CrMnTi汽车变速箱齿轮的热处理工艺(完整版)

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20CrMnTi汽车变速箱齿轮的热处理工艺CrMnTi汽车变速箱齿轮的热处理工艺（完整版）(文档可以直接使用，也可根据实际需要修改使用,可编辑欢迎下载）一、学习目标知识目标：·熟悉感应加热表面淬火原理、特点及应用；·了解火焰表面淬火原理、特点及应用；·了解化学热处理过程；·掌握渗碳、渗氮和碳氮共渗原理、特点、常用方法及应用。能力目标：·能根据零件的化学成分、性能要求和技术条件，合理选择表面淬火和化学热处理方法。二、任务引入变速箱齿轮位于汽车传动部分，用于传递扭矩与动力、调整速度。由于传递扭矩，齿根要承受较大的弯曲应力和交变应力；由于变速箱齿轮转速变化范围广，齿轮表面承受较大的接触应力，并在高速下承受强烈的磨擦力；由于工作时不断换档，轮齿之间经常要承受换档造成的冲击与碰撞。这就要求齿轮表面有高硬度和高耐磨性；齿面有高的接触疲劳强度；心部有较高的强度和高韧性。图2-25所示20CrMnTi汽车变速箱齿轮的热处理技术要求如下：1.渗碳层表面含碳量为0.80~1.05％；2.渗碳层深度为0.80~1.3mm；3.淬火回火后齿面硬度为58~62HRC，心部硬度为33~48HRC。图2-25汽车变速箱齿轮简图三、相关知识在机械设备中，有许多零件（如齿轮、曲轴、活塞销等）是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的，这类零件表面需具有高硬度和高耐磨性，而心部需要足够的塑性和韧性。为满足这类零件的性能要求，须进行表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。（一）钢的表面淬火表面淬火是通过快速加热，使钢件表层奥氏体化，然后迅速冷却，使表层形成一定深度的淬硬组织——马氏体，而心部仍保持原来塑性、韧度较好的组织的热处理工艺。在钢的表面淬火法中，感应加热淬火应用最广。1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火时，将工件放在铜管制成的感应器内，即图2-26所示装置中，感应器中通入一定频率的交流电，以产生交变磁场，于是工件内部就会产生频率相同、方向相反的感应电流（涡流）。由于涡流的趋肤效应，使涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面电流密度大，心部电流密度小。感应器中的电流频率越高，涡流越集中于工件表面。由于工件表面涡流产生的热量，使工件表面迅速加热到淬火温度（心部温度仍接近室温），随即喷水快速冷却（合金钢浸油冷却），从而达到了表面淬火的目的。图2-26感应加热淬火示意图1-感应加热圈；2-进水；3-出水；4-淬火喷水套；5、7-水；6-加热淬硬层；8-间隙（1.5~3mm）；9-工件感应加热淬火表面淬硬层的厚度取决于交流电的频率，一般频率高加热深度浅，淬硬层深度也就浅。频率f与加热深度δ的关系采用下面近似经验公式表示：（20℃冷态）（800℃热态）式中：f的单位是Hz；δ的单位是mm。为了得到不同的淬硬层深度，可采用不同频率的电流进行加热，电流频率与淬硬层深度的关系见表2-3。表2-3感应加热淬火的频率选择加热方法频率范围淬硬层深度／mm应用举例高频感应加热200~300kHz1~2在摩擦条件下工作的零件，如小齿轮、小轴等中频感应加热1~10kHz2~10承受扭矩、压力载荷的零件,如曲轴、大齿轮、主轴等工频感应加热50Hz10~15承受扭矩、压力载荷的大型零件，如冷轧辊等2.火焰加热表面淬火应用氧－乙炔或氧－煤气的混合气体燃烧的火焰对零件表面进行快速加热并随之快速冷却的工艺称为火焰加热表面淬火。如图2-27所示。火焰表面淬火的淬硬层深度一般为2~6mm。这种方法的特点是：加热温度及淬硬层深度不易控制，淬火质量不稳定，常造成表层过热，甚至局部熔化。但不需要特殊设备，故适用于单件或小批量生产。图2-27火焰淬火示意图1-喷水管；2-淬硬层；3-工件；4-烧嘴（二）钢的化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种化学元素的原子渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，叫做化学热处理。常用的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗金属等。1.渗碳渗碳是指将工件置于渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。渗碳适用于承受冲击载荷和强烈摩擦的低碳钢或低碳合金钢工件，如汽车和拖拉机的齿轮、凸轮、活塞销等零件。其目的是在保持零件心部高韧性的条件下，得到具有高硬度的表面层，以提高零件的耐磨性和疲劳强度。渗碳层深度一般为0.5~2.0mm，含碳量从表面到心部逐渐减少，表面wc=0.8%~1.1%，心部仍保持原来低碳钢的含碳量。渗碳后必需经淬火和回火处理后，才能达到表面高硬度、心部高韧性的要求。根据渗碳剂不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳及盐浴渗碳三种，目前常用的是前两种，应用最广泛的是气体渗碳。（1）气体渗碳气体渗碳是将工件置于密封的加热炉(如井式渗碳炉)中,通入渗碳气体（如煤气、天然气等）或滴入易于分解和气化的液体（如煤油、丙酮、甲醇等），并加热到渗碳温度（900℃~950℃），使工件在高温渗碳气氛中进行渗碳的一种热处理工艺方法，图2-28为气体渗碳示意图。图2-28气体渗碳示意图1-风扇电动机；2-废气火焰；3-炉盖；4-电阻丝；5-耐热罐；6-工件；7-炉体气体渗碳过程中渗碳剂在高温下分解，产生活性碳原子，其反应式如下：2CO→〔C〕+CO2CH4→2H2+〔C〕CO+H2→H2O+〔C〕随后活性碳原子被工件表面吸收而溶于高温奥氏体中，并向内部扩散形成一定深度的渗碳层。气体渗碳的渗碳层质量好，渗碳过程容易控制，生产率高，劳动条件较好，易于实现机械化和自动化。但设备成本较高，维护调试要求较高，因此不适宜单件和小批量生产。（2）固体渗碳固体渗碳是将工件置于四周填满固体渗碳剂的密封箱中，然后放入加热炉内，加热到900℃~950℃，保温一定时间后出炉空冷的热处理工艺（图2-29）。固体渗碳剂主要由供碳剂(木炭)和催渗剂(碳酸盐如碳酸钡)组成。其活性碳原子是依靠木炭的不完全燃烧所产生的一氧化碳在工件表面分解获得的。因此，固体渗碳实际也是在气体中进行的，故渗碳的基本原理和过程与气体渗碳相似。图2-29固体渗碳装置1-泥封；2-盖；3-试棒；4-零件；5-渗碳剂；6-渗碳箱2.渗氮渗氮又称氮化，将工件置于含氮介质中加热至500℃~560℃时，介质中分解出的活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。其目的是将氮原子渗入工件表面，形成以氮化物为主的渗氮层（渗氮层深度一般为0.6~0.7mm），以提高工件表层的硬度、耐磨、耐蚀和耐疲劳强度等多种性能，广泛应用于承受冲击、交变载荷和强烈摩擦的中碳合金结构钢重要精密零件，如精密机床丝杠、镗床主轴、汽轮机的阀门、阀杆等。渗氮的方法很多，目前应用最多的渗氮方法为气体渗氮和离子渗氮。（1）气体渗氮气体渗氮是将工件放入密闭的炉内，加热到500℃~600℃，通入氨气（NH3），氨气分解出活性氮原子被工件表面吸收，与钢中的合金元素Al、Cr、Mo形成氮化物，并向心部扩散，形成一定厚度的渗层。气体渗氮适用于含有Al、Cr、Mo等合金元素的钢，最常用的渗氮用钢如38CrMoAl、35CrMo、18CrNiW等。渗氮的生产周期长，渗氮层薄而脆，不宜承受集中的重载荷，使渗氮的应用受到一定限制。（2）离子渗氮离子渗氮是工件在密封炉内作阴极，密封炉抽真空后通入氨气，并在相对应的阳极和阴极之间加上500~800V的高压直流电，使氨气电离产生氮离子，在高压电场作用下，氮离子轰击阴极工件表面，在工件表面形成辉光放电并产生高温。氮离子在阴极获得电子后，还原成氮原子，并向工件表层渗入扩散，形成渗氮层。离子渗氮具有速度快、生产周期短（渗氮时间仅为气体渗氮的1/3~1/4）、渗氮层质量高、工件变形小、对材料的适应性强（适用于各种钢、铸铁和钛等金属材料）等优点，目前离子渗氮还存在投资大、装炉量小、测温困难及质量不稳定等问题，需要进一步改进，主要用于要求高的重要精密件。3.碳氮共渗在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗，其目的是提高工件的耐磨性和疲劳强度。目前主要使用的是气体碳氮共渗。气体碳氮共渗又称氰化。高温（820℃~880℃）碳氮共渗，以渗碳为主，气氛中含有一定氮时，碳的渗入速度比相同温度下单独渗碳的速度要高，厚度更深。低温（520℃~580℃）碳氮共渗，以渗氮为主，共渗后表面形成白亮层，可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、抗擦伤的性能。碳氮共渗与渗碳相比，具有加热温度低，零件变形小，生产周期短，渗层具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度等优点，广泛用于自行车、缝纫机、仪表零件，齿轮、轴类等机床、汽车的小型零件，以及模具、量具和刃具等表面处理。四、任务实施根据20CrMnTi变速箱齿轮的工作条件、失效形式及对变速箱齿轮的技术条件要求确定：为消除经过锻造的变速箱齿轮毛坯的内应力、细化晶粒、均匀组织，并改善切削加工性能，为淬火作好组织准备，可采用退火或正火作为预备热处理。由于变速箱齿轮尺寸较小，且厚度较均匀，在正火、退火均可使用的前提下，为提高工作效率，宜选用正火作为预备热处理。因零件硬度较高，除磨削加工之外不宜进行其他形式的切削加工，故最终热处理均安排在半精加工之后，磨削加工之前。采用的最终热处理工艺为：先渗碳，使表面碳含量增加，心部仍维持低的含碳量，保持心部较高的强度和冲击韧性；渗碳之后进行淬火和低温回火，使轮齿表面硬度达到高硬度要求，心部仍维持较低的硬度。变速箱齿轮的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→粗、半精切削加工→渗碳→淬火、低温回火→喷丸处理→加工花键→磨端面→磨齿→最终检验五、能力训练C616车床主轴的热处理工艺主轴在机床上是传递动力的零件，常承受弯曲、扭转、疲劳、冲击载荷，同时在滑动与转动部位受摩擦作用，因此主轴性能要求具有高强度、硬度、足够的韧性及疲劳强度、变形要小。如图2-30所示的C616车床主轴采用45钢制造。图2-30C616车床主轴简图热处理工艺路线为：粗加工→正火→机加工→高频淬火→回火→磨削1.正火：840℃~860℃，1~1.5h后空冷，工艺曲线如图2-31所示。图2-31机床主轴正火工艺曲线图2-32机床主轴高频感应淬火回火工艺曲线2.高频感应淬火：860℃~880℃水冷，220℃~250℃、1.5h回火，硬度为45~50HRC，工艺如图2-32所示。六、经验交流常见热处理缺陷及对策1.过热与过烧工件在热处理时，若加热温度过高或保温时间过长，使奥氏体晶粒显著长大的现象称为过热，过热一般可以用正火来消除。若加热温度接近开始熔化的温度，使晶界处产生熔化或氧化的现象称为过烧，过烧无法挽回，只能报废。2.氧化与脱碳氧化是指工件被加热介质中的O2、CO2、H2O等氧化后，使其表面形成氧化皮的现象。脱碳是指工件表面的碳被加热介质中的O2、CO2、H2O等烧损，使其表面含碳量下降的现象。氧化和脱碳不仅降低工件的表面硬度和疲劳强度，而且增加淬火开裂的倾向。在现代热处理生产中，为防止氧化和脱碳，常采用可控气氛热处理和真空热处理。3.变形和开裂工件在热处理时尺寸和形状发生的变化称为变形。变形是热处理较难解决的问题，一般是将变形量控制在一定范围内。开裂要绝对避免，因为工件开裂后只能报废。为减少和防止变形和开裂，应采取以下措施：正确选用钢材；合理进行结构设计；合理的锻造与预备热处理；采用合理的热处理工艺；冷、热加工密切配合以及正确的操作方法等。连续式炉钢管保护气氛热处理工艺的研究和应用邓尔康摘要：分析了钢管保护气氛热处理炉的保护气氛类型及性能，对钢管保护气氛热处理炉内气氛的化学过程动态分析了无氧化的平衡条件。介绍了保护气氛热处理主要工艺参数的确定及汽车用管、精密结构用管、电站锅炉用管的保护气氛热处理实例分析。

