天荒坪抽水蓄能電站RTD（熱電阻）失效機(jī)理分析

高天云

本文作者高天云,，華東電力試驗(yàn)研究院工程師。

關(guān)鍵詞：RTD（鉑熱電阻）故障 失效機(jī)理 可靠性 測(cè)溫元件

一 概述
天荒坪抽水蓄能電站共有6 臺(tái)300MW 立式,、同軸,、單速、可逆式水泵水輪機(jī)——發(fā)電電動(dòng)機(jī)組,，承擔(dān)調(diào)峰,、填谷、事故備用,、調(diào)頻等功能,，屬純抽水蓄能電站,，機(jī)組能否正常運(yùn)行對(duì)整個(gè)華東電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全具有十分重要的意義,。6 臺(tái)機(jī)組的主控設(shè)備為貝利公司的N90,，所有的檢測(cè)儀表（如溫度、壓力,、流量,、液位等檢測(cè)儀表）均為國外進(jìn)口產(chǎn)品，這些產(chǎn)品來自不同國家和地區(qū),，品種繁多,、規(guī)格雜亂，不僅備品備件的采購周期長,，相互的替換性差,，而且對(duì)故障的分析處理帶來極大的麻煩和不便。6 臺(tái)機(jī)組自投產(chǎn)以來到2001 年6 月止,，因一次自動(dòng)化測(cè)溫元件RTD（鉑熱電阻）故障引起的停機(jī)次數(shù)達(dá)18 次,。圖1 繪出了各臺(tái)機(jī)組RTD 故障引起的停機(jī)次數(shù)分布，其中3#機(jī)組RTD鉑熱電阻故障引起停機(jī)7 次,，占39%,。不同位置RTD（鉑熱電阻）的故障分布情況如圖2 所示，推力軸承RTD（鉑熱電阻）故障達(dá)7 次,，占39%,，空冷RTD鉑熱電阻故障4 次，占22%,。在推力軸承的7 次RTD 故障中,，3#機(jī)組RTD（鉑熱電阻）故障有6 次，占85.7%,。是什么原因使3#機(jī)組推力軸承RTD（鉑熱電阻）故障率比其他機(jī)組要高,？通過對(duì)表1 所列出的6 臺(tái)機(jī)組推力軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，3#機(jī)組推力軸承振動(dòng)幅度明顯高于其他機(jī)組,，因此，筆者認(rèn)為劇烈,、反復(fù)的振動(dòng)和沖擊是導(dǎo)致3#機(jī)組推力軸承RTD鉑熱電阻故障率高于其他機(jī)組的一個(gè)重要原因,。為了弄清RTD（鉑熱電阻）故障原因，對(duì)故障RTD（鉑熱電阻）樣品進(jìn)行了測(cè)試,、解剖和各種分析試驗(yàn),，以便在弄清失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，尋求改進(jìn)措施,，提高可靠性,、延長使用壽命,。
二 失效判據(jù)和失效模式
天荒坪抽水蓄能電站使用的RTD（鉑熱電阻）均為進(jìn)口Pt100 三線制鉑熱電阻，其標(biāo)稱電阻值R0=（100±0.005）O,， 電阻溫度系數(shù)a=R100℃/R0℃=1.3850,，其內(nèi)部接線如圖3所示。
失效判據(jù)是根據(jù)RTD（鉑熱電阻）產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和我國專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8622-1997《工業(yè)鉑電阻技術(shù)條件及分度表》和檢定規(guī)程JJG229-1998《工業(yè)鉑,、銅熱電阻》要求確定的,。
