图 1壳体外形及接合处内表面漏点的宏观形貌
气体绝缘封闭组合开关（GIS）将断路器、隔离开关及接地开关等高压电气元件封装于填充了高绝缘性能SF6气体的金属壳体内，有助于实现设备布局的紧凑化和运维成本的优化[1]。该技术以SF6气体作为绝缘与灭弧介质，其灭弧能力可达空气的100倍，在超高压及特高压系统中具有重要的工程应用价值[2]。然而，SF6气体泄漏会带来双重负面影响：一方面，气体压力下降会削弱绝缘强度，甚至引发局部放电或击穿事故，威胁设备运行的可靠性；另一方面，SF6作为强效温室气体，其泄漏将加重环境负担，与全球低碳化发展目标相悖[3-6]。
目前，我国电力行业中GIS设备壳体的制造工艺主要分为焊接与铸造两类。焊接壳体采用铝板卷制焊接形成筒体结构，并利用对接焊实现与法兰的连接。现代焊接技术配合无损检测等严格质量控制，显著降低了焊缝缺陷率，使焊接壳体具备较高的结构完整性和可靠性[7-8]。铸造壳体适用于几何形状复杂的构件，但由于金属液流动特性及凝固过程控制难度较大，材料容易产生气孔、缩孔和裂纹等铸造缺陷[9-10]。铸造过程中，金属液含气量过高、冷却梯度控制不当或残余应力集中是导致微观缺陷产生的主要原因。尽管铸造壳体需通过耐压和渗漏试验，但由于构件几何形状复杂，易造成检测盲区，其缺陷漏检率仍高于焊接壳体。
某变电站GIS刀闸气室出现SF6气体压力下降故障，表计压力降至0.405 MPa，经过补气处理后又反复出现气压下降故障，经检漏排查发现刀闸气室的壳体本体和加强筋接合处存在漏点。笔者采用一系列理化检验方法对GIS壳体泄漏原因进行分析，以避免该类事故再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
发生泄漏的壳体外形及接合处内表面漏点如图1所示，首先进行宏观漏点肥皂水检测，将筒体容器表面涂浇肥皂水，目视观察表面，发现GIS壳体本体和加强筋接合处内表面存在漏点。对泄漏点内表面进行打磨，观察发现内表面存在直径为0.3~1.2 mm的疏松孔洞（见图2）。
1.2 渗透检测
用打磨机去除漏点外表面油漆层，清洁表面后喷涂渗透剂，静置15 min，然后去除多余的渗透剂并喷涂显像剂[11]，漏点处的渗透检测结果如图3所示。由图3可知：漏点处存在一条长度约为8.5 mm的线性裂纹，该裂纹平行于加强筋根部，呈断续分布；对表面进一步打磨后发现该裂纹延长至30 mm，裂纹走向与壳体受力方向一致，说明在焊接残余应力或交变载荷的作用下，裂纹发生了疲劳扩展?。
1.3 X射线数字成像(DR)检测
采用数字成像系统对GIS壳体部位进行DR检测，检测焦点尺寸为3 mm，焦距为1.5 m，管电压为120 kV，检测结果如图4所示。由图4可知：壳体除泄漏点外，其余多处均存在缩孔和疏松缺陷，缩孔缺陷最大尺寸约为2.1 mm，呈簇状分布；疏松缺陷分布于筒体连接部位，表现为低密度阴影。表明壳体制造过程中可能存在熔炼温度控制不当或凝固收缩不均等问题，导致材料致密性下降?。
1.4 化学成分分析
采用火花直读光谱仪对GIS壳体试样进行化学成分分析，依据GB/T 7999—2020 《铝及铝合金 光电直读发射光谱分析方法》对试样表面进行标准化打磨处理，以消除氧化层的干扰，试样的化学成分分析结果如表1所示。由表1可知：壳体成分为ZL101材料，满足GB/T 1173—2013《铸造铝合金》的标准要求；Si元素含量处于标准中上限区间，有助于提升铸造流动性并抑制热裂倾向；Mg元素含量达到标准上限，可提高材料的屈服强度；Zn元素含量符合残余元素含量的控制要求。
Table 1.GIS壳体的化学成分分析结果
1.5 力学性能测试
在GIS壳体筒体上取样，按照标准GB/T 1173—2013对试样进行拉伸试验及硬度测试，结果如表2所示。由表2可知：GIS壳体的力学性能满足GB/T 1173—2013的标准要求。
Table 2.GIS壳体的力学性能测试结果
1.6 金相检验
在GIS壳体泄漏区域截取横向试样，对试样进行机械切割与冷镶嵌处理，经砂纸研磨及金刚石抛光液抛光后，采用Keller试剂（体积分数为2%HF+体积分数为3%HCl+体积分数为5%HNO3+体积分数为90%H2O）腐蚀20 s，低倍试样呈现层间线特征（见图5）。
