的主材受焊接影响,导致其较大的残余应力集中倾向性增加,其断口上的解理断裂特征表明,条纹与裂纹扩展方向一致,具有疲劳裂纹特征,而应力的存在是促使裂纹开裂形成的必要条件之一[4]。

避雷针主材为Q235B级钢,此材质在低温、大风情况下,易发生低温冷脆现象。而风摆易造成材料疲劳,长期积累后,在瞬时强风作用下,各段连接处易产生风致振动累积损伤,两种风振动产生的交变应力都会造成焊接缺陷,从而使连接处焊缝周边疲劳开裂,由于设计的构架避雷针柔性法兰结构应力不足,在长时间交变风载荷作用下在薄弱位置易发生生开裂或断裂[5]。

3 措施和建议

(1) 加强运维管理,结合实际发现问题并及时整改,消除质量隐患。

(2) 从设计、结构、材质、螺栓、紧固件等方面规范设计,采取加固措施并改进设计方案,使设计符合国家钢结构设计规范和铁塔设计规程。

(3) 综合考虑站址环境,优化结构,优化可行性,安全性,提高避雷针抗风、抗震、抗自然灾害能力;对于强风、多地震,多雨雪出恶劣环境地区应采取差异化设计;避雷针应采取增加强筋板、支撑筋板数量及支撑筋板宽度等加固措施。

(4) 规范施工、安装,及时开展到货抽检和专项检测,加强镀锌层质量监督,几何尺寸检测,重量检测,焊缝质量检测等,确保符合标准要求。

(5) 利用仿真模拟技术进行仿真分析,研究避雷针柔性法兰在长时间交变风载荷作用下的受力特性,分析发生开裂的原因;分析其在风载和自重的作用下,是否满足强度要求,是否采取加固措施和改进设计方案,以确保构架避雷针安全可靠运行。

4 结 语

文章研究分析了避雷针法兰开裂失效的原因及后果,并提出相应的措施和建议。通过避雷针在恶劣环境下法兰开裂失效原因的全方位的分析和评估,在材料、制造工艺、设计及安装等方面采取了一系列改进措施。通过加强材料的质量控制和工艺的规范化,优化避雷针法兰设计,完善安装过程的管理等措施,降低其失效率,从而更好地保障电力设备的稳定运行。

变电站避雷针法兰开裂失效分析产生的意义或价值如下:①进一步提高电力系统的安全性;②促进电力科研和技术水平的提升;③提高了避雷针法兰制造和检测的要求;④降低了电网安全风险;⑤为避雷针生产和质量管理提供技术依据;⑥推动了电力系统的健康发展;⑦对环境保护和可持续发展有积极的贡献;⑧为行业内其他相关领域的研究提供思路和方向。