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，所有的檢測儀表（如溫度、壓力、流量、液位等檢測儀表）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）測溫元件，發(fā)現(xiàn)這類測溫元件外觀質(zhì)量尚好，未發(fā)現(xiàn)電極間有短路跡象。將測溫元件清冼干凈后重新測量各溫度點(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，而是由測溫元件失效和外力原因造成的。
（1）對(duì)失效測溫元件沿邊緣進(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)給溫度測量帶來較大的誤差。但是在高溫下，由于測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）的測量誤差。
（4）剖開不銹鋼外套，取出RTD（鉑熱電阻）測溫元件，將測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，這樣既可使測溫元件與被測表面保持緊密接觸，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