GIS是一种先进的高压电气配电装置，由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件及出线终端等部件组成，这些部件封闭在金属接地的外壳中，在壳体内部充有0.4~0.8 MPa工作压力的SF6绝缘气体^[1-4]。GIS壳体在制造过程中可能存在未熔合、未焊透等原始缺陷，会削弱壳体的承载能力，在使用过程中因载荷波动等因素影响，缺陷可能发生疲劳扩展，直至断裂。GIS设备一旦发生事故，停电范围广，修复时间长，对供电系统的影响大^[5-9]；同时，SF6电离产生的氟化物具有高毒性及高污染性，如果发生泄漏，会对人体及环境造成威胁^[10-17]。然而，如果发现缺陷就停机返修或报废等，则会造成巨大经济损失，并且返修过程中电弧气刨、焊接等也会对焊接结构性能产生影响，甚至加速材料劣化。因此，对缺陷进行安全评定以确定其安全状态至关重要。

含缺陷压力容器安全评定标准主要有英国国家标准BS7910-2013《金属结构裂纹验收评定方法指南》、核电规范R6-2009《含缺陷结构的完整性评估》、API579-2016《合于使用评价》、WES2805-1997《含缺陷熔焊接头脆性断裂和疲劳裂纹扩展评定方法》以及GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》等。GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》常规评定采用技术成熟的R6通用失效评定图，并结合自身国情进行了创新^[18]，在钢制压力容器焊缝缺陷安全评定中发挥了重要作用^[19-22]。在某变电站铝合金特高压GIS设备金属监督检验中发现壳体存在若干处焊接缺陷，为了确保电网安全运行，确认该GIS壳体在当前工况下缺陷是否会导致泄漏失效，并估算其疲劳扩展寿命，需要对该含缺陷壳体进行安全评定。关于铝合金容器安全评定的相关文献很少，黄雪坤等^[23]采用R6对LF2铝制压力容器进行失效评定。在此，采用GB/T 19624—2004对该GIS壳体的两个代表性缺陷进行安全评定，为其运行维护提供决策依据。

1.   GIS壳体缺陷

GIS母线壳体分为左右两部分（图 1），通过伸缩膨胀节联成一体。其中，右侧竖直筒名义内径1 460 mm，壁厚25 mm；左侧水平筒名义内径1 032 mm，壁厚16 mm。使用26 MG超声波测厚仪检测壳体壁厚，右侧竖筒最小壁厚24.69 mm，最大壁厚25.67 mm；左侧水平筒最小壁厚15.52 mm，最大壁厚16.14 mm。基于安全角度考虑，进行安全评定时，壁厚取最小值。GIS母线壳体左右两侧工作压力均为0.52 MPa。2013年对该GIS设备的金属监督检验中，采用超声波脉冲反射法检测发现，右侧竖筒纵焊缝有4个缺陷，均为链状气孔，将4个气孔包络成1个整体缺陷，标示为缺陷1；左侧水平筒纵焊缝有1个椭圆形点状缺陷，标示为缺陷2。该壳体原已按GB/T 28819-2012《充气高压开关设备用铝合金壳体》验收合格，但因检测出缺陷，故需要对其进行安全评定。

图  1  GIS 壳体结构示意图

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为了更加准确地测量缺陷尺寸，2016年再次对该GIS壳体焊缝进行无损探伤，分别采用了脉冲反射、TOFD、相控阵3种方法，因TOFD数据监测能力相对更高，缺陷尺寸以TOFD检测结果为准（表 1）。

表  1  GIS壳体缺陷尺寸TOFD检测结果

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2.   GIS壳体缺陷安全评定

2.1   缺陷评定方法

对于在役含缺陷压力容器，GB/T 19624—2004规定了断裂安全评定方法和疲劳评定方法。断裂安全评定方法采用失效评定图法，包括简化评定方法和常规评定方法，在此采用常规评定方法。断裂评定所需要的基础数据包括：缺陷类型、尺寸和位置，结构和焊缝的几何形状和尺寸，材料和化学成分、力学和断裂韧度数据，载荷引起的应力和残余应力等。平面缺陷的疲劳评定方法采用断裂力学的Paris^[24]公式法。疲劳评定所需要的基础数据包括材料疲劳裂纹扩展速率及载荷波动引起的应力波动等。

2.2   缺陷表征

缺陷1：高度h=2 mm，长度l=14.2 mm，缺陷与壳体表面最小距离P₁=5.79 mm，与壳体另一表面距离P₂=16.9 mm。缺陷2：高度h=3.6 mm，长度l=54 mm，缺陷与壳体表面最小距离P₁= 4.32 mm，与壳体另一表面距离P₂=7.6 mm。根据标准GB/T19624—2004第5.3.1.4节规定，如果缺陷尺寸满足式（1），缺陷可规则化表示为埋藏椭圆形裂纹。经计算，两处缺陷均可规则化表示为埋藏椭圆形裂纹，缺陷尺寸安全系数取1.1（图 2，t为壳体壁厚，L为规则化裂纹长度，c为规则化裂纹半长，H为规则化裂纹高度，a为规则化裂纹半高）。