关键词：钢管；保护气氛热处理；气氛类型；热处理工艺参数；钢管性能

中图分类号：TG15文献标识码：B

文章编号：1001－2311（2000）01－0026－05ResearchandApplicationConcerningTechniqueofHeat－TreatingSteelTubesinContinuousFurnacewithProtectiveAtmosphereDENGEr－kang

(ShanghaiSteelTubeCorporation,Ltd.,Shanghai202140,China)Abstract：Analysisismadeontypesandperformancesofprotectiveatmospheresofthesteeltubeheattreatmentfurnacewithprotectiveatmosphere,andalsodynamicanalysisonthenon－oxidationequilibriumconditionsofthechemicalprocessofatmosphereofthesaidfurnaceismade.Inaddition,theauthordescribeshowtosetupthebasicprocessparametersofheattreatmentwithprotectiveatmosphere,andgivesuscaseanalysisconcerningprotectiveatmosphereheattreatmentofautomobiletube,precisionstructuraltubeandpowerstationboilertube.

Keywords：Steeltube;Protectiveatmosphereheattreatment;Atmospheretype;Heattreatmentprocessparameters;Steeltubeperformance0前言随着国民经济的发展，各行各业对钢管提出了更高的质量要求，不仅要求精度高，机械、工艺性能好，同时对钢管的表面状态也提出了更高的要求（即要求钢管表面呈无氧化光亮状态）。

桑塔纳轿车用管采用的是按德国DIN2391，DIN2393标准生产的无缝精密钢管和焊接冷拔冷轧精密钢管。其中，大部分钢管要求按GBK状态交货，即要求进行保护气氛热处理。在开始试制桑塔纳轿车用管时，由于没有进行GBK处理的工艺设备，凡要求GBK处理的钢管只能以光亮拔制软性（即末道冷拔采用小变形量冷拔状态）或低温退火（即钢管表面有少量氧化铁皮存在）状态来供货。天线用30CrMnSiA钢管要求表面无全脱碳层，以满足其高强度的要求，但是在无保护气氛热处理的条件下是难以做到的。用户对冷拔精密结构用无缝钢管，也提出了既要求具有良好的机械性能和工艺性能，又要求具有无氧化的表面状态，所以在钢管生产中采用保护气氛热处理工艺，是一项迫切的新课题，使我公司生产的汽车用管、锅炉用管及其他精密钢管质量水平上一个新的台阶的标志之一。1保护气氛选用保护气氛类型及特点列于表1。表1保护气氛的类型及特点类型特点适用范围放热型气体不完全燃烧；产生成本低，有脱碳；低温易析出碳黑光亮退火吸热型无脱碳，冷却时析出碳黑光亮淬火、退火氮气纯度≥99.95％退火氮基型含氢5％～20％，具有还原性能各类光亮热处理氨分解还原性能好各类光亮热处理氮气是一种惰性气体，无毒安全，是用途广泛的保护气体。当氮气中含氧>0.001％时，就会使钢材氧化和脱碳，所以一般不使用单一的氮气，而加入少量的添加剂，如H2，CO等还原性气体来防止氧化。这种以氮气为主的气氛称为氮基气氛，是广泛使用的钢材热处理用保护气氛，而放热型、吸热型保护气氛在使用中有一定局限性。

目前国外介绍的PSA供氮系统，使用空气制取氮气，纯度>99.5％，只要加入少量添加剂H2就可使氮基气氛具有还原性，其成本很低，比国外传统应用的液氮降低了热处理成本，而效果则同样可靠。

我国近年来使用的氨燃烧法制取含H25％～20％的氮基气氛，已成功应用于工业生产（如上海冶金设计研究院设计的30m3氨燃烧装置）。使用稀释法、氨分解气也可以得到氮基气氛。在具有制氧车间的工厂，其副产品氮气经净化纯度达到99.5％以上，配上一台氨分解装置，用稀释法配制的氮基气氛，可用于钢材的保护气氛热处理生产，且成本低廉。表2列出了1kg液氨用不同方法可提供的氮基气氛及氨分解气量。表21kg液氨可提供的氮基气氛及氨分解气量方法产气量/m3气体成分氨分解2.635含H275％余N2氨然烧4.05含H210％余N2氮稀释法19.75含H210％余N2氨分解气是一种还原性能强的保护气氛，它制取方便、气氛稳定，可用于各类要求高的光亮热处理工艺，但制取成本较高。2连续保护气氛热处理炉工艺分析2.1连续式炉保护气氛用气量的确定

