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天荒坪抽水蓄能电站RTD(铂热电阻)失效机理分析

天荒坪抽水蓄能电站RTD(铂热电阻)失效机理分析高天云本文作者高天云先生，华东电力试验研究院高级工程师。关键词：RTD(铂热电阻)故障失效机理可靠性测温元件一概述天荒坪抽水蓄能电站共有6 台300MW 立式、同轴、单速、可逆式水泵水轮机——发电电动机组，承担调峰、填谷、事故备用、调频等功能，属纯抽水蓄能电站，机组能否正常运行对整个华东电网的稳定、安全具有十分重要的意义。6 台机组的主控设备为贝利公司的N90，所有的检测仪表(如温度、压力、流量、液位等检测仪表)均为国外进口产品，这些产品来自不同****和地区，品种繁多、规格杂乱，不备品备件的采购周期长，相互的替换性差，而且对故障的分析处理带来极大的麻烦和不便。6 台机组自投产以来到2001 年6 月止，因一次自动化测温元件RTD(铂热电阻)故障引起的停机次数达18 次。图1 绘出了各台机组RTD 故障引起的停机次数分布，其中3#机组RTD铂热电阻故障引起停机7 次，占39%。不同位置RTD(铂热电阻)的故障分布情况如图2 所示，推力轴承RTD(铂热电阻)故障达7 次，占39%，空冷RTD铂热电阻故障4 次，占22%。在推力轴承的7 次RTD 故障中，3#机组RTD(铂热电阻)故障有6 次，占85.7%。是什么原因使3#机组推力轴承RTD(铂热电阻)故障率比其他机组要高？通过对表1 所列出的6 台机组推力轴承振动数据分析发现，3#机组推力轴承振动幅度明显高于其他机组，因此，笔者认为剧烈、反复的振动和冲击是导致3#机组推力轴承RTD铂热电阻故障率高于其他机组的一个重要原因。为了弄清RTD(铂热电阻)故障原因，对故障RTD(铂热电阻)样品进行了测试、解剖和各种分析试验，以便在弄清失效机理的基础上，寻求改进措施，提高可靠性、延长使用寿命。二失效判据和失效模式天荒坪抽水蓄能电站使用的RTD(铂热电阻)均为进口Pt100 三线制铂热电阻，其标称电阻值R0=(100±0.005)O，电阻温度系数a=R100℃/R0℃=1.3850，其内部接线如图3所示。失效判据是根据RTD(铂热电阻)产品的技术指标和我国专业标准JB/T 8622-1997《工业铂电阻技术条件及分度表》和检定规程JJG229-1998《工业铂、铜热电阻》要求确定的。失效不是指致命性破坏或完全丧失功能，还包括性能降低(如性能参数漂移、材料退化变质等)。但是，不管是何种失效，都有一个共同特点，即只要来自环境、工作条件等的能量积蓄一旦超过某个界限，元器件就开始退化或被破坏。在这些环境和工作条件中，促使元器件退化的诱因一般称为“应力”，元器件总是经过一定时间才演变成失效的。如果说应力和时间是元器件失效的外因，那么导致元器件失效的内因，即引起元器件失效的物理、化学或机械过程，则是元器件的失效机理。这实质上是一种微观变化，而表现为宏观现象的过程，失效现象(指失效内因的表现形式)或失效状态的类型称为失效模式。失效模式是可以观测到的，而失效机理则不一定，但有可能通过各种理化分析找出来，例如开路失效、短路失效、参数漂移等都是具体的失效模式。失效模式常分为突然失效和逐渐失效两种主要类型。元器件的失效模式和失效机理并不是固定不变的，它是储存、使用、维护等环境(应力)以及时间的函数，而且还与设计、处理、制造、试验(筛选)等条件密切相关。因此，探明失效机理，无论在理论还是生产实践上，都具有十分重要的意义。天荒坪抽水蓄能电站使用的RTD铂热电阻主要有两种形式：铂丝绕制而成的RTD铂热电阻、铂质薄膜RTD。为了弄清RTD(铂热电阻)失效机理，对已失效的RTD(铂热电阻)进行了分类，并在恒温油槽中测量了失效RTD(铂热电阻)在R0℃、R20℃、R100℃3 个温度点的电阻值，表2 列出了失效模式分类和测试结果数据。三失效机理分析 1. 第一类样品的失效机理这类RTD(铂热电阻)测温元件由铂丝绕制而成，铂丝绕制在陶瓷骨架上，常有两种失效机理: (1)铂丝在经过绕制、清冼的过程中将产生应力，因此绕制、清冼完毕烘干后须经过退火，以消除铂丝的应力。但是，如果退火不完全，应力没有全部消除，则RTD(铂热电阻)的R℃值和W℃值将很不稳定，导致阻值时高时低。