(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014)

運(yùn)維人員在某特高壓變電站進(jìn)行例行巡查時(shí)，發(fā)現(xiàn)一臺(tái)高端△接換流變壓器附屬的冷卻器存在漏油情況。油滴沿散熱器近換流變壓器本體一側(cè)滴落，漏油速率約為4滴/min，故障現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。漏油情況發(fā)生時(shí)，該臺(tái)換流變壓器已因其他原因退至備用位置。退至備用位置過程中無(wú)明顯異常，各項(xiàng)試驗(yàn)均合格。

根據(jù)相關(guān)資料，換流變壓器為德國(guó)西門子公司生產(chǎn)，型號(hào)為EFPH8675，冷卻方式為ODAF(強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷)，投運(yùn)時(shí)間為2014年7月。換流變壓器附屬冷卻器為西電變壓器配套設(shè)備有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為YFD-494，生產(chǎn)時(shí)間為2014年3月。冷卻器分為4組，每組由4個(gè)風(fēng)扇，1個(gè)潛油泵以及1個(gè)油流指示器組成。該冷卻器由內(nèi)往外共安裝有10層冷卻油管，每層44根，共計(jì)440根。導(dǎo)油鋁管材質(zhì)為3003鋁合金，是目前使用比較廣泛的鋁錳系防銹鋁合金。

圖1 換流變壓器冷卻器漏油故障現(xiàn)場(chǎng)Fig. 1 Schematic diagram of oil leakage of the converter transfomer

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀形貌

為查明準(zhǔn)確的漏油位置，對(duì)冷卻器進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)。將冷卻器充氣至0.5 MPa后，保持30 min，置于水池中觀察其漏氣情況。從氣泡的情況來看，漏油冷卻器的四組單元均存在多處滲漏點(diǎn)，其中4號(hào)單元最為嚴(yán)重。因此，單獨(dú)對(duì)4號(hào)單元進(jìn)行了解體檢查。從外觀上看，除少數(shù)散熱鰭片存在一定程度的翻折外，大部分散熱片、導(dǎo)油管以及油箱等部件的情況都良好。將冒泡情況較為明顯的一處導(dǎo)油管切割后取出，其宏觀形貌如圖2所示。由圖2可見：鋁管的內(nèi)徑約為16 mm，壁厚約為1 mm，鋁管外表面并無(wú)明顯異常，只是由于表面形成了氧化膜使得整體的金屬光澤減弱。將鋁管剖開后置于立體顯微鏡下對(duì)其內(nèi)表面進(jìn)行觀察，見圖3。由圖3可見：鋁管內(nèi)表面存在孔洞狀滲漏點(diǎn)，直徑為0～0.5 mm。在滲漏點(diǎn)周圍均分布有直徑為1～3 mm的近圓形壁厚減薄區(qū)。該區(qū)域表面較粗糙，顆粒感嚴(yán)重，且金屬光澤較弱。更重要的是，在近圓形壁厚減薄區(qū)域和滲漏點(diǎn)的表面均可以觀察到明顯的棕黃色痕跡。

圖2 導(dǎo)油鋁管的宏觀形貌Fig. 2 Macro morphology of the aluminum alloy oil pipe

圖3 導(dǎo)油鋁管內(nèi)表面的滲漏點(diǎn)Fig. 3 Leakage points on the inner surface of the aluminum alloy oil pipe

1.2 化學(xué)成分

采用Thermo Fisher Scientific ARL 4460 OES型直讀光譜儀分析導(dǎo)油鋁管的化學(xué)成分，結(jié)果見表1，對(duì)比國(guó)標(biāo)GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》中對(duì)3003鋁合金的成分要求可知，導(dǎo)油鋁管的Cu含量低于國(guó)標(biāo)要求，故可以判定導(dǎo)油鋁管的材質(zhì)不合格。

表1 鋁管的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of the aluminum alloy pipe %

1.3 金相組織

將導(dǎo)油鋁管無(wú)缺陷的部分切割鑲樣，打磨拋光，經(jīng)HF溶液腐蝕后，采用ZEISS Axiovert 200型光學(xué)顯微鏡對(duì)其金相組織進(jìn)行觀察。由圖4可見：鋁管的金相組織為典型的鍛造組織，晶粒細(xì)小，組織未見明顯異常。

