宜興抽水蓄能電站磁極擋塊開裂原因分析及處理措施

宋晉紅，蔣明君，狄洪偉，徐 偉，蔣潔青

（華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇省宜興市 214205）

宜興抽水蓄能電站磁極擋塊開裂原因分析及處理措施

宋晉紅，蔣明君，狄洪偉，徐 偉，蔣潔青

（華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇省宜興市 214205）

抽水蓄能機(jī)組一般都安裝有磁極擋塊，本文對(duì)宜興抽水蓄能電站上中下?lián)鯄K參數(shù)進(jìn)行了描述，對(duì)受力情況進(jìn)行了分析，對(duì)中部擋塊開裂故障進(jìn)行了細(xì)致的分析，并敘述了采取的改進(jìn)方案和措施。

擋塊；開裂；分析

0 引言

江蘇宜興抽水蓄能電站（以下簡稱宜興電站）安裝 4臺(tái)單機(jī)容量 250MW立軸單級(jí)混流可逆式抽水蓄能機(jī)組，機(jī)組是加拿大GE公司生產(chǎn)的ATI/TS-W型，額定轉(zhuǎn)速為375r/min，機(jī)組均于2008年投入商業(yè)運(yùn)行。機(jī)組在2009年B級(jí)檢修甩負(fù)荷試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)部分磁極中部擋塊存在不同程度的裂紋，而上下部擋塊則完全正常，宜興電站立即組織進(jìn)行分析處理，更換改進(jìn)后的中部擋塊后運(yùn)行正常。

1 情況介紹

1.1 磁極擋塊參數(shù)

宜興電站磁極擋塊采用的是GE公司的G11材料，其各項(xiàng)性能參數(shù)檢測(cè)見表1，各參數(shù)要求均滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表1 磁極擋塊參數(shù)表

續(xù)表

1.2 磁極擋塊結(jié)構(gòu)

宜興電站磁極擋塊采用環(huán)氧塊全支撐結(jié)構(gòu)，上部擋塊與下部擋塊結(jié)構(gòu)相同，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，上下部擋塊的環(huán)氧支撐塊與不銹鋼塊采用拉緊螺桿（M24內(nèi)六角）連接，不銹鋼塊內(nèi)部有螺紋孔，安裝時(shí)涂抹樂泰242膠水，施加170Nm力矩，安裝好后用鎖定螺桿（M10內(nèi)六角）鎖緊拉緊螺桿（螺桿中部有24mm范圍的六棱柱結(jié)構(gòu)，用于鎖定），安裝完畢后，環(huán)氧支撐和磁極線圈間留有0～0.5mm間隙。因此，環(huán)氧支撐和不銹鋼塊緊密接觸，環(huán)氧支撐和磁極線圈則留有間隙。

圖1 上下部擋塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 中部擋塊結(jié)構(gòu)圖

中間擋塊結(jié)構(gòu)異于上下部，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由于安裝上部及下部擋塊都需力矩扳手，如果中部擋塊設(shè)計(jì)和上下部一樣，則安裝拉緊螺桿和鎖定螺桿需要1.5m長的力矩扳手，非常不利于施工，而且對(duì)于較小的鎖定螺桿來說，扳手頭部內(nèi)六角非常容易斷裂，故中部擋塊采用另外一種結(jié)構(gòu)，環(huán)氧支撐頭部設(shè)計(jì)一凹槽，凹槽內(nèi)放一不銹鋼塊（中間有M30內(nèi)螺紋），用1m長的M30螺桿與轉(zhuǎn)子中心體處螺母相連，為保持環(huán)氧支撐與線圈的間隙，螺栓不施加力矩，僅僅將環(huán)氧支撐拉近接觸線圈即可，然后螺母用鎖片鎖住。

2 原因分析

2.1 上下部擋塊受力分析

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分以375r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，上下部擋塊的不銹鋼塊壓緊磁極線圈的絕緣護(hù)板，環(huán)氧支撐由不銹鋼塊提供向心力，施力點(diǎn)在螺栓頭部，其受力示意圖如圖3所示，方向指向大軸中心，受力區(qū)域見圖紅色部位所示。由于受力均勻且是正壓力，即使機(jī)組甩負(fù)荷，轉(zhuǎn)速達(dá)到500r/min，F(xiàn)向心力還是不足以破壞環(huán)氧支撐。

2.2 中部擋塊受力分析

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，中間擋塊受到一個(gè)支撐其轉(zhuǎn)速的向心力，該力的作用部件是拉緊螺桿，通過擋塊凹槽內(nèi)的不銹鋼塊來傳遞，其受力如圖4所示，紅色區(qū)域?yàn)槭芰^(qū)域。若受力正常，則環(huán)氧支撐不會(huì)被破壞。

現(xiàn)場拆出的擋塊實(shí)物顯示凹槽內(nèi)不銹鋼塊和環(huán)氧支撐的接觸面并不是紅色區(qū)域，而是側(cè)面和弧形角處，則不銹鋼塊與環(huán)氧支撐在機(jī)組運(yùn)行時(shí)在圓弧面受力，該力可分解為正面向心力和側(cè)面推力，其受力如圖5所示，在機(jī)組高速運(yùn)行后，擋塊極易開裂。