2.1.1清洗炉内空气的用气量估算

当空气中含有5.35％～76％的氨分解气时，点火就会发生爆炸，所以冷炉开炉前必须仔细进行炉内空气的清洗。当空气残留量在安全范围内时，方可点燃火封。其清洗过程是通过不断地送进保护气氛或氮气使炉内含O2量下降，清洗的用气量则随炉型不同而变化。由工艺试验可知，清洗总用气量与炉子的总容积成正比，可用公式估算V=NV0式中V--清洗总用气量，m3；

N--换气次数；

V0--炉膛总容积，m3。

两端炉口开启的连续式炉，其N>20时方能达到清洗炉内空气的要求，使氨分解气安全实现点火操作。如果清洗用气使用氮气或含H2<5％的氨燃烧气，点火操作就更加安全可靠。

2.1.2保护气氛热处理用气量的估算

钢管光亮热处理用气量与炉型、炉膛总容积、生产率、密封形式、气氛纯度要求等因素有关。在连续式保护气氛钢管热处理过程中，为了确保炉内气氛稳定，必要条件是炉子保持微正压。试验证明，耗气量与炉口开启大小成正比例关系，钢管外径愈大，炉口开启愈大，则用气量增加。本炉型可用下列经验公式进行估算V1=2K.B.H式中V1--炉子用气量，m3/h；

K--炉型系数，m3/cm2.h；

B--炉口宽度，cm；

H--炉口帘门开启高度，cm。

经过对各种规格钢管的热处理试验证明，要保持炉内炉气稳定呈微正压状态，应使K=0.04～0.05m3/cm2·h。

2.2炉气与钢管的化学反应

2.2.1加热区炉气与钢管的化学反应

以还原气体H2作为添加剂形成含H2的氮基气氛，氮气是惰性气体，所以气氛为H20－H2的气氛炉中的主要化学反应为2Fe＋O22FeO（1)3Fe＋2O2Fe3O4（2)（3)（4)（5)从化学反应式（1）,（2）可以看到，少量O2的存在也会产生不可逆的氧化反应，而实际生产中又必然会带入空气、水分等氧化性气氛，所以单用工业纯氮保护钢材表面也会产生微量的氧化，甚至生成薄层氧化膜，而不能达到无氧化的光亮状态。因此，必须在氮气中加入适量的还原性添加剂，使炉中通过化学反应改变氧化气氛，从而获得符合无氧化加热条件的保护气氛。

H2进入炉中遇到氧会立即燃烧，去除炉中的残氧（见反应式（3）)。图1是Fe在含H2－H2O氮基气氛中的平衡曲线。化学反应（4），（5）是可逆反应，其反应向哪一边进行取决于[H2]/[H2O]的比值。

图1Fe在含H2－H2O氮基气氛中的平衡曲线

1-氧化区2-还原区温度对反应的影响如图1所示，随着温度的下降，气氛对H2O的氧化敏感性上升。同一比值的保护气氛在高温下呈还原性，化学反应式(4)，(5)向左进行；当温度下降气氛就会呈氧化性，反应向右进行，使钢管氧化。

含H2量对反应的影响。在热处理过程中保护气氛进入炉膛后，通过化学反应，改变原始气氛的组成。H2气与炉口渗入的空气、钢管带入的油污水分发生化学反应生成H2O，从而使炉气中含H2O量增加，改变了[H2]/[H2O]的比值，当超过平衡状态时就会发生氧化反应。所以钢管在热处理前，应很好烘干，以尽量减少随钢管带入的水分。

2.2.2钢管的磷化膜及残余油脂在炉中的化学变化

钢管在冷拔、冷轧加工过程中，有一层磷化膜及工业肥皂或润滑油进行润滑。钢管磷化膜主要组成为Zn3（PO4）2，Fe2Zn（PO4）2，在高温下其化学反应如下Zn3(PO4）2→3ZnO＋P2O5Fe2Zn(PO4)2→2FeO＋ZnO＋P2O5ZnO＋H2→Zn＋H2OFeO＋H2Fe＋H2O在高温下，磷化盐薄膜发生了分解，产生了H2O和氧化物，这也会影响保护气氛的组成。钢管表面残留的油脂均系复杂的碳氢化合物，在炉膛内少氧的条件下加热分解，将产生一种稳定的化合物甲烷（CH4），在炉中进行下列反应CH4＋O2→CO2＋2H2CH4＋H2O→CO＋3H2CH4＋CO2→2CO＋2H2CH4在炉中主要发生还原反应。由于钢管表面磷化膜及残余油脂的影响，使炉子气氛变化为以氮气为基的H2－H2O－CH4保护气氛，所以残留少量的油脂对于气氛是无害的，对改善脱碳还有一定益处。但是，过多的油脂会造成碳黑污染，甚至产生局部渗碳。

2.2.3前室的炉气组成及化学反应

前室是钢管进入加热区炉膛前的过渡段，除与加热区联接附近温度较高外，大部分温度较低，为50～600℃。钢管带入的水分加热蒸发成水蒸气，较高温度区与加热区的化学反应相同，水蒸气及反应产生的气体不断随着保护气氛由加热区向炉口流动并逸出炉口。前室内含H2O的蒸气量较大，系氧化性气氛，但由于钢管处于低温，所以不会发生氧化反应。由于前室的过渡，炉气将带着H2O蒸气不断逸出，从而使加热区炉膛内保持良好的保护气氛。

2.2.4炉内冷却段的炉气与钢管的化学反应

钢管在冷却段处于800～200℃的温度范围。在氮基H2－H2O保护气氛下，主要的化学反应式如下3Fe＋4H2OFe3O4＋4H2Fe＋H2OFeO＋H2为了使炉子具有还原性气氛，使钢管处于平衡曲线的还原区内，从而使钢管表面得到无氧化的光亮状态，冷却段内气氛的[H2]/[H2O]比值应随着钢管温度的下降而提高。整个炉气的[H2]/[H2O]比值也应以冷却段该比值的要求为指标。考虑到操作中钢管内外表面的水分除不尽，以及炉口渗入空气等因素，选用含H2量>10％的氮基气氛比较可行。含H2量高对于保证[H2]/[H2O]比值处于还原区内是有利的，当钢管烘干良好、炉子密封正常时，含H2量5％也可以得到表面呈无氧化光亮状态的钢管。3连续式钢管保护气氛热处理实例分析3.1Φ4mm×0.4mm规格30CrMnSiA天线用无缝钢管的热处理

钢管要求高的强度和弯曲回弹复位性能，故采用高强度的30CrMnSiA钢。由于天线钢管壁薄，表面脱碳会影响钢管的强度和弯曲回弹性能，所以特别要求成品钢管无全脱碳层存在。这在常规钢管退火炉中热处理比较难以达到，用套管退火脱碳情况也不稳定。

钢材不脱碳的热力学条件是实际分压商≤平衡分压商。气氛中O2，H2O，CO2使钢材易于脱碳，CO,H2等还原性气体则不易使钢材脱碳，故选用氨分解气及工业纯氮进行工艺试验，其结果见表3。表3采用氨分解气、工业纯氮作热处理保护气氛的试验结果保护气氛热处理参数脱碳层/mm钢管外壁钢管内壁热处理前热处理后热处理前热处理后氨分解气900℃加热18min0.000.000.07，半脱碳0.01，半脱碳氨分解气800℃加热18min0.000.000.07，半脱碳0.05，半脱碳工业纯氮770℃加热18min0.000.000.03，半脱碳0.02，半脱碳用氨分解气作保护气氛，加热炉内气氛的组成为H2，N2，CH4，H2O，其中CH4是由于钢管表面的残余油脂分解而产生。尽量减少钢管带入的H2O，就能使钢管达到不脱碳的要求。

用工业纯氮（含N2≥99.5％）作保护气氛，热处理时炉内气氛的组成为H2，CH4，H2O，O2，热处理中尽量控制H2O，O2的含量，也能达到不脱碳的要求。

通过工艺试验，决定采用下列方法进行无脱碳热处理：

（1）中间管在Φ23mm×1.5mm以上，采用常规退火，表面脱碳约0.02mm；在Φ23mm×1.5mm以下，采用保护气氛退火，其冷加工总延伸达10～15，原有表面脱碳层通过延伸达到无全脱碳层。