失效不僅是指致命性破壞或*喪失功能，還包括性能降低（如性能參數(shù)漂移,、材料退化變質(zhì)等）,。但是，不管是何種失效,，都有一個(gè)共同特點(diǎn),，即只要來自環(huán)境、工作條件等的能量積蓄一旦超過某個(gè)界限,，元器件就開始退化或被破壞,。在這些環(huán)境和工作條件中，促使元器件退化的誘因一般稱為“應(yīng)力”,，元器件總是經(jīng)過一定時(shí)間才演變成失效的,。如果說應(yīng)力和時(shí)間是元器件失效的外因，那么導(dǎo)致元器件失效的內(nèi)因,，即引起元器件失效的物理,、化學(xué)或機(jī)械過程，則是元器件的失效機(jī)理,。這實(shí)質(zhì)上是一種微觀變化,，而表現(xiàn)為宏觀現(xiàn)象的過程，失效現(xiàn)象（指失效內(nèi)因的表現(xiàn)形式）或失效狀態(tài)的類型稱為失效模式,。失效模式是可以觀測(cè)到的,，而失效機(jī)理則不一定，但有可能通過各種理化分析找出來,，例如開路失效,、短路失效、參數(shù)漂移等都是具體的失效模式,。失效模式常分為突然失效和逐漸失效兩種主要類型,。元器件的失效模式和失效機(jī)理并不是固定不變的，它是儲(chǔ)存,、使用,、維護(hù)等環(huán)境（應(yīng)力）以及時(shí)間的函數(shù)，而且還與設(shè)計(jì),、處理,、制造,、試驗(yàn)（篩選）等條件密切相關(guān)。因此,，探明失效機(jī)理,，無論在理論還是生產(chǎn)實(shí)踐上，都具有十分重要的意義,。
天荒坪抽水蓄能電站使用的RTD鉑熱電阻主要有兩種形式：鉑絲繞制而成的RTD鉑熱電阻,、鉑質(zhì)薄膜RTD。為了弄清RTD（鉑熱電阻）失效機(jī)理,，對(duì)已失效的RTD（鉑熱電阻）進(jìn)行了分類,，并在恒溫油槽中測(cè)量了失效RTD（鉑熱電阻）在R0℃、R20℃,、R100℃3 個(gè)溫度點(diǎn)的電阻值,，表2 列出了失效模式分類和測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)。
三 失效機(jī)理分析
1. *類樣品的失效機(jī)理
這類RTD（鉑熱電阻）測(cè)溫元件由鉑絲繞制而成,，鉑絲繞制在陶瓷骨架上,，常有兩種失效機(jī)理:
（1）鉑絲在經(jīng)過繞制、清冼的過程中將產(chǎn)生應(yīng)力,，因此繞制,、清冼完畢烘干后必須經(jīng)過退火，以消除鉑絲的應(yīng)力,。但是,，如果退火不*，應(yīng)力沒有全部消除,，則RTD（鉑熱電阻）的R℃值和W℃值將很不穩(wěn)定,，導(dǎo)致阻值時(shí)高時(shí)低。
（2）鉑絲在還原性介質(zhì)中,，特別是在較高溫度下容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所污染,，污染后的鉑絲不僅變脆，而且改變了鉑絲的阻值與溫度之間的關(guān)系,。另外,，在高溫下，鉑與周圍材料之間的擴(kuò)散也會(huì)使鉑絲受到污染,，從而引起阻值的變化,。
2. 第二類樣品的失效機(jī)理剖開不銹鋼外套，取出RTD（鉑熱電阻）測(cè)溫元件,，發(fā)現(xiàn)這類測(cè)溫元件外觀質(zhì)量尚好，未發(fā)現(xiàn)電極間有短路跡象,。將測(cè)溫元件清冼干凈后重新測(cè)量各溫度點(diǎn)阻值,，發(fā)現(xiàn)與解剖前*不同,。由此說明，RTD（鉑熱電阻）的失效不是因裝配工藝不當(dāng)引起,，而是由測(cè)溫元件失效和外力原因造成的,。