2.3 原因分析

圖3 上下部擋塊受力示意圖

圖4 中部擋塊設(shè)計(jì)受力示意圖

G11環(huán)氧支撐密度為1853.8kg/m3，中部擋塊體積為1377.38cm3，則其重量為2.26kg。轉(zhuǎn)子直徑為5340cm，磁軛外徑為4735cm，擋塊徑向長度為215cm，凹槽深度為70cm，擋塊安裝在磁極線圈中部，則取擋塊向心力受力處半徑為5000cm。機(jī)組甩負(fù)荷過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速最高升至額定轉(zhuǎn)速的134.759%，即超過505r/min。依據(jù)向心力公式計(jì)算，此時(shí)向心力超過7800N，如果不銹鋼塊與環(huán)氧支撐在在圓弧面受力，則環(huán)氧支撐會(huì)受到很大的側(cè)向力，接觸面受力方向與徑向角度越大，側(cè)向力也越大。

圖5 中部擋塊實(shí)際受力示意圖

綜上分析，可以確定中部擋塊產(chǎn)生裂紋的原因?yàn)椋翰讳P鋼塊和環(huán)氧支撐存在間隙導(dǎo)致受力在側(cè)面及弧形處，對(duì)擋塊形成兩個(gè)F側(cè)向拉力，而且由于凹槽較深，力矩較大，最終導(dǎo)致環(huán)氧環(huán)氧支撐裂紋的產(chǎn)生。

而產(chǎn)生間隙原因有兩個(gè)，一是加工精度不高，導(dǎo)致配合不好；二是現(xiàn)場裝配工藝不當(dāng)，沒有進(jìn)行修磨。

3 處理方法

對(duì)4臺(tái)機(jī)組擋塊進(jìn)行全面檢查，并將所有中部擋塊取下，更換新型擋塊，新型擋塊的凹槽部分較淺（深度新型為40mm，舊的為70mm），以減小安裝精度要求，在安裝前，對(duì)不銹鋼塊的弧形角處進(jìn)行了加工，削去一部分，并對(duì)其側(cè)面進(jìn)行打磨，保證安裝后不銹鋼塊與環(huán)氧支撐塊正面的良好接觸，其側(cè)面有一定間隙（為防止振動(dòng)，在側(cè)面及正面接觸面都刷一層環(huán)氧），同時(shí)保證倒角處不銹鋼塊和環(huán)氧支撐完全不接觸，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行或甩負(fù)荷時(shí)，環(huán)氧支撐塊受的主要的力就是不銹鋼塊提供的徑向正壓力，而側(cè)面基本不受力，斷絕了側(cè)向剪切力的根源，從根本上杜絕了擋塊裂紋的產(chǎn)生。

改進(jìn)后，宜興電站機(jī)組運(yùn)行了5年多，未發(fā)現(xiàn)有任何擋塊缺陷、故障問題。

4 結(jié)束語

該事件帶給我們以下一些經(jīng)驗(yàn)與啟示：

（1）現(xiàn)場安裝并不一定能達(dá)到設(shè)計(jì)精度，要求施工人員和驗(yàn)收人員要了解所安裝配件需達(dá)到的功能以及相互配合的目的，在安裝時(shí)無法達(dá)到設(shè)計(jì)精度時(shí)，改進(jìn)施工工藝，從而實(shí)現(xiàn)配件功能。

（2）設(shè)計(jì)單位應(yīng)充分考慮現(xiàn)場施工情況，對(duì)現(xiàn)場施工工藝難度大、精度要求高、預(yù)留裕度小的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，降低施工難度。

（3）發(fā)電電動(dòng)機(jī)應(yīng)定期特別是甩負(fù)荷后進(jìn)行擋塊檢查，檢查擋塊開裂情況、檢查螺栓有無松動(dòng)，一般可利用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查，并拍照記錄以便下次檢查對(duì)比分析，必要時(shí)可拆下?lián)鯄K檢查。

宋晉紅（1962—），女，大專，工程師，從事抽水蓄能電站技術(shù)管理工作。

蔣明君（1981—），男，本科，工程師，從事抽水蓄能電站電氣設(shè)備技術(shù)管理工作。

狄洪偉（1980—），男，本科，高級(jí)工程師，從事抽水蓄能電站電氣設(shè)備技術(shù)管理工作。

徐 偉（1977—），男，本科，工程師，從事抽水蓄能電站運(yùn)維管理工作。

蔣潔青（1982—），女，本科，工程師，從事抽水蓄能電氣設(shè)備管理工作。

The Analysis and Treatment of the Pole Stopper Cracking on Yixing Pumped Storage Power Station

SONG Jinhong，JIANG Mingjun，DI Hongwei，XU Wei，JIANG Jieqing（East China Yixing Pumped Storage Co.Ltd.，Yixing 214205，China）

Pumped storage units are generally mounted with a magnetic block.This paper described the lower block parameters in Yixing Pumped Storage Power Station，analyzed the stress，analyzed cracking failure in the central block，and described the improvement scheme and measures.

pole stopper；cracking；analysis