（2）采用工业纯氮作保护气氛。

（3）钢管热处理前在300℃下烘烤4h。

（4）由于在800℃以下化学反应的速度明显减慢，温度愈低，加热时间愈短，愈不易脱碳，故选用770℃加热10min。在AC1附近加热退火还可有效消除加工硬化。

（5）保护气氛流量为15m3/h。

天线用钢管使用保护气氛热处理，能有效控制脱碳的产生，使钢管内外壁均无全脱碳层，（只有半脱碳层0．01mm），满足了用户对质量的要求。

3.2桑塔纳悬架臂的热处理

采用Φ60mm×4mm焊接冷轧精密钢管，牌号St37－2，要求按德国DIN2393焊接冷轧精密钢管标准要求验收，GBK热处理，钢管表面呈光亮状态。

采取的工艺措施：

（1）中间管采用正火热处理（900～930℃加热15min）；

（2）采用氨分解气加工工业纯氮作保护气氛；

（3）干燥钢管；

（4）770℃加热30min；

（5）将保护气流量控制到32m3/h;

（6）钢管热处理前去除内外表面油污。

成品钢管经上海汇众汽车公司重型汽车厂进行复验及冲压、焊接、盐雾、疲劳性能对比试验，均达到DIN2393标准要求，通过了上海大众汽车公司的认可。

3.3Φ20mm×1mm桑塔纳轿车冷却水管用冷拔精密无缝钢管的无氧化退火

我公司1990年开始试制桑塔纳轿车用管时，只能采用常规退火，其尺寸精度和性能都能达到要求，但因无保护气氛热处理工艺装置，钢管表面状态未能达到德国实物质量水平。

现采用无氧化热处理工艺（加热温度900℃，时间13min；氨分解温度800℃，压力0.2～0.4MPa，气流量15m3/h）后，钢管表面呈光亮状态，满足了用户对钢管表面质量的要求，实现了该类钢管的国产化。成品热处理后钢管的性能列于表4。表4钢管性能σb/MPaσs/MPaδ5％扩口50534540合格50535040合格3.4内螺旋高压锅炉钢管的热处理

规格为Φ57．15mm×6．35mm，牌号SA210Al，应用于引进的大型电站锅炉的水冷壁部件，要求按美国ASMESA210M标准生产，钢管内壁有宽2．8mm、高1．1mm、螺旋升角为30°的10条内螺旋筋。由于氧化膜的存在会大大降低钢管的热交换过程，故要求对钢管进行保护气氛热处理（GBK）。

热处理工艺参数：保护气氛含H23％～6％，余为N2（纯度≥995％）；加热温度860～880℃，炉内水套冷却至300℃以下。

热处理后钢管内壁达到无氧化状态，其力学性能、工艺性能列于表5。表5内螺旋高压锅炉管热处理后的力学性能及工艺性能炉号σb/MPaσs/MPaδ％硬度HRB压扁扩口Y-147-75047033540717072合格合格45034534707175合格合格Y-147-76048034034747775合格合格48535040727071合格合格注：牌号SA210Al；规格Φ57.15mm×6.35mm。该锅炉管的各项指标达到了ASMESA210Al标准要求，其表面质量达到了进口实物质量水平，产品由上海锅炉厂加工成水冷壁部件后交华能电力公司上安电厂，用于修理引进的电站锅炉。该10头B型内螺旋锅炉钢管原均由国外进口。4结语（1）钢管保护气氛选用氮基加还原性H2，CO，控制其不同比例，可获得表面无氧化、无全脱碳、光亮的钢管。

（2）将空气制氮机（PSA制氮）配上氨分解提供的还原性气体H2的混合保护气，或液氮气化保护气，用于各类碳钢、合金结构钢钢管的保护气氛热处理，是可靠有效的方法。另外采用国内成熟的氨燃烧制取含H2量5％～20％的氮基气氛是小型炉简单可靠的气体来源。

（3）连续式钢管保护气氛热处理能满足汽车用管、精密结构用管、锅炉用管对钢管表面质量、力学性能和金相组织的要求，符合DIN2391，DIN2393，ASMESA210M，ASMESA213M等标准的规定。作者简介：邓尔康（1939－），男，高级工程师，长期从事钢管工艺及新产品开发工作。

作者单位：邓尔康（上海钢管股份，上海202140电厂分散控制系统故障分析与处理单位：

摘要：归纳、分析了电厂DCS系统出现的故障原因，对故障处理的过程及注意事项进行了说明。为提高分散控制系统可靠性，从管理角度提出了一些预防措施建议，供参考。

关键词：DCS故障统计分析预防措施

随着机组增多、容量增加和老机组自动化化改造的完成，分散控制系统以其系统和网络结构的先进性、控制软件功能的灵活性、人机接口系统的直观性、工程设计和维护的方便性以及通讯系统的开放性等特点，在电力生产过程中得到了广泛应用，其功能在DAS、MCS、BMS、SCS、DEH系统成功应用的基础上，正逐步向MEH、BPC、ETS和ECS方向扩展。但与此同时，分散控制系统对机组安全经济运行的影响也在逐渐增加；因此如何提高分散控制系统的可靠性和故障后迅速判断原因的能力，对机组的安全经济运行至关重要。本文通过对浙江电网机组分散控制系统运行中发生的几个比较典型故障案例的分析处理，归纳出提高分散系统的可靠性的几点建议，供同行参考。

1考核故障统计

浙江省电力行业所属机组，目前在线运行的分散控制系统，有TELEPERM-ME、MOD300，INFI-90，NETWORK-6000，MACSⅠ和MACS-Ⅱ，XDPS-400，A/I。DEH有TOSAMAP-GS/C800，DEH-IIIA等系统。笔者根据各电厂安全简报记载，将近几年因分散控制系统异常而引起的机组故障次数及定性统计于表1

表1热工考核故障定性统计

2热工考核故障原因分析与处理

根据表1统计，结合笔者参加现场事故原因分析查找过程了解到的情况，下面将分散控制系统异常（浙江省电力行业范围内）而引起上述机组设备二类及以上故障中的典型案例分类浅析如下：

2.1测量模件故障典型案例分析

测量模件“异常”引起的机组跳炉、跳机故障占故障比例较高，但相对来讲故障原因的分析查找和处理比较容易，根据故障现象、故障首出信号和SOE记录，通过分析判断和试验，通常能较快的查出“异常”模件。这种“异常”模件有硬性故障和软性故障二种，硬性故障只能通过更换有问题模件，才能恢复该系统正常运行；而软性故障通过对模件复位或初始化，系统一般能恢复正常。比较典型的案例有三种：

（1）未冗余配置的输入/输出信号模件异常引起机组故障。如有台130MW机组正常运行中突然跳机，故障首出信号为“轴向位移大Ⅱ”，经现场检查，跳机前后有关参数均无异常，轴向位移实际运行中未达到报警值保护动作值，本特利装置也未发讯，但LPC模件却有报警且发出了跳机指令。因此分析判断跳机原因为DEH主保护中的LPC模件故障引起，更换LPC模件后没有再发生类似故障。另一台600MW机组，运行中汽机备用盘上“汽机轴承振动高”、“汽机跳闸”报警，同时汽机高、中压主汽门和调门关闭，发电机逆功率保护动作跳闸；随即高低压旁路快开，磨煤机B跳闸，锅炉因“汽包水位低低”MFT。经查原因系＃1高压调门因阀位变送器和控制模件异常，使调门出现大幅度晃动直至故障全关，过程中引起＃1轴承振动高高保护动作跳机。更换＃1高压调门阀位控制卡和阀位变送器后，机组启动并网，恢复正常运行。

（2）冗余输入信号未分模件配置，当模件故障时引起机组跳闸：如有一台600MW机组运行中汽机跳闸，随即高低压旁路快开，磨煤机B和D相继跳闸，锅炉因“炉膛压力低低”MFT。当时因系统负荷紧张，根据SOE及DEH内部故障记录，初步判断的跳闸原因而强制汽机应力保护后恢复机组运行。二日后机组再次跳闸，全面查找分析后，确认2次机组跳闸原因均系DEH系统三路“安全油压力低”信号共用一模件，当该模件异常时导致汽轮机跳闸，更换故障模件后机组并网恢复运行。另一台200MW机组运行中，汽包水位高Ⅰ值，Ⅱ值相继报警后MFT保护动作停炉。查看CRT上汽包水位，2点显示300MM，另1点与电接点水位计显示都正常。进一步检查显示300MM的2点汽包水位信号共用的模件故障，更换模件后系统恢复正常。针对此类故障，事后热工所采取的主要反事故措施，是在检修中有针对性地对冗余的输入信号的布置进行检查，尽可能地进行分模件处理。

