换流站冷却水管泄漏分析

叶建锋1，田 泽1，张 莹1，姚其新2，熊 宇3

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050；3.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077）

[摘 要] 针对某500 kV换流站换流阀冷却水管发生泄漏问题，通过垢样分析、化学成分分析、射线检测、渗透检测、金相分析等手段进行分析和检测，结果表明：泄漏是由于冷却水管存在铸造缺陷，在生产后的存放、运输等过程中，腐蚀性离子因为毛细现象在缺陷内聚集，并对缺陷处的材料产生腐蚀，从而导致穿孔泄漏。

[关键词] 换流站；铸造缺陷；毛细现象；腐蚀

1 概况

某500 kV换流站换流阀冷却水管在运行过程中发生泄漏，如图1所示，冷却水管由塑料管和不锈钢弯头组成，泄漏部位为不锈钢弯头。

图1 泄漏位置
Fig.1 Location of leak

冷却水管为换流阀冷却系统[1]的一部分，根据设计图纸的说明，冷却水管不锈钢弯头的材质为316L，规格为Φ65 mm×5 mm。

为分析冷却水管弯头的泄露原因，本文通过对冷却水管弯头进行材质化学成分分析、金相组织检验、规格尺寸测量、内部缺陷检测以及冷却水管弯头垢样分析等实验，分别从冷却水管弯头的制造质量和运行环境两方面进行分析。

2 试验与分析

2.1 垢样分析

冷却水管弯头与塑料管连接部位存在少量结垢，如图2所示，对图中的两种垢样（样品1和样品2）进行取样并在扫描电镜下进行分析。

分析结果显示，样品1由铝、铬、铁的氧化产物组成，样品2则单纯为铝的氧化产物，如图3、4所示。由于冷却水会经过换流阀电阻冷却面板，且该冷却面板的材质为铝，由此可以判断铝的氧化产物来源于换流阀电阻冷却面板同时冷却水中存在氧腐蚀环境。

图2 垢样取样部位
Fig.2 Location of scale

图3 样品1分析结果
Fig.3 Results of sample one

图4 样品2分析结果
Fig.4 Results of sample two

2.2 化学成分分析

对不锈钢弯头进行化学成分分析，结果如表1所示。

从化学成分分析结果可见，其成分不符合316L的要求，但符合CF3M的要求。CF3M是标准 ASTM SA351《承压元件用奥氏体、奥氏体-铁素体（双相）铸件》[2]中规定的铸造用不锈钢，316L则为标准ASTM SA273《不锈钢棒材和型材》[3]中规定的锻造用不锈钢，两种材质的化学成分较为接近，而发生泄漏的不锈钢弯头为铸造件，因此设计图纸中规定使用316L应为笔误。

此外，对比垢样分析中样品1的成分和表1的成分可以判断，样品1主要为不锈钢弯头的氧化物。

表1 化学成分分析结果
Tab.1 Results of chemical composition analysis

元素弯头实测值316L的标准值CF3M的标准值C P S N 0.028≤0.030≤0.030 Mn 0.76≤2.00≤1.50 0.029≤0.045≤0.040 0.001≤0.030≤0.040 Si 1.21≤1.00≤1.50 Cr 17.7 16.00～18.00 17.00～21.00 Ni 9.91 10.00～14.00 9.00～13.00 Mo 2.03 2.00～3.00 2.00～3.00 0.051≤0.10/

2.3 截面分析及渗透检测

将不锈钢弯头沿横向切割后发现，弯头的管壁厚度不均匀，发生泄漏的部位壁厚最薄，壁厚仅为2.66 mm，如图5所示。

进一步检查发现泄漏点部位存在凹坑，而凹坑对应的内壁无肉眼可见孔洞，通过渗透检测发现了内壁孔洞所在的位置，如图6所示。

图5弯头横截面
Fig.5 Cross section of elbow

图6 内外壁泄漏点
Fig.6 Location of leak on internal and external walls of elbow

测量图6中内、外壁泄漏点与试样上边界的距离发现，内、外壁泄漏点与试样上边界的距离分别为4 mm和8 mm，这表明泄漏通道并非垂直于管壁，而与管壁成约57°夹角。

2.4 射线检测

对图6中的试样进行X射线检测，发现泄漏点附近存在一条线性有分支的缺陷，而内、外壁泄漏点所形成的通道仅为该缺陷的一部分，如图7所示。缺陷从外壁泄漏点一直延伸到试样上方的横截面处。

图7 射线检测结果
Fig.7 Results of RT

2.5 金相分析

对图7中试样上方横截面进行金相分析，发现有缺陷延伸至上方横截面的痕迹，如图8所示。弯头的金相组织为奥氏体加铁素体，缺陷的边界圆滑。

图8 金相分析结果
Fig.8 Results of metallographic analysis

2.6 应力计算

取管件最薄处为管件的有效壁厚，即2.66 mm，管件外径为65 mm，内压力为0.7 MPa，根据下式计算[4]