(2)铂丝在还原性介质中，特别是在较高温度下容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所污染，污染后的铂丝不变脆，而且改变了铂丝的阻值与温度之间的关系。另外，在高温下，铂与周围材料之间的扩散也会使铂丝受到污染，从而引起阻值的变化。 2. 第二类样品的失效机理剖开不锈钢外套，取出RTD(铂热电阻)测温元件，发现这类测温元件外观质量尚好，未发现电极间有短路迹象。将测温元件清冼干净后重新测量各温度点阻值，发现与解剖前完全不同。由此说明，RTD(铂热电阻)的失效不是因装配工艺不当引起，而是由测温元件失效和外力原因造成的。 (1)对失效测温元件沿边缘进行微分剥离，发现某一局部被剥离后，阻值突然增大。出现阻值突然增大的原因是，铂质薄膜测温元件封装在绝缘材料内(如环氧树脂、氧化镁粉等)时，虽然测温元件已经出现龟裂现象，但由于绝缘材料的严密封装保护，相互之间并不分离,一旦将绝缘材料剥离，导致龟裂增大，阻值上升。电镜观察证实，铂质测温元件坯体尚有其他微裂纹存在。 (2)铂丝绕制陶瓷骨架RTD(铂热电阻)和铂质薄膜RTD(铂热电阻)，即使是轻微的振动，如果没有较好的防振措施，也容易造成铂丝断损、陶瓷骨架断裂或破碎。 (3)逐层剥离RTD(铂热电阻)不锈钢外套封接固定交界过渡处，发现有部分引出线出现断裂。实验和分析证实，在交界过渡处，易引起折断，因为该处应力比较集中且又易扭曲，因此极易引起折断开路。上述失效机理，由于其断裂的位置比较特殊，形成似断非断的情况，因此在振动情况下，就会出现断裂处间隙突然变大而阻值突然升高的现象，而在振动有所下降或缓解时由于断裂处间隙变小又恢复正常的状况。上述分析已为实验室模拟试验所证实。 3. 第三类样品的失效机理这类样品的标称阻值及各温度点的阻值均略高于规范值，其失效机理主要有： (1)点缺陷变化引起电阻值漂移。根据Bloch 理论，自由电子在金属中的输送，犹如由具有晶格周期性的函数所调节的平面波，只有晶格点阵的不完善性才引起金属的电阻。RTD(铂热电阻)在储存或使用过程中，由于组织结构及其内部的各种缺陷，逐步使外来原子、点缺陷和晶粒边界引起附加散射；另外，晶格点阵的振动、发射或吸收一个晶格振动能的量子——声子，也会引起电子的散射，因此导致电阻率增加，RTD (铂热电阻)阻值增大。 (2)测温元件有效电极面积减小。解剖发现，样品部分电极根部烧结处有效截面积变小。其原因是电极制备工艺控制不当，如基体研磨不平整，清冼不干净；电极烧渗工艺条件选取不合理等使电极变形。同时，后续热处理工艺控制不当，也会造成电极早期老化。部分电极截面积的变小，使测温元件的实际电极面积减小，RTD(铂热电)阻阻值升高。 (3)热循环时由于铂丝和镶嵌住铂丝的骨架材料的膨胀系数不同，在铂丝中会产生额外的应力电阻，由此引起几何尺寸的变化也会改变其阻值。特别是当其膨胀时所产生的应力变化会导致铂丝伸长变细，阻值增加。 (4)测温元件在机械振动，甚至某些并不剧烈的振动环境中，虽然不会损坏RTD，但也会在测温元件中引起应力，导致其阻值增加。 4. 第四类样品的失效机理 (1)将样品置于金相显微镜下观察，发现电极表面已出现龟裂，断面处有层裂痕迹。因为RTD(铂热电阻)电极经高温烧结后向低温冷却过程中，受到的热应力超过一定程度时，会在铂质薄膜测温元件坯体内形成显微裂纹。在较为严酷的使用环境和条件下，如反复的机械冲击、振动，工作温度的反复升降和快速变化等，致使样品的内应力进一步加大，显微裂纹蔓延和扩展，产生层裂和龟裂。它们使样品的机械强度下降甚至破碎，同时使引出电极的附着力下降以至脱落，终必然导致其电阻值上升到很高值甚至∞。 (2)剥离外绝缘层，发现铂丝引出电极与外引出导线的焊接点(锡焊)已严重腐蚀，铂引出电极已脱落开路。焊接点腐蚀的原因是：焊接完成后没有清除焊剂喷涂防腐剂；测温元件组装时保护套管内没有填充绝缘材料(如环氧树脂、氧化镁粉等)，导致腐蚀性气体侵入以及工作温度的反复升降引起结露，加速了焊接点的腐蚀速率。 5. 第五类样品的失效机理 (1)对铂丝绕制而成的RTD(铂热电阻)，如果封装工艺不严格或填充物不致密，则其在轴向和径向经受重复性振动或冲击时，会导致绕制在骨架上的铂丝被压缩或与不锈钢外套相接触，导致相邻铂丝间相互接触或短路，终使阻值减小。 (2)RTD(铂热电阻)的绝缘电阻是一个不容忽视的技术指标，常温下RTD(铂热电阻)的绝缘电阻通常在100MO 以上，如果绝缘电阻变小则会给温度测量带来较大的误差。但是在高温下，由于测温元件骨架和引出线绝缘瓷管中的离子导电，造成绝缘下降，导致在铂电阻丝之间以及引出线之间产生分流和漏电现象，使电阻值变小。实验证实，在以玻璃、陶瓷材料为骨架的测温元件中，若制作过程控制不严格，其高温绝缘电阻可能只有几百到几万欧姆。如图4 所示，由于测温元件骨架和引出线瓷管绝缘电阻下降，在铂丝1 之间以及引出线2 之间犹如并联了R1、R2、R3⋯⋯Rn 电阻，形成了分流电路。图5为图4 的等效电路，Rt 为测温元件电阻；RJ 为R1、R2、R3⋯⋯ Rn 的等效电阻。由图5 可得：式中，dR/dt 为在温度为t 时的微分电阻值(O/℃)。根据式(4)计算得到的Pt100 高温绝缘电阻下降引起的温度误差如表3 所示。 (3)RTD(铂热电阻)在高温下使用时，由于金属的扩散挥发，会在测温元件的铂丝之间或在引出线的绝缘瓷管内覆盖一层金属膜而产生分流现象，使绝缘电阻下降；另外，使用时间较长的铂电阻测温元件骨架材料绝缘性能的变坏以及填充绝缘材料(如氧化镁粉)的受潮，也会引起绝缘电阻下降，造成RTD(铂热电阻)的测量误差。 (4)剖开不锈钢外套，取出RTD(铂热电阻)测温元件，将测温元件置于电镜下检查发现，铂引出电极与外引出导线间焊接处的塑料绝缘套管已磨损，两电极已短接，使RTD 输出阻值为0。四结论及建议 (1)从RTD(铂热电阻)的失效机理分析可知，振动引起的失效占了很大比例。样品的失效模式及特征主要表现为电阻值增大而导致失效。对此，只要加以注意或减小振动幅度及频率，就能有效地避免此类失效的发生。 (2)优化RTD(铂热电阻)制造工艺，避免内部显微裂纹及层裂，改善引出电极的制备工艺，提高引出电极的附着力和强度；优化热处理条件，避免引出电极的热疲劳及过大的机械应力；选择合理的老化筛选工艺条件，及早剔除早期失效产品，提高RTD(铂热电阻)的抗疲劳能力。 (3)应力加速寿命试验表明，RTD(铂热电阻)的寿命服从Weibull 分布，理论上可以预计其平均寿命应在4×104h 以上，如能合理选用材料和生产工艺，避免上述超常失效模式发生，就可以使RTD(铂热电阻)的寿命有所延长，总体可靠性也会有更大的提高。 (4)选用高质量的RTD铂热电阻测温元件，结构上采用全铠装形式，优选内部填充材料，优化填充工艺，增加外导线的柔性和韧性，提高其抗疲劳和抗冲击能力。 (5)改善现场安装条件：(a)实验证明，RTD(铂热电阻)的测量误差随其插入深度的增加而减少，因此，在安装时一定要插到底；(b)引出线要留有一定的余地，以便在振动等环境条件下引出线能承受较大的冲击和反复的扭折；(c)RTD(铂热电阻)外径与安装孔要尽可能精密配合，**好改为带有弹簧结构的螺纹固定方式，这样既可使测温元件与被测表面保持紧密接触，又可消除RTD铂热电阻在安装孔内的串动和二次振动的形成，减缓RTD铂热电阻失效速率。对工业应用来说，通常不要求RTD(铂热电阻)具有很高的准确度和再现性，只要求具有中等准确度和再现性即可，但要求在不利的条件下(如振动、压力、磁场、热循环和腐蚀性气体等)有较好的长期稳定性和可靠性。因此，RTD(铂热电阻)的套管及RTD(铂热电阻)测温元件在套管中的安装工艺、方法和现场的正确安装是非常重要的。从工业应用中遇到的RTD(铂热电阻)损坏情况分析，大多数RTD(铂热电阻)故障是由于反复受热循环引起尺寸变化导致应力集中以及反复经受冲击和振动引起内部断裂或开路。据美国军方发表的RTD(铂热电阻)可靠性数据表明，在RTD(铂热电阻)的所有失效模式中，开路占70%。因此，除了从工艺上着手提高RTD(铂热电阻)总体质量外，良好的工作环境也是提高RTD(铂热电阻)可靠性、延长其使用寿命所不可或缺的条件。目前安徽天长市江河仪表线缆有限公司可以为水电站进口RTD(铂热电阻)使用提供优质产品服务. 技术咨询:(0)13905508598

来源：时间：2009/3/28 21:24:17

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