（3）一块I/O模件损坏，引起其它I/O模件及对应的主模件故障：如有台机组“CCS控制模件故障"及“一次风压高低”报警的同时，CRT上所有磨煤机出口温度、电流、给煤机煤量反馈显示和总煤量百分比、氧量反馈，燃料主控BTU输出消失，F磨跳闸（首出信号为“一次风量低”）。4分钟后CRT上磨煤机其它相关参数也失去且状态变白色，运行人员手动MFT（当时负荷410MW）。经检查电子室制粉系统过程控制站（PCU01柜MOD4）的电源电压及处理模件底板正常，二块MFP模件死机且相关的一块CSI模件（（模位1-5-3，有关F磨CCS参数）故障报警，拔出检查发现其5VDC逻辑电源输入回路、第4输出通道、连接MFP的I/O扩展总线电路有元件烧坏（由于输出通道至BCS（24VDC），因此不存在外电串入损坏元件的可能）。经复位二块死机的MFP模件，更换故障的CSI模件后系统恢复正常。根据软报警记录和检查分析，故障原因是CSI模件先故障，在该模件故障过程中引起电压波动或I/O扩展总线故障，导致其它I/O模件无法与主模件MFP03通讯而故障，信号保持原值，最终导致主模件MFP03故障（所带A-F磨煤机CCS参数），CRT上相关的监视参数全部失去且呈白色。

2.2主控制器故障案例分析

由于重要系统的主控制器冗余配置，大大减少了主控制器“异常”引发机组跳闸的次数。主控制器“异常”多数为软故障，通过复位或初始化能恢复其正常工作，但也有少数引起机组跳闸，多发生在双机切换不成功时，如：

（1）有台机组运行人员发现电接点水位计显示下降，调整给泵转速无效，而CRT上汽包水位保持不变。当电接点水位计分别下降至甲-300mm，乙-250mm，并继续下降且汽包水位低信号未发，MFT未动作情况下，值长令手动停炉停机，此时CRT上调节给水调整门无效，就地关闭调整门；停运给泵无效，汽包水位急剧上升，开启事故放水门，甲、丙给泵开关室就地分闸，油泵不能投运。故障原因是给水操作站运行DPU死机，备用DPU不能自启动引起。事后热工对给泵、引风、送风进行了分站控制，并增设故障软手操。

（2）有台机组运行中空预器甲、乙挡板突然关闭，炉膛压力高MFT动作停炉；经查原因是风烟系统I/O站DPU发生异常，工作机向备份机自动切换不成功引起。事后电厂人员将空预器烟气挡板甲1、乙1和甲2、乙2两组控制指令分离，分别接至不同的控制站进行控制，防止类似故障再次发生。

2.3DAS系统异常案例分析

DAS系统是构成自动和保护系统的基础，但由于受到自身及接地系统的可靠性、现场磁场干扰和安装调试质量的影响，DAS信号值瞬间较大幅度变化而导致保护系统误动，甚至机组误跳闸故障在我省也有多次发生，比较典型的这类故障有：

（1）模拟量信号漂移：为了消除DCS系统抗无线电干扰能力差的缺陷，有的DCS厂家对所有的模拟量输入通道加装了隔离器，但由此带来部分热电偶和热电阻通道易电荷积累，引起信号无规律的漂移，当漂移越限时则导致保护系统误动作。我省曾有三台机组发生此类情况（二次引起送风机一侧马达线圈温度信号向上漂移跳闸送风机，联跳引风机对应侧），但往往只要松一下端子板接线（或拆下接线与地碰一下）再重新接上，信号就恢复了正常。开始热工人员认为是端子柜接地不好或者I/O屏蔽接线不好引起，但处理后问题依旧。厂家多次派专家到现场处理也未能解决问题。后在机组检修期间对系统的接地进行了彻底改造，拆除原来连接到电缆桥架的AC、DC接地电缆；柜内的所有备用电缆全部通过导线接地；UPS至DCS电源间增加1台20kVA的隔离变压器，专门用于系统供电，且隔离变压器的输出端N线与接地线相连，接地线直接连接机柜作为系统的接地。同时紧固每个端子的接线；更换部份模件并将模件的软件版本升级等。使漂移现象基本消除。

（2）DCS故障诊断功能设置不全或未设置。信号线接触不良、断线、受干扰，使信号值瞬间变化超过设定值或超量程的情况，现场难以避免，通过DCS模拟量信号变化速率保护功能的正确设置，可以避免或减少这类故障引起的保护系统误动。但实际应用中往往由于此功能未设置或设置不全，使此类故障屡次发生。如一次风机B跳闸引起机组RB动作，首出信号为轴承温度高。经查原因是由于测温热电阻引线是细的多股线，而信号电缆是较粗的单股线，两线采用绞接方式，在震动或外力影响下连接处松动引起轴承温度中有点信号从正常值突变至无穷大引起（事后对连接处进行锡焊处理）。类似的故障有：民工打扫现场时造成送风机轴承温度热电阻接线松动引起送风机跳闸；轴承温度热电阻本身损坏引起一次风机跳闸；因现场干扰造成推力瓦温瞬间从99℃突升至117℃，1秒钟左右回到99℃，由于相邻第八点已达85℃，满足推力瓦温度任一点105℃同时相邻点达85℃跳机条件而导致机组跳闸等等。预防此类故障的办法，除机组检修时紧固电缆和电缆接线，并采用手松拉接线方式确认无接线松动外，是完善DCS的故障诊断功能，对参与保护连锁的模拟量信号，增加信号变化速率保护功能尤显重要（一当信号变化速率超过设定值，自动将该信号退出相应保护并报警。当信号低于设定值时，自动或手动恢复该信号的保护连锁功能）。

（3）DCS故障诊断功能设置错误：我省有台机组因为电气直流接地，保安1A段工作进线开关因跳闸，引起挂在该段上的汽泵A的工作油泵A连跳，油泵B连锁启动过程中由于油压下降而跳汽泵A，汽泵B升速的同时电泵连锁启动成功。但由于运行操作速度过度，电泵出口流量超过量程，超量程保护连锁开再循环门，使得电泵实际出水小，B泵转速上升到5760转时突然下降1000转左右（事后查明是抽汽逆止阀问题），最终导致汽包水位低低保护动作停炉。此次故障是信号超量程保护设置不合理引起。一般来说，DAS的模拟量信号超量程、变化速率大等保护动作后，应自动撤出相应保护，待信号正常后再自动或手动恢复保护投运。

2.4软件故障案例分析

分散控制系统软件原因引起的故障，多数发生在投运不久的新软件上，运行的老系统发生的概率相对较少，但一当发生，此类故障原因的查找比较困难，需要对控制系统软件有较全面的了解和掌握，才能通过分析、试验，判断可能的故障原因，因此通常都需要厂家人员到现场一起进行。这类故障的典型案例有三种：

（1）软件不成熟引起系统故障：此类故障多发生在新系统软件上，如有台机组80%额定负荷时，除DEH画面外所有DCS的CRT画面均死机（包括两台服务器），参数显示为零，无法操作，但投入的自动系统运行正常。当时采取的措施是：运行人员就地监视水位，保持负荷稳定运行，热工人员赶到现场进行系统重启等紧急处理，经过30分钟的处理系统恢复正常运行。故障原因经与厂家人员一起分析后，确认为DCS上层网络崩溃导致死机，其过程是服务器向操作员站发送数据时网络阻塞，引起服务器与各操作员站的连接中断，造成操作员站读不到数据而不停地超时等待，导致操作员站图形切换的速度十分缓慢（网络任务未死）。针对管理网络数据阻塞情况，厂家修改程序考机测试后进行了更换。另一台机组曾同时出现4台主控单元“白灯”现象，现场检查其中2台是因为A机备份网停止发送，1台是A机备份网不能接收，1台是A机备份网收、发数据变慢（比正常的站慢几倍）。这类故障的原因是主控工作机的网络发送出现中断丢失，导致工作机发往备份机的数据全部丢失，而双机的诊断是由工作机向备份机发诊断申请，由备份机响应诊断请求，工作机获得备份机的工作状态，上报给服务器。由于工作机的发送数据丢失，所以工作机发不出申请，也就收不到备份机的响应数据，认为备份机故障。临时的解决方法是当长时间没有正确发送数据后，重新初始化硬件和软件，使硬件和软件从一个初始的状态开始运行，最终通过更新现场控制站网络诊断程序予以解决。

