汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引線事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 王學(xué)善

對(duì)多達(dá)400臺(tái)的大中型汽輪發(fā)電機(jī)組在過去的5年運(yùn)行期間內(nèi)的運(yùn)行事故，進(jìn)行了調(diào)查分析。其中涉及到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組線圈引線部件的熔化事故的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：導(dǎo)電螺栓的熔化事故發(fā)生了25次，緊固螺栓熔化事故發(fā)生在21根電流母線上；電流引線的熔化事故，發(fā)生了19次，緊固螺栓端頭斷裂發(fā)生了7次，導(dǎo)電銅桿螺紋孔內(nèi)的錐形螺紋熔化發(fā)生了2次，轉(zhuǎn)子主軸燒毀發(fā)生了5次。研究結(jié)果表明，引起轉(zhuǎn)子線圈電流引線銅排部件損壞事故的原因，涉及多種方面，其中包括：電機(jī)的型號(hào)、螺栓的種類、負(fù)荷的性質(zhì)、運(yùn)行工況、運(yùn)行時(shí)間、轉(zhuǎn)子振動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝工藝、運(yùn)行操作、檢修經(jīng)驗(yàn)、定期維護(hù)等。

1 事故分析

在過去的5年運(yùn)行期間內(nèi)，對(duì)多達(dá)400臺(tái)的大中型汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行事故進(jìn)行了調(diào)查分析。其中涉及到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組線圈引線部件的熔化和損壞事故的調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：①導(dǎo)電螺栓的熔化事故，平均一年總共發(fā)生了25次；② 緊固螺栓熔化事故總共發(fā)生了21次；③電流引線的熔化事故，總共發(fā)生19次；④緊固螺栓端頭熔化或斷裂發(fā)生了7次；⑤導(dǎo)電銅桿螺紋孔內(nèi)的錐形螺紋熔化發(fā)生了2次；⑥轉(zhuǎn)子主軸燒毀發(fā)生了5次。

調(diào)查統(tǒng)計(jì)與分析研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流引線事故的發(fā)生原因，與電機(jī)的型號(hào)、運(yùn)行的時(shí)間、螺栓的種類、負(fù)荷的性質(zhì)等各種因素有關(guān)。在已經(jīng)投入運(yùn)行的單機(jī)容量為120MW及以下的氫氣內(nèi)部冷卻型式汽輪發(fā)電機(jī)中，采用螺栓端頭外部表面帶有十字花形狀凹槽的小號(hào)導(dǎo)電螺栓者，大約占3/4。由于這種導(dǎo)電螺栓頭部下面用于壓緊被連接零件的環(huán)形接觸面積比較小，它在導(dǎo)電過程中的電流密度就比較大，很容易發(fā)生過熱，而被熔化。上述產(chǎn)品完成大修以后投入運(yùn)行的2年內(nèi)，這種產(chǎn)品中發(fā)生小號(hào)導(dǎo)電螺栓斷裂的就占有66.7%。其中由于疲勞斷裂引起的占42.8%，由于微小裂紋引起的占57.2 %。這些微小裂紋在電流引線裝配時(shí)就已經(jīng)存在，只是在運(yùn)行中 受到轉(zhuǎn)軸端部振動(dòng)增大和集電環(huán)溫度升高等外部作用力和熱負(fù)荷作用下而導(dǎo)致斷裂。這種早期采用的結(jié)構(gòu)后來已經(jīng)被逐步更換為螺栓端頭外部表面帶有“一”字形狀凹槽的單槽式大號(hào)導(dǎo)電螺栓。

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，引起轉(zhuǎn)子線圈電流引線銅排部件損壞事故的原因涉及多種方面，其中包括：運(yùn)行工況、運(yùn)行時(shí)間、轉(zhuǎn)子振動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝工藝、運(yùn)行操作、檢修經(jīng)驗(yàn)、定期維護(hù)等。

1.1 運(yùn)行工況

電流引線的破壞事故，通常發(fā)生在發(fā)電機(jī)帶有負(fù)荷運(yùn)行時(shí)。對(duì)120MW發(fā)電機(jī)來說，當(dāng)有功功率為29.1 %～83.3%時(shí)，轉(zhuǎn)子電流引線常常在66.8% 這種功率下發(fā)生電流引線事故。由此可見，事故發(fā)生以前，發(fā)電機(jī)是在功率因數(shù)接近額定值情況下的無功功率工況下運(yùn)行。