利用光学显微镜观察试样，结果如图6所示。由图6可知：母材组织呈等轴晶特征，晶粒尺寸为20~50 μm，基体为α固溶体，晶界处为α与Si二相共晶体，符合Al-Si-Mg系铸造铝合金典型组织特征[12]；焊接部位组织呈柱状晶特征，垂直于熔合线方向生长，层间线两侧的组织形态不同，靠近上层焊缝的一侧，组织有明显的热影响特征。在多层焊时，每焊完一层焊缝，都需要在已凝固的焊缝金属表面继续进行下一层的焊接。由于每次焊接时的热输入、熔池形状和冷却条件等存在差异，故相邻两层焊缝之间形成了明显的层间线。
补焊点附近的母材有裂纹和较多的疏松孔洞，疏松孔洞出现在晶粒边界(见图7)。在凝固过程中，液态金属在晶间的流动受到阻碍，难以充分填充，从而在这些部位形成疏松。由上述分析结果可推测，该铸件铸造时有疏松、孔洞及裂纹缺陷，补焊时并未将铸造缺陷完全去除，造成了铸件泄漏。
1.7 扫描电镜（SEM）及能谱分析
利用SEM及能谱仪对GIS壳体泄漏区域进行分析，结果如图8所示。由图8可知：局部区域元素含量显著偏离基体平均值，如?Si元素的质量分数为13%，较标准值6.5%~7.5%提升约80%；?Al?元素的质量分数为86%，较基体平均值91.42%下降约6%；?Mg?元素的质量分数为0.25%，接近标准要求的下限。?Al-Si合金在凝固过程中，Si元素因溶质分配系数（0.12）远小于1，倾向于在液相中富集。若局部冷却速率过慢，残留在液相中的Si元素含量将显著升高，最终形成枝晶间富Si相。该区域为缩松缺陷，其海绵状结构特征与凝固末期液相流动受阻导致的溶质富集直接相关??。富Si元素区域硬度升高，韧性下降，易成为裂纹源。
2. 有限元仿真分析
根据实际工件尺寸建立1:1模型，采用ANSYS软件对GIS壳体进行整体应力和应变有限元分析[13]。壳体材料为ZL101-T6，密度为2 650 kg/m3，弹性模量为69 GPa，泊松比为0.33，压力采取壳体的实际运行压力，值为0.7 MPa，温度为20 ℃。对其不规则两端进行固定支撑约束，总共约束6个面，网格划分10 mm，对于内部曲面，施加载荷为0.7 MPa，有限元分析结果如图9所示。由图9可知：壳体连接部位为应力最大处，与实际监测情况一致；壳体最大应力为150.6 MPa，未超过材料本身的抗拉强度，证明在工艺及材料正常情况下，该壳体不会发生应力性破坏。但由于泄漏点处存在大量疏松和气孔缺陷，制造人员对泄漏点处进行了修磨和补焊，所以泄漏点处不仅需要承受压力试验产生的拉应力，还要承受补焊后叠加的残余应力附加拉应力，促进了裂纹扩展，直至形成贯穿性裂纹，最终导致壳体泄漏。
3. 综合分析
刀闸气室壳体采用了黏土砂型铸造工艺，铸造完成后进行固溶处理+完全人工时效，采用水压试验、气密性试验和DR检测对壳体内部进行质量检验，其中水压试验和气密性试验只能检验壳体的承压能力，并不能反映壳体内部缺陷情况，壳体的泄漏点位于加强筋和筒体接合处，DR检测时，成像板与工件的距离较大，造成几何不清晰度大，裂纹检出角容易超过10°，甚至超过15°，裂纹和疏松等危害大的缺陷难以检出。铸造厂在进行壳体内部质量验收时，发现泄漏点附近存在气孔和疏松缺陷，对其进行挖缺补焊，造成局部组织和结构的承载能力下降，在整体应力和局部补焊应力的叠加作用下，材料的承载力不足，最终导致GIS壳体开裂。
4. 结论及建议
壳体容器在铸造过程中产生了疏松和气孔缺陷，萌生了微裂纹，在补焊时引入的焊接残余应力作用下，裂纹不断扩展，产生贯穿性缺陷，最终导致GIS壳体泄漏。
在原材料的控制方面，建议严格限制S、P等有害元素含量。在铸造工艺优化方面?，建议采用模流分析软件优化浇注系统，确保充型过程平稳，避免局部过热，导致因凝固速率不均而产生缩松缺陷。采用热风烘烤去除型砂潮气，控制浇注温度，避免温度过高导致吸气。在焊接质量方面，建议加强焊接工艺规范性，补焊前彻底清理缺陷区域，采用小电流多层焊，以减少热输入。优化消缺补焊工艺，应彻底消除密集疏松缺陷，补焊时不产生新缺陷，并减小热影响区的组织差异。对补焊区域可实施局部热处理（550~650 ℃保温缓冷）或振动时效处理，进一步降低残余应力引发的微裂纹扩展风险。在设备运维和缺陷筛查方面，定期使用SF6检漏仪检测法兰、焊缝等易漏部位，结合红外成像技术定位微小泄漏点。采用工业电子计算机断层扫描技术检测材料内部的缩松缺陷，对标记的缺陷区域进行定向返修，对关键承压部位进行荧光渗透检测。在气体管理方面，建议保持SF6的体积分数不低于99.8%，水的体积分数不高于0.015%，以防止分解产物加速材料的腐蚀进程。
来源--材料与测试网