摘 要:某焊接鋁殼體側面拔孔法蘭在水壓試驗后發生嚴重的不規則變形,拔孔部位產生微裂 紋,采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、低倍檢驗、硬度測試、金相檢驗等方法分析了微裂 紋產生的原因。結果表明:殼體拔孔時預熱溫度過高造成組織過燒;晶粒粗大和局部晶界復熔對材 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,以預防設備在運行時發 生漏氣事故。
關鍵詞: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 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)06-0051-04
氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)[1]在輸電網 中應用廣泛,對電力系統的安全穩定和經濟運行起 到了關鍵作用。與傳統敞開式電氣設備相比,其具 有結構緊湊、安裝快、環境適應能力強、安全性高、維 護工作量少、檢驗周期長等優點[2-4]。焊接殼體是 GIS的 主 要 零 部 件,殼 體 內 充 有 壓 力 為 0.4~ 0.6MPa的SF6 氣體,年漏氣率小于1%。
根據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。為避免發生拔 孔時筒體開裂現象,需對筒體進行預熱,預熱溫度約 為300℃,焊接完成后,焊接變形及殘余應力等對產 品質量有較大的影響,如焊接鋁筒體密封不良、焊縫 裂紋等造成GIS運行過程中出現質量事故,將直接 影響電網的運行。某焊接鋁殼體在水壓試驗后,其 側面拔孔法蘭發生嚴重不規則變形,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 化學成分分析
該殼體主筒體和支筒體材料均為5052-O 態鋁 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) 進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知: 其化學成分符合GB/T3190—2008《變形鋁及鋁合 金化學成分》對5052鋁合金的要求。
1.3 力學性能測試
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焊[6],焊縫結構如圖4所示。
制備對接焊縫試樣,根據 NB/T47014—2011 《承壓設備用焊接工藝評定》對焊接試樣進行拉伸試 驗[7]、彎曲試驗[8-10],結果分別如表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定的角度后,其拉伸面上焊縫和熱影響區的任何方向均沒 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%(體積分數)的 NaOH 溶液浸泡試樣 2min,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如 圖5~7所示,其中1# 試樣存在黑色異常區域,經確 認黑色部位為過燒區域[11]。
1.5 硬度測試
對1#試樣進行維氏硬度測試,按照GB/T43401.—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分:試驗方 法》進行測試,結果如表4所示,可以看出黑色區域 硬度比基體硬度低。
1.6 金相檢驗
對1# ,2# ,3# 試樣分別進行磨光、拋光,并用 體積分數為0.5%的氫氟酸分別對試樣進行腐 蝕,利用光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗[12],結 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;黑色區域組織晶界已 復熔、變寬,β相聚集長大且存在復熔球,屬于嚴 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
該殼體化學成分符合 GB/T3190—2008標準 要求;對 試 樣 進 行 拉 伸、彎 曲 試 驗 后,結 果 符 合 NB/T47014—2011標準要求,表明其焊接工藝正 常,不存在焊接強度不滿足要求導致的微裂紋。
進一步對過燒區域進行硬度測試、金相檢驗,發 現裂紋沿晶界分布,從黑色區可以看到晶界已復熔、 變寬,β等相聚集長大且存在復熔球,屬于嚴重過燒 組織;過燒位于拔口處,若拔口時的預熱溫度、加熱 槍距離不合適,則極易發生過燒現象。
3 結論與建議
殼體拔孔時溫度控制不當造成過燒。由于嚴重 過燒后晶粒粗大,局部晶界復熔,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 壓試驗后側面拔孔法蘭發生嚴重的不規則變形,從 而產生微裂紋。
不當的拔孔工藝會使殼體產生形變過燒,進而導 致殼體在承受內壓試驗后,拔孔焊縫表面產生微裂紋。 殼體拔孔時必須先預開孔,預開孔一般為橢圓孔,預開 孔大小是翻孔成功的重要因素,直接影響翻孔質量。 預開孔太小,預熱時間較長,易發生溫度過高現象,從 而導致過燒;預開孔太大則翻孔高度會減小。
建議預開孔時計算好橢圓尺寸,目前主要采用 CAD(計算機輔助診斷)軟件對拔孔進行插補計算, 確定橢圓長軸和短軸,并最終確定橢圓尺寸。
預開孔后需對橢圓孔棱角進行圓角處理,防止 橢圓孔 在 拉 拔 過 程 中 發 生 開 裂;對 橢 圓 孔 周 邊 200mm范圍內進行均勻加熱,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、外表面進行滲透檢測,確認拔孔時是否有裂紋,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 經水壓、氣密試驗后,利用斜探頭對環焊縫進行超聲 檢測時,除確認焊縫及焊接熱影響區缺陷外,應再確 認拔孔高度范圍內是否存在裂紋。
參考文獻:
[1] 張五杰,張濤鋒,陳東,等.氣體絕緣全封閉組合電器 用鎢銅合金弧觸頭接合面連接工藝[J].理化檢驗(物 理分冊),2022,58(7):1-4.
[2] 齊波,張貴新,李成榕,等.氣體絕緣金屬封閉輸電線 路的研究現狀及應用前景[J].高電壓技術,2015,41 (5):1466-1473.
[3] 尚濤,李果.氣體絕緣輸電線路的特點及其應用[J]. 南方電網技術,2011,5(1):81-84.
[4] 黃蓉,王軍,謝億,等.500kV變電站斷路器導氣管接 頭開裂原因[J].理化檢驗(物理分冊),2022,58(5): 30-33,39.
[5] 劉兆華.鍋爐、壓力容器的焊接材料選用[J].焊接技 術,2012,41(8):55-58.
[6] 彭杏娜,叢相州,彭先寬.GIL鋁合金殼體焊接技術研 發現狀[J].輕合金加工技術,2019,47(4):13-18.
[7] 莫明珍,劉健斌,樊志維,等.GB/T228.1—2010中最 大力塑性延伸率測量新方法及其驗證[J].理化檢驗 (物理分冊),2022,58(6):75-77.
[8] 賈邦安.鋁制“殼體”制造檢驗過程中的焊接及返修檢 驗控制[J].焊接技術,2010,39(8):67-68.
[9] 劉鴻彥,李衛華,孫修圣,等.鐵素體耐熱鋼的焊接工藝及 熱處理[J].石油和化工設備,2022,25(7):129-133.
[10] 路紀軒,黃東海.5052鋁合金熱軋帶材表面起皮原因 及對策[J].輕合金加工技術,2022,50(8):38-41,47.
[11] 張大新,楊瑞成.6005鋁合金的過燒溫度及其組織特 征[J].輕合金加工技術,2011,39(4):39-42.
[12] 楊勇,張全成,田青超.5052鋁合金板析出相表征 [J].輕合金加工技術,2022,50(1):25-32.