1.2 運(yùn)行時(shí)間

在運(yùn)行的一年中，電流引線事故中總數(shù)的一半發(fā)生在冬季；在一晝夜的運(yùn)行中，多數(shù)事故發(fā)生在夜間的22時(shí)30分～4時(shí)30分這個(gè)時(shí)間段。分析結(jié)果證明：不管是冬季還是夜間，這兩個(gè)事故高發(fā)期都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是處在發(fā)電機(jī)負(fù)荷比較低的運(yùn)行時(shí)期，此時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)某種程度的增加，因而離心力便增加在，這種比較大的離心力作用下，電流引線緊固部件的壓緊力便被減小，從而使通過接觸表面的電流阻力增加和電流密度增大，最終導(dǎo)致緊固零件熔化。

1.3 引線結(jié)構(gòu)

在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組線圈回路的一條支路中，如果轉(zhuǎn)子電流引線采用兩個(gè)平行導(dǎo)電銅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，它的緊固零件從來就沒有發(fā)生過熔化現(xiàn)象。實(shí)踐證明了這種引線結(jié)構(gòu)的引線可靠性。

1.4 操作失誤

當(dāng)緊固零件熔化和勵(lì)磁電流中斷時(shí)，保護(hù)裝置便自行動(dòng)作，并在信號(hào)盤上自動(dòng)顯示出“欠勵(lì)工況”字樣，然而操作人員竟然沒有判斷出來發(fā)電機(jī)運(yùn)行中斷的原因，反而增大了勵(lì)磁電流，促使事故進(jìn)一步惡化。

1.5 檢修失誤

在一臺(tái)120MW發(fā)電機(jī)上發(fā)生的電流母線撓性銅排熔化事故的部位，是在銅排與其相鄰接的導(dǎo)電螺栓接觸表面之間。事故原因是在大修時(shí)檢修，人員在導(dǎo)電螺栓接觸表面與鎖緊墊圈之間裝設(shè)了一塊金屬板。在固定緊固螺栓以后，導(dǎo)致接觸壓力的重新分布，減小了電流通過的截面，并使電流密度增大了將近7倍，導(dǎo)致銅排局部過熱并最終造成熔化事故。

1.6 通孔錯(cuò)位

在一次大修中更換導(dǎo)電螺栓與固螺栓時(shí)，發(fā)現(xiàn)母線銅排與導(dǎo)電螺栓上的通孔不符。為了使緊固螺栓能夠插入導(dǎo)電螺栓的孔中予以擰緊，檢修人員采用扁鏟鑿孔，使母線銅排上的開孔延長(zhǎng)成為橢圓形。然而卻使母線銅排開孔的邊緣局部增厚，導(dǎo)致了母線銅排與導(dǎo)電螺栓之間接觸壓力的重新分布，引起了局部勵(lì)磁電流的增大和母線銅排的局部溫度升高。由此曾經(jīng)導(dǎo)致下述兩種后果：①在轉(zhuǎn)子軸上軸向凹槽內(nèi)，發(fā)熱的母線銅排在發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下被壓緊時(shí)，甚至出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象。在發(fā)電機(jī)停機(jī)和母線銅排冷卻以后，發(fā)現(xiàn)母線銅排長(zhǎng)度已經(jīng)被縮短了12mm。②最終造成與導(dǎo)電螺栓接觸處母線銅排的熔化事故。

1.7 螺栓傾斜

由于裝在轉(zhuǎn)子軸上的凹槽內(nèi)和導(dǎo)電銅桿的錐形螺紋孔中的導(dǎo)電螺栓傾斜， 就會(huì)導(dǎo)致母線銅排熔化，這種故障帶有普遍性。在預(yù)防事故的調(diào)查報(bào)告中，已經(jīng)明確指出：用于線圈電流引線的導(dǎo)電銅桿中的錐形螺紋孔中，出現(xiàn)任何橢圓或多邊形狀的變形，都會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電螺栓固定的松動(dòng)和在轉(zhuǎn)子軸上凹槽內(nèi)扭曲，以及它們相互之間接觸緊密程度的破壞。

1.8 螺栓振動(dòng)