图  2  GIS壳体缺陷规则化表征后的位置和尺寸示意图

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2.3   材料性能

该GIS壳体材料为耐蚀性好、焊接性能优良、冷加工性较好并具有中等强度的Al-Mg-Si系合金5083-H112。在役设备的安全评定中需要得知缺陷位置材料的屈服强度、抗拉强度、断裂韧度及疲劳裂纹扩展速率等参数，但从设备上取样获得材料性能参数往往不太现实。为此，由该壳体制造厂制作了与壳体材料、制造工艺相同的焊接试板，已知母材和焊缝化学成分（表 2），分别从该试板母材和焊缝取样，进行力学、裂纹扩展和断裂性能测试，获得相应的性能参数。

表  2  5083-H112铝合金所含化学元素的质量分数

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2.3.1   常规力学性能

材料的常规力学性能通过室温拉伸方法获得，试样尺寸和试验过程按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行。根据该材料的力学性能（表 3）可知：铝合金5083母材和焊缝的常规力学性能接近，焊缝比母材略小，从安全角度考虑，评估时采用焊缝的力学性能。

表  3  5083-H112铝合金母材及焊缝力学性能参数

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2.3.2   断裂韧度

壳体材料的断裂韧度参数，采用三点弯曲（Single Edged Notched Bending，SEB）试样按照ASTM E1820-2015《断裂韧性测量试验方法》单试样法进行室温下的断裂韧度J_IC试验。母材和焊缝各测得两个有效断裂韧度J_IC数据，通过式（2）换算成断裂韧度K_IC进行断裂评定（表 4）。母材与焊缝的断裂韧度比较接近，采用几个试样中最低的断裂韧度（56.44 MPa·m^0.5）作为壳体材料断裂性能的评定指标。

表  4  5083-H112铝合金母材与焊缝的断裂韧度

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式中：E为弹性模量，MPa；ν为泊松比。

2.3.3   疲劳裂纹扩展速率

GIS壳体材料疲劳裂纹扩展速率是其疲劳评定的基础数据。根据ASTM E647-2015e1《疲劳裂纹扩展速率测量试验方法》，采用标准紧凑拉伸试样进行恒载荷幅正弦波形的疲劳裂纹扩展试验，获得母材和焊缝的疲劳裂纹扩展数据（表 5），裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅ΔK的关系可利用Paris公式^[22]表示：

表  5  5083-H112铝合金母材与焊缝的疲劳裂纹扩展速率测试结果

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式中：C、n均为材料常数。

根据表 5数据可知：5083铝合金母材与焊缝的疲劳裂纹扩展性能比较接近，评定时采用扩展速率最快的试样4的数据作为材料的疲劳裂纹扩展速率。

2.4   评定结果

对GIS壳体纵焊缝最大的两处缺陷分别进行断裂评定和疲劳评定。该GIS设备的隔离开关和接地开关母线壳体额定压力均为0.5 MPa（20 ℃，表压），设计压力0.7 MPa，设备操作压力0.52 MPa。对其进行安全评定时, 取最高压力0.7 MPa作为评定压力。壳体应力波动取夏季现场测试的缺陷附近的应力波动15 MPa，并按壳体最大温升线性外插值。

2.4.1   断裂评定

采用GB/T 19624—2004中的常规评定方法，根据载荷比L_r和断裂比K_r为坐标组成的通用失效评定图进行评定。评定图边界曲线（FAC）方程如式（4）所示，右边界垂直线方程如式（5）所示。

式中：σ_b为抗拉强度，MPa；σ_s为屈服强度，MPa。

由于壳体有伸缩节，轴向变形由伸缩节吸收，因此，壳体的轴向外载不大。一次膜应力p_m主要由内压引起，故筒体的环向应力最大，GIS壳体为薄壁圆筒，根据薄膜应力公式计算环向应力σ_θ：

式中：p为筒体内压，MPa；D为筒体内径，mm；t_min为壳体最小壁厚，mm。

二次膜应力Q_m主要由焊接残余应力和热应力引起，焊接残余应力取材料的屈服应力（141 MPa），据现场测试夏季天气晴朗时昼夜温差较大时为10 ℃左右，壳体缺陷处的实测热应力变化值为15 MPa左右。按该设备所处地区可能最大温差30 ℃线性外插值，热应力变化值取45 MPa。外观检测错边量不超过2 mm。焊缝中若存在错边，则会产生应力集中，对于平行纵焊缝的缺陷，错边产生的二次弯曲应力Q_b按GB/T 19624—2004中表 5-3计算。经计算：缺陷1附近Q_b/p_m=0.27，缺陷2附近Q_b/p_m=0.42。缺陷表征尺寸、断裂韧度、一次应力及二次应力按严重失效后果安全系数分别取1.1、1.2、1.5、1.0。取安全系数后，按常规评定方法评定缺陷基本数据（表 6，p_b为一次弯曲应力）。