（1）對(duì)失效測(cè)溫元件沿邊緣進(jìn)行微分剝離，發(fā)現(xiàn)某一局部被剝離后,，阻值突然增大,。出現(xiàn)阻值突然增大的原因是，鉑質(zhì)薄膜測(cè)溫元件封裝在絕緣材料內(nèi)（如環(huán)氧樹脂,、氧化鎂粉等）時(shí),，雖然測(cè)溫元件已經(jīng)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，但由于絕緣材料的嚴(yán)密封裝保護(hù),，相互之間并不分離,，一旦將絕緣材料剝離，導(dǎo)致龜裂增大,，阻值上升,。電鏡觀察證實(shí)，鉑質(zhì)測(cè)溫元件坯體尚有其他微裂紋存在,。
（2）鉑絲繞制陶瓷骨架RTD（鉑熱電阻）和鉑質(zhì)薄膜RTD（鉑熱電阻）,，即使是輕微的振動(dòng)，如果沒有較好的防振措施,，也容易造成鉑絲斷損,、陶瓷骨架斷裂或破碎。
（3）逐層剝離RTD（鉑熱電阻）不銹鋼外套封接固定交界過渡處,，發(fā)現(xiàn)有部分引出線出現(xiàn)斷裂,。實(shí)驗(yàn)和分析證實(shí)，在交界過渡處,，zui易引起折斷,，因?yàn)樵撎帒?yīng)力比較集中且又易扭曲，因此極易引起折斷開路,。
上述失效機(jī)理,，由于其斷裂的位置比較特殊，形成似斷非斷的情況,，因此在振動(dòng)情況下,，就會(huì)出現(xiàn)斷裂處間隙突然變大而阻值突然升高的現(xiàn)象，而在振動(dòng)有所下降或緩解時(shí)由于斷裂處間隙變小又恢復(fù)正常的狀況,。上述分析已為實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)所證實(shí),。
3. 第三類樣品的失效機(jī)理這類樣品的標(biāo)稱阻值及各溫度點(diǎn)的阻值均略高于規(guī)范值，其失效機(jī)理主要有：
（1）點(diǎn)缺陷變化引起電阻值漂移。根據(jù)Bloch 理論,，自由電子在金屬中的輸送,，猶如由具有晶格周期性的函數(shù)所調(diào)節(jié)的平面波，只有晶格點(diǎn)陣的不完善性才引起金屬的電阻,。RTD（鉑熱電阻）在儲(chǔ)存或使用過程中,，由于組織結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的各種缺陷，逐步使外來原子,、點(diǎn)缺陷和晶粒邊界引起附加散射,；另外，晶格點(diǎn)陣的振動(dòng),、發(fā)射或吸收一個(gè)晶格振動(dòng)能的量子——聲子,，也會(huì)引起電子的散射，因此導(dǎo)致電阻率增加,，RTD （鉑熱電阻）阻值增大
（2）測(cè)溫元件有效電極面積減小,。解剖發(fā)現(xiàn)，樣品部分電極根部燒結(jié)處有效截面積變小,。其原因是電極制備工藝控制不當(dāng),，如基體研磨不平整，清冼不干凈,；電極燒滲工藝條件選取不合理等使電極變形,。同時(shí)，后續(xù)熱處理工藝控制不當(dāng),，也會(huì)造成電極早期老化,。部分電極截面積的變小，使測(cè)溫元件的實(shí)際電極面積減小,，RTD（鉑熱電）阻阻值升高,。
（3）熱循環(huán)時(shí)由于鉑絲和鑲嵌住鉑絲的骨架材料的膨脹系數(shù)不同，在鉑絲中會(huì)產(chǎn)生額外的應(yīng)力電阻,，由此引起幾何尺寸的變化也會(huì)改變其阻值,。特別是當(dāng)其膨脹時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致鉑絲伸長變細(xì)，阻值增加,。
（4）測(cè)溫元件在機(jī)械振動(dòng),，甚至某些并不劇烈的振動(dòng)環(huán)境中，雖然不會(huì)損壞RTD,，但也會(huì)在測(cè)溫元件中引起應(yīng)力,，導(dǎo)致其阻值增加。
4. 第四類樣品的失效機(jī)理