（2）通信阻塞引发故障：使用TELEPERM-ME系统的有台机组，负荷300MW时,运行人员发现煤量突减，汽机调门速关且CRT上所有火检、油枪、燃油系统均无信号显示。热工人员检查发现机组EHF系统一柜内的I/OBUS接口模件ZT报警灯红闪，操作员站与EHF系统失去偶合，当试着从工作站耦合机进入OS250PC软件包调用EHF系统时，提示不能访问该系统。通过查阅DCS手册以及与SIEMENS专家间的分析讨论，判断故障原因最大的可能是在三层CPU切换时，系统处理信息过多造成中央CPU与近程总线之间的通信阻塞引起。根据商量的处理方案于当晚11点多在线处理，分别按三层中央柜的同步模件的SYNC键，对三层CPU进行软件复位：先按CPU1的SYNC键，相应的红灯亮后再按CPU2的SYNC键。第二层的同步红灯亮后再按CPU3的同步模件的SYNC键，按3秒后所有的SYNC的同步红灯都熄灭，系统恢复正常。

（3）软件安装或操作不当引起：有两台30万机组均使用ConductorNT5.0作为其操作员站，每套机组配置3个SERVER和3个CLIENT，三个CLIENT分别配置为大屏、值长站和操作员站,机组投运后大屏和操作员站多次死机。经对全部操作员站的SERVER和CLIENT进行全面诊断和多次分析后，发现死机的原因是：1)一台SERVER因趋势数据文件错误引起它和挂在它上的CLIENT在当调用趋势画面时画面响应特别缓慢（俗称死机）。在删除该趋势数据文件后恢复正常。2)一台SERVER因文件类型打印设备出错引起该SERVER的内存全部耗尽，引起它和挂在它上的CLIENT的任何操作均特别缓慢，这可通过任务管理器看到DEV.EXE进程消耗掉大量内存。该问题通过删除文件类型打印设备和重新组态后恢复正常。3)两台大屏和工程师室的CLIENT因声音程序没有正确安装，当有报警时会引起进程CHANGE.EXE调用后不能自动退出，大量的CHANGE.EXE堆积消耗直至耗尽内存，当内存耗尽后，其操作极其缓慢（俗称死机）。重新安装声音程序后恢复正常。此外操作员站在运行中出现的死机现象还有二种：一种是鼠标能正常工作，但控制指令发不出，全部或部分控制画面不会刷新或无法切换到另外的控制画面。这种现象往往是由于CRT上控制画面打开过多，操作过于频繁引起，处理方法为用鼠标打开VMS系统下拉式菜单，RESET应用程序，10分钟后系统一般就能恢复正常。另一种是全部控制画面都不会刷新，键盘和鼠标均不能正常工作。这种现象往往是由操作员站的VMS操作系统故障引起。此时关掉OIS电源，检查各部分连接情况后再重新上电。如果不能正常启动，则需要重装VMS操作系统；如果故障诊断为硬件故障，则需更换相应的硬件。

（4）总线通讯故障：有台机组的DEH系统在准备做安全通道试验时，发现通道选择按钮无法进入，且系统自动从“高级”切到“基本级”运行，热控人员检查发现GSE柜内的所有输入/输出卡(CSEA/CSEL)的故障灯亮,经复归GSE柜的REG卡后，CSEA/CSEL的故障灯灭，但系统在重启“高级”时，维护屏不能进入到正常的操作画面呈死机状态。根据报警信息分析，故障原因是系统存在总线通讯故障及节点故障引起。由于阿尔斯通DEH系统无冗余配置，当时无法处理，后在机组调停时，通过对基本级上的REG卡复位，系统恢复了正常。

（5）软件组态错误引起：有台机组进行#1中压调门试验时，强制关闭中间变量IV1RCO信号，引起#1-#4中压调门关闭，负荷从198MW降到34MW，再热器压力从2.04MP升到4.0Mpa,再热器安全门动作。故障原因是厂家的DEH组态，未按运行方式进行，流量变量本应分别赋给IV1RCO-IV4RCO，实际组态是先赋给IV1RCO，再通过IV1RCO分别赋给IV2RCO-IV4RCO。因此当强制IV1RCO=0时，所有调门都关闭，修改组态文件后故障消除。

2.5电源系统故障案例分析

DCS的电源系统，通常采用1:1冗余方式（一路由机组的大UPS供电，另一路由电厂的保安电源供电），任何一路电源的故障不会影响相应过程控制单元内模件及现场I/O模件的正常工作。但在实际运行中，子系统及过程控制单元柜内电源系统出现的故障仍为数不少，其典型主要有：

（1）电源模件故障：电源模件有电源监视模件、系统电源模件和现场电源模件3种。现场电源模件通常在端子板上配有熔丝作为保护，因此故障率较低。而前二种模件的故障情况相对较多：1）系统电源模件主要提供各不同等级的直流系统电压和I/O模件电压。该模件因现场信号瞬间接地导致电源过流而引起损坏的因素较大。因此故障主要检查和处理相应现场I/O信号的接地问题，更换损坏模件。如有台机组负荷520MW正常运行时MFT，首出原因“汽机跳闸"。CRT画面显示二台循泵跳闸，备用盘上循泵出口阀＜86°信号报警。5分钟后运行巡检人员就地告知循泵A、B实际在运行，开关室循泵电流指示大幅晃动且A大于B。进一步检查机组PLC诊断画面，发现控制循泵A、B的二路冗余通讯均显示“出错”。43分钟后巡检人员发现出口阀开度小就地紧急停运循泵A、B。事后查明A、B两路冗余通讯中断失去的原因，是为通讯卡提供电源支持的电源模件故障而使该系统失电，中断了与PLC主机的通讯，导致运行循泵A、B状态失去，凝汽器保护动作，机组MFT。更换电源模件后通讯恢复正常。事故后热工制定的主要反事故措施，是将两台循泵的电流信号由PLC改至DCS的CRT显示，消除通信失去时循泵运行状态无法判断的缺陷；增加运行泵跳闸关其出口阀硬逻辑（一台泵运行，一台泵跳闸且其出口阀开度＞30度，延时15秒跳运行泵硬逻辑；一台泵运行，一台泵跳闸且其出口阀开度＞0度，逆转速动作延时30秒跳运行泵硬逻辑）；修改凝汽器保护实现方式。2）电源监视模件故障引起：电源监视模件插在冗余电源的中间，用于监视整个控制站电源系统的各种状态，当系统供电电压低于规定值时，它具有切断电源的功能，以免损坏模件。另外它还提供报警输出触点，用于接入硬报警系统。在实际使用中，电源监视模件因监视机箱温度的2个热敏电阻可靠性差和模件与机架之间接触不良等原因而故障率较高。此外其低电压切断电源的功能也会导致机组误跳闸，如有台机组满负荷运行，BTG盘出现“CCS控制模件故障”报警，运行人员发现部分CCS操作框显示白色，部分参数失去，且对应过程控制站的所有模件显示白色，6s后机组MFT，首出原因为“引风机跳闸”。约2分钟后CRT画面显示恢复正常。当时检查系统未发现任何异常（模件无任何故障痕迹，过程控制站的通讯卡切换试验正常）。机组重新启动并网运行也未发现任何问题。事后与厂家技术人员一起专题分析讨论，并利用其它机组小修机会对控制系统模拟试验验证后，认为事件原因是由于该过程控制站的系统供电电压瞬间低于规定值时，其电源监视模件设置的低电压保护功能作用切断了电源，引起控制站的系统电源和24VDC、5VDC或15VDC的瞬间失去，导致该控制站的所有模件停止工作（现象与曾发生过的24VDC接地造成机组停机事件相似），使送、引风机调节机构的控制信号为0，送风机动叶关闭（气动执行机构），引风机的电动执行机构开度保持不变（保位功能），导致炉膛压力低，机组MFT。

（2）电源系统连接处接触不良：此类故障比较典型的有：1）电源系统底板上5VDC电压通常测量值在5.10～5.20VDC之间，但运行中测量各柜内进模件的电压很多在5V以下，少数跌至4.76VDC左右，引起部分I/O卡不能正常工作。经查原因是电源底板至电源母线间连接电缆的多芯铜线与线鼻子之间，表面上接触比较紧，实际上因铜线表面氧化接触电阻增加，引起电缆温度升高，压降增加。在机组检修中通过对所有5VDC电缆铜线与线鼻子之间的焊锡处理，问题得到解决。2）MACS-ⅠDCS运行中曾在两个月的运行中发生2M801工作状态显示故障而更换了13台主控单元，但其中的多数离线上电测试时却能正常启动到工作状态，经查原因是原主控5V电源，因线损和插头耗损而导致电压偏低；通过更换主控间的冗余电缆为预制电缆；现场主控单元更换为2M801E-D01，提升主控工作电源单元电压至5.25V后基本恢复正常。3）有台机组负荷135MW时，给水调门和给水旁路门关小，汽包水位急速下降引发MFT。事后查明原因是给水调门、给水旁路门的端子板件电源插件因接触不良，指令回路的24V电源时断时续，导致给水调门及给水旁路门在短时内关下，汽包水位急速下降导致MFT。4）有台机组停炉前，运行将汽机控制从滑压切至定压后，发现DCS上汽机调门仍全开，主汽压力4260kpa，SIP上显示汽机压力下降为1800kpa，汽机主保护未动作，手动拍机。故障原因系汽机系统与DCS、汽机显示屏通讯卡件BOX1电源接触点虚焊、接触不好，引起通讯故障，使DCS与汽机显示屏重要数据显示不正常，运行因汽机重要参数失准手动拍机。经对BOX1电源接触点重新焊接后通讯恢复。5）循泵正常运行中曾发出#2UPS失电报警，20分钟后对应的#3、#4循泵跳闸。由于运行人员处理及时，未造成严重后果。热工人员对就地进行检查发现#2UPS输入电源插头松动，导致#2UPS失电报警。进行专门试验结果表明，循泵跳闸原因是UPS输入电源失去后又恢复的过程中，引起PLC输入信号抖动误发跳闸信号。