表  6  缺陷的常规评定基本数据

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载荷比L_r是一次应力的施加载荷与屈服极限载荷的比值，表示载荷接近于结构塑性极限载荷的程度。断裂比K_r是指施加载荷作用下的应力强度因子与材料断裂韧度的比值。

式中：；；G为相邻两裂纹间弹塑性干涉效应系数，表征裂纹附近没有其他缺陷，取值1；K_I^p为一次应力引起的沿裂纹尺寸高度方向的应力强度因子，MPa·m^0.5；K_I^s为二次应力引起的沿裂纹尺寸高度方向的应力强度因子，MPa·m^0.5；K_p为评定材料的断裂韧度，MPa·m^0.5；ρ为塑性修正因子。

根据缺陷评定基本数据，可以得到缺陷1（L_r，K_r）＝（0.18，0.50）与缺陷2（L_r，K_r）=（0.25，0.69）。将两处缺陷相应的评定参数均绘制在通用失效评定图中（图 3，其中由FAC曲线、右边界垂直线以及两直角坐标轴所围成的区域为安全区，该区域之外为非安全区），两处缺陷评定坐标点均位于安全区内，在目前工况下不会发生断裂失效。两处缺陷的载荷比L_r均较小，远离载荷比的右极限，表明该壳体存在当前缺陷时强度裕度仍较大。而断裂比K_r离评定线边界相对较近，断裂强度裕度相对较小。

图  3  GIS壳体缺陷安全评定的FAD评定图

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2.4.2   疲劳评定

工程结构大多承受动态变化的载荷，80%以上的构件失效事故是由疲劳引起的。具有初始裂纹或缺陷的构件，由于初期缺陷尺寸较小，载荷变化引起的缺陷尖端应力强度因子幅小，裂纹或缺陷在服役前期往往扩展很慢，甚至检测不到明显的裂纹增长，但随着缺陷尺寸的增长，应力强度因子幅也相应增加，裂纹扩展速率随之增加。对在役GIS壳体内缺陷进行监测和寿命评估是保障其安全可靠的有效方法。

对于埋藏缺陷，如果其尖端应力强度因子幅ΔK在以下范围内（表 7），预期循环次数小于所对应的容许承受循环次数，则该缺陷可免于疲劳评定，认为是安全的或可接受的。

表  7  缺陷免于疲劳评定的判别界限

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为了掌握该GIS壳体受载荷变化的响应情况，对该GIS壳体进行多次现场测试，利用应变片、热电偶及千分表分别监测壳体不同部位的应力应变、温度及位移的变化规律。取壳体缺陷处实测最大应力变化值的线性外插值，获得热应力波动45 MPa作为应力波动量进行疲劳评估。缺陷1附近错边引起的应力集中系数为1.27，缺陷2附近的应力集中系数为1.42。则可以得缺陷1的二次膜应力波动ΔQ_m=57.15 MPa，缺陷2二次膜应力波动ΔQ_m=63.90 MPa，二次弯曲应力波动ΔQ_b=0。

根据试验数据，用最小二乘法回归得到的裂纹扩展速率方程中的C应乘以一个不小于4的系数（在此取5）后作为评定用的C值（1.15×10^-7），n=4.04。

根据裂纹尺寸的逐个循环计算式（9），计算每次应力循环后裂纹长度a_i。根据断裂力学理论，缺陷a方向（短轴方向）应力强度因子最大，裂纹扩展最快，仅对a方向进行疲劳评定。

式中：ΔK_a为裂纹短轴高度方向上的应力强度因子，MPa·m^0.5。

根据GB/T 19624—2004第6.1.7.1节疲劳泄漏评定条件，若埋藏裂纹疲劳扩展最终尺寸a_f满足式（10），则不会发生泄漏。

式中：a₀为裂纹初始值，mm。

对于缺陷1，根据式（10）的临界条件，其埋藏裂纹疲劳扩展最终尺寸a_f=2.10 mm，疲劳寿命循环次数根据式（9）计算为37 915次。对于缺陷2，其埋藏裂纹疲劳扩展最终尺寸a_f=3.40 mm，疲劳循环次数根据式（9）计算为6 971次。壳体实际疲劳寿命应在设备实践运行中校验，在设备定期检查时应监测其扩展状态。

根据该GIS壳体的无损检测，当前缺陷为制造过程中的原始缺陷。鉴于实际GIS壳体检修、维护及可靠性需要，建议运行中应特别关注缺陷状态监测，定期（5年左右）进行无损检测与评估，关注其疲劳扩展情况。

3.   结论

根据GB/T 19624—2004的断裂安全评定，该GIS壳体两个埋藏缺陷当前是安全的，缺陷不影响在当前工况下的正常使用。根据GB/T 19624—2004的疲劳评定方法，GIS壳体的左右两侧最大缺陷的疲劳寿命循环次数分别为6 971次、37 915次，实际疲劳寿命有待实践校验。设备在以后的运行过程中，应重视监控缺陷的疲劳扩展状态，建议定期检测这些缺陷，并根据无损检测结果对缺陷进行安全评定。