（1）將樣品置于金相顯微鏡下觀察,，發(fā)現(xiàn)電極表面已出現(xiàn)龜裂,，斷面處有層裂痕跡,。因?yàn)镽TD（鉑熱電阻）電極經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后向低溫冷卻過程中，受到的熱應(yīng)力超過一定程度時(shí),，會(huì)在鉑質(zhì)薄膜測(cè)溫元件坯體內(nèi)形成顯微裂紋,。在較為嚴(yán)酷的使用環(huán)境和條件下，如反復(fù)的機(jī)械沖擊,、振動(dòng)，工作溫度的反復(fù)升降和快速變化等,，致使樣品的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步加大,，顯微裂紋蔓延和擴(kuò)展，產(chǎn)生層裂和龜裂,。它們使樣品的機(jī)械強(qiáng)度下降甚至破碎,，同時(shí)使引出電極的附著力下降以至脫落，zui終必然導(dǎo)致其電阻值上升到很高值甚至∞,。
（2）剝離外絕緣層,，發(fā)現(xiàn)鉑絲引出電極與外引出導(dǎo)線的焊接點(diǎn)（錫焊）已嚴(yán)重腐蝕，鉑引出電極已脫落開路,。焊接點(diǎn)腐蝕的原因是：焊接完成后沒有清除焊劑噴涂防腐劑,；測(cè)溫元件組裝時(shí)保護(hù)套管內(nèi)沒有填充絕緣材料（如環(huán)氧樹脂、氧化鎂粉等）,，導(dǎo)致腐蝕性氣體侵入以及工作溫度的反復(fù)升降引起結(jié)露,，加速了焊接點(diǎn)的腐蝕速率。
5. 第五類樣品的失效機(jī)理
（1）對(duì)鉑絲繞制而成的RTD（鉑熱電阻）,，如果封裝工藝不嚴(yán)格或填充物不致密,，則其在軸向和徑向經(jīng)受重復(fù)性振動(dòng)或沖擊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致繞制在骨架上的鉑絲被壓縮或與不銹鋼外套相接觸,，導(dǎo)致相鄰鉑絲間相互接觸或短路,，zui終使阻值減小。
（2）RTD（鉑熱電阻）的絕緣電阻是一個(gè)不容忽視的技術(shù)指標(biāo),，常溫下RTD（鉑熱電阻）的絕緣電阻通常在100MO 以上,，如果絕緣電阻變小則會(huì)給溫度測(cè)量帶來較大的誤差。但是在高溫下,，由于測(cè)溫元件骨架和引出線絕緣瓷管中的離子導(dǎo)電,，造成絕緣下降，導(dǎo)致在鉑電阻絲之間以及引出線之間產(chǎn)生分流和漏電現(xiàn)象,，使電阻值變小,。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在以玻璃,、陶瓷材料為骨架的測(cè)溫元件中,，若制作過程控制不嚴(yán)格,，其高溫絕緣電阻可能只有幾百到幾萬歐姆。
如圖4 所示,，由于測(cè)溫元件骨架和引出線瓷管絕緣電阻下降,，在鉑絲1 之間以及引出線2 之間猶如并聯(lián)了R1、R2,、R3??Rn 電阻,，形成了分流電路。圖5為圖4 的等效電路,，Rt 為測(cè)溫元件電阻,；RJ 為R1、R2,、R3?? Rn 的等效電阻,。
由圖5 可得：



式中，dR/dt 為在溫度為t 時(shí)的微分電阻值（O/℃）,。

根據(jù)式（4）計(jì)算得到的Pt100 高溫絕緣電阻下降引起的溫度誤差如表3 所示,。

（3）RTD（鉑熱電阻）在高溫下使用時(shí)，由于金屬的擴(kuò)散揮發(fā),，會(huì)在測(cè)溫元件的鉑絲之間或在引出線的絕緣瓷管內(nèi)覆蓋一層金屬膜而產(chǎn)生分流現(xiàn)象,，使絕緣電阻下降；另外,，使用時(shí)間較長的鉑電阻測(cè)溫元件骨架材料絕緣性能的變壞以及填充絕緣材料（如氧化鎂粉）的受潮,，也會(huì)引起絕緣電阻下降，造成RTD（鉑熱電阻）的測(cè)量誤差,。
