摘 要:某焊接鋁殼體側(cè)面拔孔法蘭在水壓試驗后發(fā)生嚴(yán)重的不規(guī)則變形,拔孔部位產(chǎn)生微裂 紋,采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、低倍檢驗、硬度測試、金相檢驗等方法分析了微裂 紋產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明:殼體拔孔時預(yù)熱溫度過高造成組織過燒;晶粒粗大和局部晶界復(fù)熔對材 料的抗拉強度、韌性均有較大影響。最后提出了殼體形變過燒的控制方法,以預(yù)防設(shè)備在運行時發(fā) 生漏氣事故。
關(guān)鍵詞:氣體絕緣全封閉組合電器;焊接鋁殼體;過燒;拔孔
中圖分類號:TG359;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)06-0051-04
氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)[1]在輸電網(wǎng) 中應(yīng)用廣泛,對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運行起 到了關(guān)鍵作用。與傳統(tǒng)敞開式電氣設(shè)備相比,其具 有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝快、環(huán)境適應(yīng)能力強、安全性高、維 護(hù)工作量少、檢驗周期長等優(yōu)點[2-4]。焊接殼體是 GIS的 主 要 零 部 件,殼 體 內(nèi) 充 有 壓 力 為 0.4~ 0.6MPa的SF6 氣體,年漏氣率小于1%。
根據(jù)殼體使用部位的不同,GIS可分為斷路器 殼體、隔離/接地殼體、母線殼體等,其常用材料主要 為變形鋁合金,主要由主筒體、支筒體和法蘭組成。 焊接鋁筒體的加工工藝過程為板材→卷筒→直縫焊 接→割孔→翻邊拔孔→坡口加工→焊接法蘭→焊接 支筒體→機械加工→水壓試驗→氣密試驗→表面處 理,焊接筒體加工過程如圖1所示。為避免發(fā)生拔 孔時筒體開裂現(xiàn)象,需對筒體進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱溫度約 為300℃,焊接完成后,焊接變形及殘余應(yīng)力等對產(chǎn) 品質(zhì)量有較大的影響,如焊接鋁筒體密封不良、焊縫 裂紋等造成GIS運行過程中出現(xiàn)質(zhì)量事故,將直接 影響電網(wǎng)的運行。某焊接鋁殼體在水壓試驗后,其 側(cè)面拔孔法蘭發(fā)生嚴(yán)重不規(guī)則變形,筆者采用一系 列理化檢驗方法分析了該法蘭異常變形的原因。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
拔孔法蘭宏觀形貌如圖2所示,從法蘭上取樣, 取樣位置如圖2所示,共取3處試樣,1# 位置與2#位置相互垂直,3# 位置為殼體正常部位。
1.2 化學(xué)成分分析
該殼體主筒體和支筒體材料均為5052-O 態(tài)鋁 合金,將主筒體局部開口并對其拔孔,主筒體與支筒體形成對接環(huán)焊縫。為驗證筒體各部分材料,尤其 微裂紋部位的材料是否滿足要求,采用直讀光譜儀 分別對有裂紋試樣(1# 試樣)和正常試樣(3# 試樣) 進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知: 其化學(xué)成分符合GB/T3190—2008《變形鋁及鋁合 金化學(xué)成分》對5052鋁合金的要求。
1.3 力學(xué)性能測試
容器受壓元件之間的焊接接頭分為 A、B、C、D 四類[5],焊接接頭分布如圖3所示,該殼體拔孔對接 環(huán)焊縫為B類焊縫,坡口形式為 Y 形坡口,焊接方 法為鎢極惰性氣體保護(hù)焊[6],焊縫結(jié)構(gòu)如圖4所示。
制備對接焊縫試樣,根據(jù) NB/T47014—2011 《承壓設(shè)備用焊接工藝評定》對焊接試樣進(jìn)行拉伸試 驗[7]、彎曲試驗[8-10],結(jié)果分別如表2,3所示。