用于導(dǎo)通勵(lì)磁電流的導(dǎo)電銅桿的螺紋孔變形，是因?yàn)閷?dǎo)電螺栓振動(dòng)引起的。引起的原因主要有以下兩個(gè)方面：①在安裝時(shí)，如果導(dǎo)電螺栓相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸上軸向凹槽的中心線錯(cuò)位，而使導(dǎo)電螺栓的安裝位置緊貼在槽壁上；②加工螺紋時(shí)的攻絲深度不夠，也會(huì)引起它的振動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行中轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在重力的作用下，轉(zhuǎn)子中心線會(huì)有些彎曲，當(dāng)電流引線的母線銅排和導(dǎo)電螺栓的安裝、固定為正常的情況下，是不會(huì)發(fā)生導(dǎo)電螺栓振動(dòng)和導(dǎo)電銅桿螺紋孔損壞的。如果轉(zhuǎn)子軸上軸向凹槽內(nèi)的母線銅排，沒有采用槽楔予以緊密固定，導(dǎo)電螺栓便會(huì)以50Hz的頻率振動(dòng)，并引起摩擦腐蝕，并最終導(dǎo)致母線銅排折斷。

1.9 螺紋扭曲

如果導(dǎo)電螺栓扭曲，就會(huì)引起母線銅排的不均勻拉伸，使母線銅排端頭的直角變成11°斜角，并使緊固螺栓與導(dǎo)電螺栓一起傾斜。由于導(dǎo)電螺栓的傾斜，便使導(dǎo)電銅桿孔中的螺紋產(chǎn)生局部彎曲和扭曲，并導(dǎo)致缺陷部位的電流密度增大和導(dǎo)電螺栓及其螺紋的異常發(fā)熱。在將導(dǎo)電螺栓插入導(dǎo)電銅桿的螺紋孔中時(shí)，如果它們不同心，就會(huì)使轉(zhuǎn)子軸上凹槽內(nèi)的導(dǎo)電螺栓緊緊貼在槽壁上，并使導(dǎo)電螺栓被扭曲。

1.10 夾緊程度

采用導(dǎo)電螺栓將母線銅排壓緊時(shí)，導(dǎo)致其間壓緊密度降低的主要原因如下：①緊固螺栓的長(zhǎng)度與導(dǎo)電螺栓端頭上的鉆孔深度不相符；②緊固螺栓過分扭曲和過度拉伸；③在大修期間, 更換和安裝新的緊固螺栓和導(dǎo)電螺栓時(shí)，沒有達(dá)到與其螺紋孔的配合緊密，又沒有予以校正，有時(shí)與導(dǎo)電螺栓相配合的鉆孔深度不足，竟然超過7mm以上。在將導(dǎo)電螺栓插入導(dǎo)電銅桿的螺紋孔中時(shí)，導(dǎo)電螺栓的端頭接觸表面會(huì)出現(xiàn)凹凸不平，突起部分會(huì)高達(dá) 2.5mm，引起突起部位的接觸壓力增加、電流密度增大；而非突起部位的接觸壓力則減小，甚至減小到零。由于電流密度增大和發(fā)熱增加，最終導(dǎo)致母線銅排熔化。

1.11 凹槽變形

為了避免或減小導(dǎo)電螺栓上的圓形頭部外表面上的（十字花形的雙槽式或“一”字形的單槽式）凹槽內(nèi)部變形，必須采用刃口完好的螺絲刀子類扳手。如果這種凹槽的幾何形狀出現(xiàn)變形，就會(huì)減小螺絲刀子類扳手與凹槽內(nèi)部表面的接觸面積，在擰緊過程中可能會(huì)進(jìn)一步損壞導(dǎo)電螺栓，所以必須采用新的導(dǎo)電螺栓予以更換。檢修人員不得采取諸如使用錘子并通過沖子敲擊，來打扁突起部分那類維修方法，因?yàn)榇蚵涞你~屑，會(huì)落在母線銅排平坦的接觸表面上，形成新的突起不平，會(huì)再次導(dǎo)致事故發(fā)生 。

1.12 扭力過大

用于制造緊固螺栓的銅材力學(xué)性能如下：屈服極限為60MPa～70MPa，抗張強(qiáng)度（通常取為屈服極限的1/3）為20MPa～23.3MPa。如果按照某些技術(shù)文件的規(guī)定，采用55N-m的扭轉(zhuǎn)力矩，則緊固螺栓的拉伸應(yīng)力大約為92.7MPa，當(dāng)量應(yīng)力為 116.4MPa。與銅材強(qiáng)度相比它幾乎比屈服極限大了一倍，但是卻比瞬時(shí)抗張強(qiáng)度小了一半。如果規(guī)定采用40～44N-m的扭轉(zhuǎn)力矩，緊固螺栓就達(dá)到了材料的屈服極限，螺紋部分就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，并使母線銅排上緊固螺栓緊靠導(dǎo)電螺栓端頭的壓緊力減小大約2/3。如果接觸表面狀態(tài)正常，這種緊固螺栓壓緊力的減小就不會(huì)引起接觸表面的過熱；如果接觸表面存在缺陷，其間的接觸電阻和溫度就會(huì)明顯增大。由于壓緊力不足，而繼續(xù)增加扭轉(zhuǎn)力矩，不但不會(huì)使壓緊力增加，反而會(huì)使緊固螺栓被拉伸延長(zhǎng)，最終導(dǎo)致緊固螺栓的端頭斷掉。