（3）UPS功能失效：有台机组呼叫系统的喇叭有杂音，通信班人员关掉该系统的主机电源查原因并处理。重新开启该主机电源时，呼叫系统杂音消失，但集控室右侧CRT画面显示全部失去，同时MFT信号发出。经查原因是由于呼叫系统主机电源接至该机组主UPS，通讯人员在带载合开关后，给该机组主UPS电源造成一定扰动，使其电压瞬间低于195V，导致DCS各子系统后备UPS启动，但由于BCS系统、历史数据库等子系统的后备UPS失去带负荷能力（事故后试验确定），造成这些系统失电，所有制粉系统跳闸，机组由于“失燃料”而MFT。

（4）电源开关质量引起：电源开关故障也曾引起机组多次MFT，如有台机组的发电机定冷水和给水系统离线，汽泵自行从“自动”跳到“手动”状态；在MEH上重新投入锅炉自动后，汽泵无法增加流量。1分钟后锅炉因汽包水位低MFT动作。故障原因经查是DCS给水过程控制站二只电源开关均烧毁，造成该站失电，导致给水系统离线，无法正常向汽泵发控制信号，最终锅炉因汽包水位低MFT动作。

2.6SOE信号准确性问题处理

一旦机组发生MFT或跳机时，运行人员首先凭着SOE信号发生的先后顺序来进行设备故障的判断。因此SOE记录信号的准确性，对快速分析查找出机组设备故障原因有着很重要的作用。这方面曾碰到过的问题有：

（1）SOE信号失准：由于设计等原因，基建接受过来的机组，SOE信号往往存在着一些问题（如SOE系统的信号分辨力达不到指标要求却因无测试仪器测试而无法证实，信号源不是直接取自现场，描述与实际不符，有些信号未组态等等），导致SOE信号不能精确反映设备的实际动作情况。有台机组MFT时，光字牌报警“全炉膛灭火”，检查DCS中每层的3/4火检无火条件瞬间成立，但SOE却未捉捕到“全炉膛灭火”信号。另一台机组MFT故障，根据运行反映，首次故障信号显示“全炉膛灭火”，同时有“DCS电源故障”报警，但SOE中却未记录到DCS电源故障信号。这使得SOE系统在事故分析中的作用下降，增加了查明事故原因的难度。为此我省各电厂组织对SOE系统进行全面核对、整理和完善，尽量做到SOE信号都取自现场，消除SOE系统存在的问题。同时我们专门开发了SOE信号分辨力测试仪，经浙江省计量测试院测试合格后，对全省所属机组SOE系统分辨力进行全部测试，掌握了我省DCS的SOE系统分辨力指标不大于1ms的有四家，接近1ms的有二家，4ms的有一家。

（2）SOE报告内容凌乱：某电厂两台30万机组的INFI-90分散控制系统，每次机组跳闸时生成的多份SOE报告内容凌乱，启动前总是生成不必要的SOE报告。经过1）调整SEM执行块参数，把触发事件后最大事件数及触发事件后时间周期均适当增大。2）调整DSOEPoint清单，把每个通道的SimpleTrigger由原来的BOTH改为0TO1，RecordableEvent。3）重新下装SEM组态后，问题得到了解决。

（3）SOE报表上出现多个点具有相同的时间标志：对于INFI-90分散控制系统，可能的原因与处理方法是：1）某个SET或SED模件被拔出后在插入或更换，导致该子模件上的所有点被重新扫描并且把所有状态为1的点（此时这些点均有相同的跳闸时间）上报给SEM。2）某个MFP主模件的SOE缓冲区设置太小产生溢出，这种情况下，MFP将会执行内部处理而复位SOE，导致其下属的所有SET或SED子模件中，所有状态为1的点（这些点均有相同跳闸时间）上报给了SEM模件。处理方法是调整缓冲区的大小（其值由FC241的S2决定，一般情况下调整为100）。3）SEM收到某个MFP的事件的时间与事件发生的时间之差大于设定的最大等待时间(由FC243的S5决定)，则SEM将会发一个指令让对应的MFP执行SOE复位，MFP重新扫描其下属的所有SOE点，且将所有状态为1的点（这些点均有相同的跳闸时间）上报给SEM，。在环路负荷比较重的情况下（比如两套机组通过中央环公用一套SEM模件），可适当加大S5值，但最好不要超过60秒。

2.7控制系统接线原因

控制系统接线松动、错误而引起机组故障的案例较多，有时此类故障原因很难查明。此类故障虽与控制系统本身质量无关，但直接影响机组的安全运行，如：

（1）接线松动引起：有台机组负荷125MW，汽包水位自动调节正常，突然给水泵转速下降，执行机构开度从64%关至5%左右，同时由于给水泵模拟量手站输出与给水泵液偶执行机构偏差大（大于10%自动跳出）给水自动调节跳至手动，最低转速至1780rpm，汽包水位低低MFT动作。原因经查是因为给水泵液偶执行机构与DCS的输出通道信号不匹配，在其之间加装的信号隔离器，因24VDC供电电源接线松动失电引起。紧固接线后系统恢复正常。事故后对信号隔离器进行了冗余供电。

（2）接线错误引起：某#2机组出力300MW时,#2B汽泵跳闸(无跳闸原因首出、无大屏音响报警)，机组RB动作，#2E磨联锁跳闸，电泵自启，机组被迫降负荷。由于仅有ETS出口继电器动作记录,无#2B小机跳闸首出和事故报警，且故障后的检查试验系统都正常，当时原因未查明。后机组检修复役前再次发生误动时，全面检查小机现场紧急跳闸按钮前接的是电源地线，跳闸按钮后至PLC，而PLC后的电缆接的是220V电源火线，拆除跳闸按钮后至PLC的电缆,误动现象消除，由此查明故障原因是是跳闸按钮后至PLC的电缆发生接地，引起紧急跳闸系统误动跳小机。

（3）接头松动引起：一台机组备用盘硬报警窗处多次出现“主机EHC油泵2B跳闸”和“开式泵2A跳闸”等信号误报警，通过CRT画面检查发现PLC的A路部分I/O柜通讯时好时坏，进一步检查发现机侧PLC的3A、4、5A和6的4个就地I/O柜二路通讯同时时好时坏，与此同时机组MFT动作，首出原因为汽机跳闸。原因是通讯母线B路在PLC4柜内接头和PLC5、PLC4柜本身的通讯分支接头有轻微松动，通过一系列的紧固后通讯恢复正常。

针对接线和接头松动原因引起的故障，我省在基建安装调试和机组检修过程中，通过将手松拉接线以以确认接线是否可靠的方法，列入质量验收内容，提高了接线质量，减少了因接线质量引起的机组误动。同时有关电厂制定了热工控设备通讯电缆随机组检修紧固制度，完善控制逻辑，提高了系统的可靠性。

2.8控制系统可靠性与其它专业的关系

需要指出的是MFT和ETS保护误动作的次数，与有关部门的配合、运行人员对事故的处理能力密切相关，类似的故障有的转危为安，有的导致机组停机。一些异常工况出现或辅机保护动作，若运行操作得当，本可以避免MFT动作（如有台机组因为给煤机煤量反馈信号瞬时至零，30秒后逻辑联锁磨煤机热风隔离挡板关闭，引起一次风流量急降和出口风温持续下跌，热风调节挡板自动持续开至100%，冷风调节挡板由于前馈回路的作用而持续关小，使得一次风流量持续下降。但由于热风隔离挡板有卡涩，关到位信号未及时发出，使得一次风流量小至造成磨煤机中的煤粉积蓄，第5分钟时运行减少了约10%的煤量，约6分钟后热风隔离挡板突然关到位，引起一次风流量的再度急剧下降，之后按设计连锁逻辑，冷风隔离挡板至全开，使得一次风流量迅速增大，并将磨煤机C中的蓄煤喷向炉膛，造成锅炉燃烧产生局部小爆燃，引风机自动失控于这种异常情况，在三个波的扰动后（约1分钟），炉膛压力低低MFT。当时MFT前7分钟的异常工况运行过程中，只要停运该台磨煤机就可避免MFT故障的发生）。此外有关部门与热工良好的配合，可减少或加速一些误动隐患的消除；因此要减少机组停组次数，除热工需在提高设备可靠性和自身因素方面努力外，还需要热工和机务的协调配合和有效工作，达到对热工自动化设备的全方位管理。需要运行人员做好事故预想，完善相关事故操作指导，提高监盘和事故处理能力。