圖4 導(dǎo)油鋁管的金相組織Fig. 4 Microstructure of the aluminum alloy oil pipe

1.4 SEM及EDS分析

滲漏點(diǎn)區(qū)域的導(dǎo)油鋁管經(jīng)超聲清洗后，置于掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察滲漏點(diǎn)附近的表面微觀形貌，如圖5所示。由圖5可見：不同滲漏點(diǎn)的表面或內(nèi)部均分布有大量導(dǎo)電性較差的顆粒狀?yuàn)A雜物(圖中呈白色的物質(zhì))。部分滲漏點(diǎn)剛剛萌生裂紋，整體呈現(xiàn)龜裂狀。另有一些滲漏點(diǎn)已形成了面積較大的孔洞，并且孔洞的四周存在一個(gè)環(huán)形的凹坑。采用能譜分析技術(shù)(EDS)對(duì)滲漏點(diǎn)部分進(jìn)行了成分分析，分析位置及分析結(jié)果見圖6～7及表2～3。結(jié)果顯示，在導(dǎo)油鋁管不同的兩個(gè)滲漏孔洞位置均檢測(cè)出了腐蝕性很強(qiáng)的S元素及Cl元素。除了基體3003鋁合金所包含的Al、Mn、Fe元素之外，O元素的含量也比較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.39%～37.75%，這應(yīng)該與孔洞內(nèi)因腐蝕而形成的大量腐蝕產(chǎn)物有關(guān)。

(a) 龜裂

(b) 孔洞

(c) 環(huán)形凹坑

(a) EDS區(qū)域

(b) 能譜分析結(jié)果圖6 滲漏點(diǎn)1的EDS分析區(qū)域及分析結(jié)果Fig. 6 EDS analysis area (a) and analysis result (b) of leakage point 1

%

(a) EDS分析區(qū)域

(b) EDS分析結(jié)果圖7 滲漏點(diǎn)2的EDS分析區(qū)域及分析結(jié)果Fig. 7 EDS analysis area (a) and analysis results (b) of leakage point 2

1.5 油品分析

對(duì)這臺(tái)換流變壓器內(nèi)的油品取樣，重點(diǎn)分析了油品的總硫含量以及含水量，結(jié)果見表4。結(jié)果顯示，換流變壓器油品中總硫含量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但油中含水量為23.0 mg/L，大幅超過15.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)值，含水量超標(biāo)。

表4 油中的總硫含量以及含水量Tab. 4 Total sulfur content and moisture content of oil

2 討論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，換流變壓器附屬冷卻器的導(dǎo)油鋁管存在較多滲漏點(diǎn)。大多滲漏點(diǎn)的周圍存在一個(gè)近圓形的壁厚減薄區(qū)，且在滲漏點(diǎn)的內(nèi)部以及壁厚減薄區(qū)的表面均能發(fā)現(xiàn)棕黃色的腐蝕痕跡。SEM結(jié)果表明，在滲漏點(diǎn)附近有大量顆粒狀腐蝕產(chǎn)物和龜裂狀裂紋。能譜分析結(jié)果表明，這些非金屬腐蝕產(chǎn)物中含有較多Cl元素和S元素。綜合來看，可以確定此次換流變壓器附屬冷卻器漏油是由于內(nèi)部導(dǎo)油鋁管在Cl元素和S元素聯(lián)合作用下逐漸被腐蝕減薄，直至在壁厚方向上貫穿鋁管而引起的。

導(dǎo)油鋁管材質(zhì)為3003鋁合金，是目前應(yīng)用最廣的一種Al-Mn系防銹鋁合金，在大氣、海水、稀酸、汽油等環(huán)境中均具備較好的耐蝕性，常用于液體壓力容器或管道的制備[1]。但是，防銹鋁也會(huì)發(fā)生腐蝕，特別是在Cl、S兩種元素聯(lián)合作用時(shí)，防銹鋁與不銹鋼一樣也常常發(fā)生腐蝕，這已經(jīng)成為材料防腐蝕領(lǐng)域的一個(gè)難題。陳朝軼等[2]報(bào)道了在風(fēng)電機(jī)組散熱器中應(yīng)用的3003鋁合金經(jīng)常發(fā)生腐蝕而導(dǎo)致散熱器過早失效，其腐蝕機(jī)理與本次事故的非常相似。