式中：σ为管材的应力；δ为有效壁厚，2.66 mm；p为介质压力，0.7 MPa；Dw为管件的外径，65 mm；φh为焊缝减弱系数（无缝钢管，取1）。

计算得到管材的应力为8.2 MPa。

3 综合分析

从化学成分分析可见，管件的材质不符合图纸要求的316L，但符合标准ASTM SA351《承压元件用奥氏体、奥氏体-铁素体（双相）铸件》对CF3M的要求，CF3M是常用的铸造奥氏体不锈钢，耐腐蚀能力与316L相当，且Si含量较316L高，铸造时流动性较316L好，因此可以判断该管件的化学成分满足要求。从应力计算来看，管材的应力为8.2 MPa，而CF3M的最小屈服强度为205 MPa，可见管件的运行应力远小于其屈服强度，另外从泄漏点的形状可见，泄漏点附近未出现裂纹，因此可以判断管件的泄漏并非应力导致。

管件内垢样的分析结果显示其成分主要为氧化物，即该管件存在氧腐蚀条件，但腐蚀部位在管接口处，管件内壁的其余部位均未见腐蚀产物，因此可以排除泄漏点从内壁开始腐蚀的可能性。

从射线检测结果发现，该管件泄漏点位于管壁最薄的位置，且泄漏点存在分支，从腐蚀孔的扩展原理来看，这些分支并非腐蚀产生，而是在生产过程中产生，在出厂前即存在缺陷，在存储和运输过程中，环境中的腐蚀性离子由于毛细现象在缺陷内聚集，并对缺陷处的金属产生腐蚀，最终从缺陷的其中一个分支中腐蚀至内壁导致穿孔。另外，从缺陷所处的部位和形状可以推断该缺陷为冷隔[5]。当管件的壁厚不均匀时，在壁厚薄的位置液态金属流动性较差，较容易出现冷隔等缺陷。

4 结论与建议

由于铸造时内砂型和外砂型的中心面存在较大的偏差，因此时不锈钢弯头成型后出现壁厚不均的情况，在壁厚较薄的位置，液体金属流动性较差，生产了铸造缺陷，在生产后的存储、运输等过程中，腐蚀性离子由于毛细现象在缺陷内聚集，并对缺陷进行腐蚀导致穿孔泄漏。

由于壁厚不均是导致缺陷产生的重要原因，故建议在换流站年度检修时对换流阀冷却水管弯头的壁厚进行普查，并对弯头外表面的孔洞类缺陷进行检查。

[参考文献] （References）

[1] 姚其新,张贵德,马宜莲.龙泉换流站阀水冷却系统泄漏保护动作分析及建议[J].

湖北电力,2008(2)：55-57.YAO Qixin,ZHANG Guide,MA Yilian.Analysis and suggestion on leakage protection action of valve cooling system in Longquan converter station[J].Hubei Electric Power,2008(2)：55-57.

[2] ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会.ASTM SA351承压元件用奥氏体、奥氏体-铁素体（双相）铸件[S].北京：中国石化出版社,2007.Material Sub Committee of ASME Boiler and Pressure Vessel Committee.ASTM SA351 Specification forCastings,Austenitic,Austenitic-Ferritic (duplex),for Pressure-Containing Parts[S].Beijing：Sinopec Press,2007.

[3] ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会.ASTM SA273不锈钢棒材和型材[S].北京：中国石化出版社,2007.Material Sub Committee of ASME Boiler and Pressure VesselCommittee.ASTM SA273 Stainless Steel Bars and Shapes[S].Beijing：Sinopec Press,2007.

[4] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB/T 16507.4-2013水管锅炉 第4部分：受压元件强度计算[S].北京：中国标准出版社,2014.National Technical Committee for Standardization of Boiler Pressure Vessels.GB/T 16507.4-2013 Water-TubeBoilers-Part4：Strength Calculation of Pressure Parts[S]. Beijing：China Standard Press,2014.

[5] 王荣,王维昌.铸件浇不足和冷隔缺陷的成因及防止措施[J].金属加工,2008(17)：60-62.WANG Rong,WANG Weichang.Causes and prevention measures of casting defects and cold separation defects[J]. Metal Forming, 2008(17)：60-62.

Leak Analysis of Cooling Pipe in Converter Station

YE Jianfeng1,TIAN Ze1,ZHANGYing1,YAO Qixin2,XIONG Yu3
(1.State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China;2.State Grid Hubei Corporation Maintenance Company,Wuhan Hubei 430050,China;3.Hubei Fangyuan Dongli Electric Power Science&Research Limited Company,Wuhan Hubei 430077,China)

[Abstract] In view of the cooling water pipe leakage in converter valve of a 500 kV converter station,the problem is analyzed and detected by means of scale sample analysis,chemical composition analysis,RT,PT,metallographic analysis.the results show that the leakage is due to the casting defects in the cooling pipe,then corrosive ions gather in the casting defects during storage after production,transportation process.As the material near the defects is corroded,leakage happens.

[Key words] converter station;casting defects;capillary phenonmenon;corrosion

[中图分类号] TG146.21

[文献标志码]B

[文章编号]1006-3986(2017)03-0032-03

DOI：10.19308/j.hep.2017.03.007

[收稿日期] 2017-02-15

[作者简介] 叶建锋（1982），男，广东东莞人，硕士，工程师。