采用的緊固螺栓不是標(biāo)準(zhǔn)件，它的螺紋是直接從零件上車削出來的。計(jì)算結(jié)果表明緊固螺栓螺紋的切向應(yīng)力，小于銅材的屈服極限。進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：它的切斷與擠壓應(yīng)力，沒有超過切斷與擠壓應(yīng)力容許值。它的螺紋絲扣切斷應(yīng)力也在切斷應(yīng)力的容許范圍內(nèi)。但是，在擰緊緊固螺栓時(shí)，用力過大或扭矩過度時(shí)，就會(huì)由于超過材料的屈服極限，而導(dǎo)致錐形螺紋絲扣切斷。

2 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

根據(jù)事故分析調(diào)查報(bào)告，必須吸取下述幾方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

2.1 采用兩對(duì)螺栓

在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組線圈電氣回路的一個(gè)支路中，如果采用設(shè)置有兩對(duì)平行的導(dǎo)電螺栓的引線結(jié)構(gòu)，它的運(yùn)行安全可靠性要比只有兩個(gè)導(dǎo)電螺栓的引線結(jié)構(gòu)高得多。在過去的5年運(yùn)行期間，采用前者結(jié)構(gòu)的汽輪發(fā)電機(jī)，一次也沒有發(fā)生過其轉(zhuǎn)子線圈引線接觸零件熔化的事故，而后者卻發(fā)生了19次這種事故。

2.2 采用單槽螺栓

采用單槽式結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電螺栓時(shí)，引線部件結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全可靠性要比雙槽式結(jié)構(gòu)高得多。引起轉(zhuǎn)子線圈電流引線銅排熔化的原因，主要是因?yàn)橛糜趬壕o銅排的導(dǎo)電螺栓與銅排之間的接觸面積，如同雙槽式結(jié)構(gòu)那樣被局部減小，從而導(dǎo)致接觸部位的電流密度增大，并使引線銅排熔化。

2.3 校正裂紋絲扣

有些汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈引線上導(dǎo)電螺栓和導(dǎo)電銅桿的螺紋被熔化，那是因?yàn)閷?dǎo)電銅桿螺紋孔中的導(dǎo)電螺栓扭曲，從而使接頭處的接觸面積被局部減小和電流密度增大引起的。

2.4 接觸表面要平

如果匯流母線銅排表面上用于緊固導(dǎo)電螺栓的接觸表面不平，而把銅排放在導(dǎo)電螺栓的端頭上予以固定，這是不允許的。因?yàn)檫@樣做就會(huì)使導(dǎo)電螺栓熔化。不僅要保證接觸表面的平整，還要確保兩個(gè)接觸表面之間的平行度。在將導(dǎo)電螺栓旋入導(dǎo)電銅桿上的螺紋孔內(nèi)以后，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電螺栓與轉(zhuǎn)子軸上的凹槽不同心，就要測(cè)量導(dǎo)電螺栓與轉(zhuǎn)子軸表面之間的不平行度。如果這個(gè)不平行度大于5°，就要擰出導(dǎo)電螺栓，并修理導(dǎo)電銅桿上的螺紋孔。

2.5 扭力不要過大

在旋緊連接螺栓和導(dǎo)電螺栓時(shí)，不要用力過大，以至超過規(guī)定的扭轉(zhuǎn)力矩。 最好采用專用的力矩扳手。

3 結(jié)論

在大中型汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行事故的調(diào)查報(bào)告中，發(fā)生轉(zhuǎn)子線圈電流引線銅排損壞事故的比率相當(dāng)高，經(jīng)濟(jì)損失也很大，必須引起高度重視。

引起轉(zhuǎn)子線圈電流引線銅排部件損壞事故的原因涉及多種方面，其中包括：運(yùn)行工況、運(yùn)行時(shí)間、轉(zhuǎn)子振動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝工藝、運(yùn)行操作、檢修經(jīng)驗(yàn)、定期維護(hù)等。

本文提供的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來自于運(yùn)行實(shí)踐，付出了很大代價(jià)，對(duì)于相關(guān)部門會(huì)有重大啟發(fā)。