（4）剖開不銹鋼外套,，取出RTD（鉑熱電阻）測(cè)溫元件，將測(cè)溫元件置于電鏡下檢查發(fā)現(xiàn),，鉑引出電極與外引出導(dǎo)線間焊接處的塑料絕緣套管已磨損,，兩電極已短接，使RTD 輸出阻值為0,。
四 結(jié)論及建議
（1）從RTD（鉑熱電阻）的失效機(jī)理分析可知,，振動(dòng)引起的失效占了很大比例。樣品的失效模式及特征主要表現(xiàn)為電阻值增大而導(dǎo)致失效,。對(duì)此,，只要加以注意或減小振動(dòng)幅度及頻率，就能有效地避免此類失效的發(fā)生,。
（2）優(yōu)化RTD（鉑熱電阻）制造工藝,，避免內(nèi)部顯微裂紋及層裂，改善引出電極的制備工藝,，提高引出電極的附著力和強(qiáng)度,；優(yōu)化熱處理?xiàng)l件,，避免引出電極的熱疲勞及過大的機(jī)械應(yīng)力；選擇合理的老化篩選工藝條件,，及早剔除早期失效產(chǎn)品,，提高RTD（鉑熱電阻）的抗疲勞能力。
（3）應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)表明,，RTD（鉑熱電阻）的壽命服從Weibull 分布,，理論上可以預(yù)計(jì)其平均壽命應(yīng)在4×104h 以上，如能合理選用材料和生產(chǎn)工藝,，避免上述超常失效模式發(fā)生,，就可以使RTD（鉑熱電阻）的壽命有所延長，總體可靠性也會(huì)有更大的提高,。
（4）選用高質(zhì)量的RTD鉑熱電阻測(cè)溫元件，結(jié)構(gòu)上采用全鎧裝形式,，優(yōu)選內(nèi)部填充材料,，優(yōu)化填充工藝，增加外導(dǎo)線的柔性和韌性,，提高其抗疲勞和抗沖擊能力,。
（5）改善現(xiàn)場安裝條件：（a）實(shí)驗(yàn)證明，RTD（鉑熱電阻）的測(cè)量誤差隨其插入深度的增加而減少,，因此,，在安裝時(shí)一定要插到底；（b）引出線要留有一定的余地,，以便在振動(dòng)等環(huán)境條件下引出線能承受較大的沖擊和反復(fù)的扭折,；（c）RTD（鉑熱電阻）外徑與安裝孔要盡可能精密配合，改為帶有彈簧結(jié)構(gòu)的螺紋固定方式,，這樣既可使測(cè)溫元件與被測(cè)表面保持緊密接觸,，又可消除RTD鉑熱電阻在安裝孔內(nèi)的串動(dòng)和二次振動(dòng)的形成，減緩RTD鉑熱電阻失效速率,。對(duì)工業(yè)應(yīng)用來說,，通常不要求RTD（鉑熱電阻）具有很高的度和再現(xiàn)性，只要求具有中等度和再現(xiàn)性即可,，但要求在不利的條件下（如振動(dòng),、壓力、磁場,、熱循環(huán)和腐蝕性氣體等）有較好的長期穩(wěn)定性和可靠性,。因此，RTD（鉑熱電阻）的套管及RTD（鉑熱電阻）測(cè)溫元件在套管中的安裝工藝,、方法和現(xiàn)場的正確安裝是非常重要的,。從工業(yè)應(yīng)用中遇到的RTD（鉑熱電阻）損壞情況分析,，大多數(shù)RTD（鉑熱電阻）故障是由于反復(fù)受熱循環(huán)引起尺寸變化導(dǎo)致應(yīng)力集中以及反復(fù)經(jīng)受沖擊和振動(dòng)引起內(nèi)部斷裂或開路。
據(jù)美國軍方發(fā)表的RTD（鉑熱電阻）可靠性數(shù)據(jù)表明,，在RTD（鉑熱電阻）的所有失效模式中,，開路占70%。因此,，除了從工藝上著手提高RTD（鉑熱電阻）總體質(zhì)量外,，良好的工作環(huán)境也是提高RTD（鉑熱電阻）可靠性、延長其使用壽命所*的條件,。
目前安徽天康集團(tuán)可以為水電站進(jìn)口RTD（鉑熱電阻）使用提供產(chǎn)品服務(wù)

     李