從滲漏點(diǎn)的SEM微觀形貌來看，鋁管的腐蝕是從點(diǎn)蝕開始，逐漸發(fā)展成裂紋，直至形成腐蝕坑(如圖5所示)。在腐蝕的初始階段，Cl-會(huì)在鋁管表面致密氧化膜Al2O3的不均勻處替代氧離子，發(fā)生吸附。在Cl-的作用下，鋁合金表面原本具有較強(qiáng)保護(hù)作用的氧化膜慢慢被破壞，使得內(nèi)部的金屬鋁基體暴露在腐蝕環(huán)境中，從而在此處形成了點(diǎn)蝕[3]。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，在Cl-及以S元素為代表的硫酸根離子的協(xié)同作用下，點(diǎn)蝕逐漸向周圍發(fā)展成面積較大的腐蝕斑。由于腐蝕產(chǎn)物的體積和密度與基體金屬的不同，在擠壓應(yīng)力的作用下，腐蝕斑表面會(huì)膨脹開裂呈現(xiàn)“龜裂土地狀”。張奇峰等[4]通過X光電子能譜對(duì)防銹鋁的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示其主要物相為Al2O3和Al(OH)3，這與上述EDS分析結(jié)果相符。由于部分腐蝕產(chǎn)物具備較強(qiáng)的水溶性，例如AlCl3以及Al2(SO4)3，因而它們沒有殘留在腐蝕部位，更難以被檢測(cè)出。隨著腐蝕產(chǎn)物的溶解及膨脹開裂，鋁管壁厚在腐蝕過程中會(huì)逐漸減薄，最終形成圖3中的壁厚減薄區(qū)。當(dāng)以點(diǎn)蝕為中心的腐蝕斑相互連通，并具備一定的腐蝕深度后就形成了一個(gè)腐蝕坑。腐蝕元素向腐蝕坑內(nèi)擴(kuò)散使得其濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于腐蝕坑外的。當(dāng)腐蝕深度不斷增加，腐蝕坑最終在壁厚方向上貫穿了整根鋁管，導(dǎo)致油品滲漏。上述腐蝕過程中可以用以下化學(xué)反應(yīng)式表示：

(1)

(2)

(3)

值得注意的是，該臺(tái)發(fā)生漏油的換流變壓器由于其他原因已經(jīng)事先退至備用狀態(tài)，即發(fā)生漏油事故時(shí)，設(shè)備并未運(yùn)行。據(jù)了解，設(shè)備退至備用狀態(tài)過程中，對(duì)其進(jìn)行了放油注油操作。放油注油過程中，若油壓或真空度發(fā)生異常，就易于將自然界中的水汽帶入設(shè)備中，導(dǎo)致油品中含水量超標(biāo)。加之該特高壓換流站地處酸雨頻發(fā)地區(qū)，Cl、S腐蝕元素可能會(huì)隨著水氣一同進(jìn)入設(shè)備。設(shè)備停運(yùn)時(shí)，冷卻器中的油品處于停滯狀態(tài)，并不流動(dòng)。這剛好為Cl、S腐蝕元素的擴(kuò)散和聚集創(chuàng)造了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的外部條件，從而使得這些腐蝕元素能夠在同一個(gè)部位長(zhǎng)期腐蝕，最終在厚度方向上貫穿整個(gè)導(dǎo)油鋁管，形成滲漏點(diǎn)。若油品流動(dòng)，Cl、S腐蝕元素也必須跟著一起流動(dòng)，無(wú)法擴(kuò)散聚集形成高濃度的腐蝕環(huán)境，也無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間對(duì)同一部位形成腐蝕，從而避免了導(dǎo)油鋁管被腐蝕穿孔。

3 結(jié)論

該臺(tái)特高壓高端△接換流變壓器附屬冷卻器漏油是由于冷卻器內(nèi)部3003鋁合金導(dǎo)油管在Cl、S腐蝕元素的聯(lián)合作用下被腐蝕減薄，直至在壁厚方向上貫穿整根鋁管而引起的。