由表2可知,同種材料(5052鋁合金)對接焊 時,其抗拉強度應(yīng)滿足 NB/T47014—2011的要求, 即其 抗 拉 強 度 不 低 于 母 材 抗 拉 強 度 的 最 小 值 170MPa;由表3可知,將彎曲試樣彎曲到規(guī)定的角度后,其拉伸面上焊縫和熱影響區(qū)的任何方向均沒 有單個長度大于3mm的開口裂紋。
1.4 低倍檢驗
將1# ,2# ,3# 試樣分別沿縱面剖開,磨拋試樣 后,用 15%(體積分?jǐn)?shù))的 NaOH 溶液浸泡試樣 2min,再將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如 圖5~7所示,其中1# 試樣存在黑色異常區(qū)域,經(jīng)確 認(rèn)黑色部位為過燒區(qū)域[11]。
1.5 硬度測試
對1#試樣進(jìn)行維氏硬度測試,按照GB/T43401.—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分:試驗方 法》進(jìn)行測試,結(jié)果如表4所示,可以看出黑色區(qū)域 硬度比基體硬度低。
1.6 金相檢驗
對1# ,2# ,3# 試樣分別進(jìn)行磨光、拋光,并用 體積分?jǐn)?shù)為0.5%的氫氟酸分別對試樣進(jìn)行腐 蝕,利用光學(xué)顯微鏡對試樣進(jìn)行金相檢驗[12],結(jié) 果如圖8所示。由圖8可知:1# 試樣裂紋深度約 為0.208mm,沿晶界分布;黑色區(qū)域組織晶界已 復(fù)熔、變寬,β相聚集長大且存在復(fù)熔球,屬于嚴(yán) 重過燒組織;α固溶體基體上分布著β等相,組織 正常。
2 綜合分析
該殼體化學(xué)成分符合 GB/T3190—2008標(biāo)準(zhǔn) 要求;對 試 樣 進(jìn) 行 拉 伸、彎 曲 試 驗 后,結(jié) 果 符 合 NB/T47014—2011標(biāo)準(zhǔn)要求,表明其焊接工藝正 常,不存在焊接強度不滿足要求導(dǎo)致的微裂紋。
進(jìn)一步對過燒區(qū)域進(jìn)行硬度測試、金相檢驗,發(fā) 現(xiàn)裂紋沿晶界分布,從黑色區(qū)可以看到晶界已復(fù)熔、 變寬,β等相聚集長大且存在復(fù)熔球,屬于嚴(yán)重過燒 組織;過燒位于拔口處,若拔口時的預(yù)熱溫度、加熱 槍距離不合適,則極易發(fā)生過燒現(xiàn)象。
3 結(jié)論與建議
殼體拔孔時溫度控制不當(dāng)造成過燒。由于嚴(yán)重 過燒后晶粒粗大,局部晶界復(fù)熔,對材料的抗拉強 度、疲勞強度、韌性都有較大影響,因此造成殼體水 壓試驗后側(cè)面拔孔法蘭發(fā)生嚴(yán)重的不規(guī)則變形,從 而產(chǎn)生微裂紋。
不當(dāng)?shù)陌慰坠に嚂箽んw產(chǎn)生形變過燒,進(jìn)而導(dǎo) 致殼體在承受內(nèi)壓試驗后,拔孔焊縫表面產(chǎn)生微裂紋。 殼體拔孔時必須先預(yù)開孔,預(yù)開孔一般為橢圓孔,預(yù)開 孔大小是翻孔成功的重要因素,直接影響翻孔質(zhì)量。 預(yù)開孔太小,預(yù)熱時間較長,易發(fā)生溫度過高現(xiàn)象,從 而導(dǎo)致過燒;預(yù)開孔太大則翻孔高度會減小。
建議預(yù)開孔時計算好橢圓尺寸,目前主要采用 CAD(計算機輔助診斷)軟件對拔孔進(jìn)行插補計算, 確定橢圓長軸和短軸,并最終確定橢圓尺寸。
預(yù)開孔后需對橢圓孔棱角進(jìn)行圓角處理,防止 橢圓孔 在 拉 拔 過 程 中 發(fā) 生 開 裂;對 橢 圓 孔 周 邊 200mm范圍內(nèi)進(jìn)行均勻加熱,將5052鋁合金板加 熱至300℃,并控制好加熱槍與板材的距離。
建議拔孔完成后對拔孔內(nèi)、外表面進(jìn)行滲透檢測,確認(rèn)拔孔時是否有裂紋,并沿拔孔圓周方向均勻 測量8個點,計算減薄量是否滿足要求,且成品殼體 經(jīng)水壓、氣密試驗后,利用斜探頭對環(huán)焊縫進(jìn)行超聲 檢測時,除確認(rèn)焊縫及焊接熱影響區(qū)缺陷外,應(yīng)再確 認(rèn)拔孔高度范圍內(nèi)是否存在裂紋。
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