3提高热工自动化系统可靠性的建议

随着热工系统覆盖机、电、炉运行的所有参数，监控功能和范围的不断扩大以及机组运行特点的改变和DCS技术的广泛应用，热控自动化设备已由原先的配角地位转变为决定机组安全经济运行的主导因素，其任一环节出现问题，都有导致热控装置部分功能失效或引发系统故障，机组跳闸、甚至损坏主设备的可能。因此如何通过科学的基础管理，确保所监控的参数准确、系统运行可靠是热工安全生产工作中的首要任务。在收集、总结、吸收同仁们自动化设备运行检修、管理经验和保护误动误动原因分析的基础上，结合热工监督工作实践，对提高热工保护系统可靠性提出以下建议，供参考：

3.1完善热工自动化系统

（1）解决操作员站电源冗余问题：过程控制单元柜的电源系统均冗余配置，但所有操作员站的电源通常都接自本机组的大UPS，不提供冗余配置。如果大UPS电压波动，将可能引起所有操作员站死机而不得不紧急停运机组，但由于死机后所有信号都失去监视，停机也并非易事。为避免此类问题发生，建议将每台机组的部份操作员站与另一台机组的大UPS交叉供电，以保证当本机大UPS电压波动时，仍有2台OIS在正常运行。

（2）对硬件的冗余配置情况进行全面核查，重要保护信号尽可能采取三取二方式，消除同参数的多信号处理和互为备用设备的控制回路未分模件、分电缆或分电源（对互为备用的设备）现象，减少一模件故障引起保护系统误动的隐患。

（3）做好软报警信号的整理：一台600MW机组有近万个软报警点，这些软报警点往往未分级处理，存在许多描述错误，报警值设置不符设计，导致操作画面上不断出现大量误报警，使运行人员疲倦于报警信号，从而无法及时发现设备异常情况，也无法通过软报警去发现、分析问题。为此组织对软报警点的核对清理，整理并修改数据库里软报警量程和上、下限报警值；通过数据库和在装软件逻辑的比较，矫正和修改错误描述，删除操作员站里重复和没有必要的软报警点，对所有软报警重新进行分组、分级，采用不同的颜色并开通操作员站声音报警，进行报警信号的综合应用研究，使软报警在运行人员监盘中发挥作用。

（4）合理设置进入保护联锁系统的模拟量定值信号故障诊断功能的处理，如信号变化速率诊断处理功能的利用，可减少因接线松动、干扰信号或设备故障引起的信号突变导致系统故障的发生，未设置的应增加设置。

（5）继续做好热工设备电源回路的可靠性检查工作，对重要的保护装置及DCS、DEH系统，定期做好电源切换试验工作，减少或避免由于电源系统问题引起机组跳机等情况发生。

（6）加强对测量设备现场安装位置和测量管路敷设的检查，消除不满足规程要求隐患，避免管路积水和附加的测量误差，导致机组运行异常工况的再次发生。

（7）加强对电缆防损、和敷设途径的防火、防高温情况检查，不符要求处要及时整改，尤其是燃机机组，要避免因烟道漏气烧焦电缆，导致跳机故障的发生。

（8）电缆绝缘下降、接线不规范（松动、毛刺等）、通讯电缆接头松动、信号线拆除后未及时恢复等，引起热工系统异常情况的屡次发生，表明随着机组运行时间的延伸，电缆原先紧固的接头和接线，可能会因气候、氧化等因素而引起松动，电缆绝缘可能会因老化而下降。为避免此类故障的发生，各电厂应将热工重要系统电缆的绝缘测量、电缆接线和通讯电缆接头紧固、消除接线外露现象等，列入机组检修的热工常规检修项目中，并进行抽查验收，对所有接线用手松拉，确认接线紧固，消除接线松动而引发保护系统误动的隐患。

（9）开展热工保护、连锁信号取样点可靠性、保护逻辑条件及定值合理性的全面梳理评估工作，经过论证确认，进行必要的整改，（如给泵过量程信号设计为开再循环门的，可能会引起系统异常，应进行修改）。完善机组的硬软报警、报警分级处理及定值核对，确保其与经审核颁发的热工报警、保护定值表相符。保警信号综合利用

3.2加强热控自动化系统的运行维护管理

（1）模件吹扫：有些DCS的模件对灰和静电比较敏感，如果模件上的积灰较多可能会造成该模件的部分通道不能正常工作甚至机组MFT，如我省曾有台机组，一个月内相继5次MFT，前四次MFT动作因GPS校时软件有问题，导致历史库、事故追忆、SOE记录时间不一致，事故原因未能查明。在GPS校时软件问题得到处理后发生第五次MFT时，根据记录查明MFT动作原因系DCS主控单元一内部模件未进行喷涂绝缘漆处理，表面积灰严重使内部模件板上元器件瞬间导通，导致控制单元误发网络信号引起。更换该控制单元模件和更改组态软件后，系统恢复正常运行。因此要做好电子室的孔洞封堵，保持空气的清洁度，停机检修时及时进行模件的清扫。但要注意，有些机组的DCS模件吹扫、清灰后，往往发生故障率升高现象（有电厂曾发生过内部电容爆炸事件），其原因可能与拨插模件及吹扫时的防静电措施、压缩空气的干燥度、吹扫后模件及插槽的清洁度等有关，因此进行模件工作时，要确保防静电措施可靠，吹扫的压缩空气应有过滤措施（最好采用氮气吹扫），吹扫后模件及插槽内清洁。

（2）风扇故障、不满足要求的环境温湿度和灰尘等小问题，有可能对设备安全产生隐患，运行维护中加强重视。

（3）统计、分析发生的每一次保护系统误动作和控制系统故障原因（包括保护正确动作的次数统计），举一反三，消除多发性和重复性故障。

（4）对重要设备元件，严格按规程要求进行周期性测试。完善设备故障、运行维护和损坏更换登记等台帐。

（5）完善热工控制系统故障下的应急处理措施（控制系统故障、死机、重要控制系统冗余主控制器均发生故障）。

（6）根据系统和设备的实际运行要求，每二年修订保护定值清册一次，并把核对、校准保护系统的定值作为一项标准项目列入机组大小修项目中。重要保护系统条件、定值的修改或取消，宜取得制造厂同意，并报上级主管部门批准、备案。

（7）通过与规定值、出厂测试数据值、历次测试数据值、同类设备的测试数据值比较，从中了解设备的变化趋势，做出正确的综合分析、判断，为设备的改造、调整、维护提供科学依据。

3.3规范热工自动化系统试验

（1）完善保护、联锁系统专用试验操作卡（操作卡上对既有软逻辑又有硬逻辑的保护系统应有明确标志）；检修、改造或改动后的控制系统，均应在机组起动前，严格按照修改审核后的试验操作卡逐步进行试验。

（2）各项试验信号应从源头端加入，并尽量通过物理量的实际变化产生。试验过程中如发现缺陷，应及时消除后重新试验（特殊试验项目除外）直至合格。

（3）规范保护信号的强制过程（包括强制过程可能出现的事故事前措施，信号、图纸的核对，审批人员的确认把关，强制过程的监护及监护人应对试验的具体操作进行核实和记录等），强调信号的强置或解除强置，必须及时准确地作好记录和注销工作。

（4）所有试验应有试验方案（或试验操作单）、试验结束后应规范的填写试验报告（包括试验时间、试验内容、试验步骤、验收结果及存在的问题），连同试验方案、试验曲线等一起归档保存。

3.4继续做好基建机组、改造机组、检修机组的全过程热工监督工作

（1）对设备选型、采购、验收、安装、调试、竣工图移交等各个环节严把质量关，确保控制系统和设备指标满足要求。

（2）充分做好控制系统改造开工前的准备工作（包括设计、出厂验收、图纸消化等）。

（3）严格执行图纸管理制度，加强检修、改造施工中的图纸修改流程管理，图纸修改应及时在计算机内进