110 kV變壓器油管波紋管裂紋成因分析

章學兵，廖 巍

( 1.國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799；2.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200437)

變電站作為電力系統的主要組成部分，其性能決定變電站運行的穩定性。變壓器的主要組成部件有油箱本體、儲油柜、散熱器、套管、分接開關及附屬裝置等；散熱器油管與變壓器本體油路之間采用波紋管連接，由于波紋管具有較好的柔性結構，管道簡單緊湊，可以避免由溫差導致的熱應力位移和地基不均勻沉降而產生的機械位移，同時起到消除機械振動和降低噪聲的作用[1]。但波紋管在實際安裝和運行過程中容易出現變形、振動和腐蝕問題，進而導致波紋管發生故障，引起變壓器停運檢修[2-3]。

本文對上海某110 kV變電站變壓器油管波紋管開裂問題進行分析，運用多種檢測手段，綜合分析其開裂成因，并提出改進措施，以提升波紋管的運行質量。

1 變壓器波紋管典型結構

變壓器油路常用的波紋管有3種型式：內配合、外配合、封閉底。本次開裂的110 kV變壓器油管波紋管型式為內配合式，其典型結構如圖1所示，內徑80 mm，波紋管長度132 mm，法蘭盤外徑180 mm。

圖1 變壓器波紋管典型結構

2 試驗分析

本次開裂的波紋管如圖2所示，共8個波峰。對拆卸后的波紋管進行檢測，分為4個項目：外觀檢查、化學成分分析、顯微組織分析及微區元素X射線能譜(EDS)分析。

圖2 開裂的波紋管

2.1 外觀檢查

對波紋管進行外觀檢查，波紋管裂紋位于波紋管第5個波峰左側，裂紋長度約為52 mm，宏觀形貌如圖3所示。

圖3 波紋管裂紋外觀形貌

裂紋上有2處明顯銹斑，波紋管其他位置也有不同程度的銹跡。顯微鏡下觀察到的波紋管其他位置表面腐蝕物如圖4所示。

圖4 顯微鏡下的波紋管其他位置表面腐蝕物

2.2 化學成分分析

對波紋管化學成分進行光譜材質分析，采用便攜式熒光光譜儀，型號為Niton 3t 980，檢測結果見表1。檢測依據為GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》，表1結果顯示，Cr含量偏低，不符合標準要求。

表1 波紋管化學成分光譜分析結果 %

2.3 金相組織分析

在波紋管開裂部分截取試樣，試樣經鑲嵌、磨制、拋光后，在金相顯微鏡下觀察，發現3處腐蝕坑，如圖5所示。在圖5中，1號腐蝕坑的深度和寬度均為波紋管壁厚的1/3左右，2號腐蝕坑的寬度為波紋管壁厚的1/4左右，3號腐蝕坑的寬度大致與波紋管壁厚相同。

圖5 斷口形貌

1號腐蝕坑的微觀形貌如圖6所示，2號腐蝕坑的微觀形貌如圖7所示，3號腐蝕坑的微觀形貌如圖8所示。

圖6 1號腐蝕坑微觀形貌

圖8 3號腐蝕坑微觀形貌

1號腐蝕坑與2號腐蝕坑中孿晶界存在條帶狀腐蝕產物。經分析得到產生原因如下：304不銹鋼中存在孿晶組織，由于孿晶界面與孿晶內部耐腐蝕性能存在差異，在受到緩慢腐蝕后，形成了條帶狀的腐蝕產物，因此可以判定該波紋管斷口處有腐蝕發生，并且腐蝕過程比較緩慢。

3號腐蝕坑中發現有泥狀花樣的腐蝕產物，泥狀花樣腐蝕產物是應力腐蝕開裂的典型特征。由此得到3號腐蝕坑處發生應力腐蝕開裂，最大腐蝕坑處為裂紋源。

2.4 微區元素EDS分析

對波紋管斷口處多個部位進行微區元素EDS分析，檢測結果見表2。由檢測結果顯示，除不銹鋼本身元素及因氧化腐蝕產生的元素以外，還發現腐蝕產物中存在較高含量的Cl元素，斷口處腐蝕坑中Cl元素質量分數為3.16%～3.88%，外表面腐蝕銹斑中Cl元素質量分數為5.82%～6.04%；Cl元素為不銹鋼發生應力腐蝕的特定腐蝕介質。

2.5 試驗結果

應力腐蝕開裂須具備敏感金屬材料、承受一定拉伸應力和特定腐蝕介質這3個條件。本次開裂的波紋管材質為奧氏體不銹鋼，其化學成分檢測結果顯示Cr元素含量偏低。Cr元素的作用是在鋼表面生成一層保護性氧化膜，減緩腐蝕進度[3]，Cr元素含量偏低會增加局部腐蝕概率；氯離子能滲透奧氏體不銹鋼表面的氧化膜，因此奧氏體不銹鋼在含氯環境中具有較強的應力腐蝕傾向。

表2 微區元素EDS分析結果(質量分數) %

此外，顯微組織分析結果顯示斷口處存在腐蝕坑及泥狀花樣腐蝕產物等應力腐蝕典型特征；在微區元素EDS分析結果顯示腐蝕坑及外表銹斑腐蝕產物中存在3.16%～6.04%的氯元素，并且開裂位置在波紋管拉應力最為集中的波峰處。因此，該波紋管開裂的主要原因是奧氏體不銹鋼在較高氯離子環境中發生了應力腐蝕開裂。

3 結語

對某110 kV變壓器油管波紋管開裂問題進行了分析，得到提升波紋管運行穩定性需做好以下幾方面工作。

(1) 針對不同地區、不同環境、不同運行工況等應差異化選材，尤其是在沿海重工業等氯含量較高的環境下應選擇更高等級的不銹鋼(如316不銹鋼)，或在波紋管表面增加一層防腐涂層。

(2) 設備驗貨階段加強波紋管材質檢測，對不合格的產品及時退換。

(3) 在基建安裝過程中，重視變壓器基礎沉降測量，加強波紋管安裝精度管控，避免野蠻施工。

(4) 對已投運的油管波紋管應加強排查和運行巡視，建立設備臺賬，及時制定改造計劃。