青居水電站轉(zhuǎn)輪連接機(jī)構(gòu)故障原因分析和處理

張現(xiàn)海，羅云江

（華能四川嘉陵江水電有限責(zé)任公司，四川 南充 637000）

1 引言

青居水電站系嘉陵江蒼溪至合川段水電開發(fā)十三級(jí)規(guī)劃中的第十個(gè)梯級(jí)，位于四川省南充市高坪區(qū)青居鎮(zhèn)，距南充市約17 km，上游接小龍門水電站，下游與東西關(guān)水電站相連。電站裝有4臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為34 MW，水輪機(jī)型號(hào)GZ(B14)-WP-615,總裝機(jī)為136 MW，設(shè)計(jì)額定水頭11 m，額定轉(zhuǎn)速為93.75 r/min。2004年5月28日首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)，2005年5月份4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。調(diào)速器由國(guó)電南瑞電氣控制公司生產(chǎn)的ZFL-100/S型雙調(diào)節(jié)調(diào)速器，主機(jī)設(shè)備由杭州東芝水電有限責(zé)任公司生產(chǎn)。對(duì)于轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，轉(zhuǎn)輪漿葉的正常工作是非常重要的，本文介紹了青居電站1臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪（轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)見圖1）在運(yùn)行狀態(tài)下槳葉動(dòng)作失聯(lián)的情況及處理方法，對(duì)從事類似設(shè)備運(yùn)行和檢修的人員提供參考。

圖1 青居轉(zhuǎn)輪圖

2 故障現(xiàn)象

2017年3月30 日上午7:35，運(yùn)行值班人員發(fā)現(xiàn)青居2F機(jī)組有功功率在20～17.8 MW之間跳動(dòng)變化，機(jī)組振動(dòng)和水導(dǎo)擺度明顯較大，且轉(zhuǎn)輪室發(fā)出異常響聲。隨后通知檢修人員對(duì)2F機(jī)組進(jìn)行停機(jī)檢查，手動(dòng)操作槳葉，槳葉開度調(diào)節(jié)范圍為4.5%～65.5%（正常動(dòng)作范圍0%～100%）；發(fā)現(xiàn)異常后。即刻采取安全措施對(duì)2F機(jī)組進(jìn)行落門、流道排水檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪1號(hào)槳葉密封處有漏油，且手動(dòng)操作調(diào)速器該槳葉動(dòng)作失敗，轉(zhuǎn)輪其他槳葉均可動(dòng)作，但轉(zhuǎn)角范圍異常變小?，F(xiàn)場(chǎng)檢查轉(zhuǎn)輪室與槳葉之間的間隙符合設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)輪室上半部與槳葉有輕微摩擦痕跡。機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大，槳葉動(dòng)作不協(xié)聯(lián)，造成機(jī)組運(yùn)行水力不平衡，引起機(jī)組振動(dòng)大（當(dāng)時(shí)測(cè)擺裝置記載水導(dǎo)擺度最大超過2 000 um），使槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間發(fā)生輕微摩擦發(fā)出異常響聲。

3 部件損壞情況

施工單位將轉(zhuǎn)輪吊到安裝間進(jìn)行分解檢查，拆除泄水錐，發(fā)現(xiàn)1號(hào)槳葉連接機(jī)構(gòu)M64的3顆螺栓全部斷裂（見圖2、圖3），螺栓頭部全部斷掉，僅看到彎曲變形的光螺桿。1號(hào)連桿機(jī)構(gòu)與活塞缸脫離，連桿機(jī)構(gòu)處于失控狀態(tài)，失去操作功能，因而該槳葉不能操作了。1號(hào)連桿機(jī)構(gòu)失控后，位置發(fā)生了變化，使活塞缸動(dòng)作時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)上的螺桿不能與活塞缸上的孔保持吻合對(duì)應(yīng)，使螺桿與活塞發(fā)生異常碰撞，造成活塞缸受損（見圖4），螺栓斷裂，初期發(fā)現(xiàn)槳葉動(dòng)作異常時(shí)，由于檢查需要，對(duì)槳葉做了多次操作，使活塞缸與斷裂的螺栓桿多次碰撞，加劇了活塞缸受損程度，最大損傷深度超過了10 mm。同時(shí)對(duì)1號(hào)連桿機(jī)構(gòu)也加劇了損壞，至使1號(hào)連桿機(jī)構(gòu)的連接板卡在了轉(zhuǎn)輪體內(nèi)不能取出。為不傷害轉(zhuǎn)輪體，對(duì)連接板做了局部切除處理，方才從轉(zhuǎn)輪體內(nèi)拆出連桿機(jī)構(gòu)。將活塞桿和連接機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)臂一起吊出轉(zhuǎn)輪體后，做了進(jìn)一步檢查，由于1號(hào)連桿受到活塞缸的嚴(yán)重撞擊，使1號(hào)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)失控的情況下，旋轉(zhuǎn)角度超過了設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，拐臂與相鄰的2號(hào)和4號(hào)拐臂發(fā)生了異常碰撞，使它們的拐臂軸徑頭部變形。致使1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)拐臂與各自的內(nèi)軸套發(fā)生卡死現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)均采取破壞內(nèi)軸套的方式將拐臂取出?？傮w造成部件損壞情況為：1）3顆M64螺桿斷裂；2）一副連板嚴(yán)重變形報(bào)廢；3）3副Ф450內(nèi)軸套銅瓦報(bào)廢；4）活塞缸與連接板的連接螺孔嚴(yán)重受損需要修復(fù)處理；5）一副槳葉密封全部損壞；6）活塞缸蓋銅瓦及活塞缸、活塞環(huán)等有多處軸向分布的劃痕。

圖2

圖3

圖4

4 原因分析

轉(zhuǎn)輪分解完成后，公司組織了相關(guān)廠家、設(shè)計(jì)單位、安裝單位等多名專家進(jìn)行了分析，初步認(rèn)定M64螺栓斷裂是導(dǎo)致此次眾多部件受損事件的主要原因，為進(jìn)一步查明螺栓斷裂的原因，我公司委托西安熱工研究院對(duì)青居電站2號(hào)機(jī)組1號(hào)連桿機(jī)構(gòu)斷裂的連接螺釘進(jìn)行失效分析，西安熱工研究院通過螺釘材質(zhì)、樣件應(yīng)力分析、金相分析、螺釘斷面性質(zhì)（見圖5、圖6A、圖6B、圖 6C、圖 7）等綜合分析得出結(jié)論，其結(jié)論為：1）1號(hào)和2號(hào)連接螺釘?shù)母黜?xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果符合 JB/T 6396-1992對(duì) 35CrMo的要求；2）、3號(hào)連接螺釘實(shí)際使用的材料為2Cr13，與電廠要求的替代材料8.8級(jí)不符（原3號(hào)螺栓在2016年3月份A修檢查發(fā)現(xiàn)有裂紋，外購(gòu)?fù)庥^相同螺栓進(jìn)行更換，距今1年），其室溫規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和布氏硬度不符合GB/T3098.6-2014對(duì)8.8級(jí)螺釘要求，且也低于JB/T6396-1992對(duì)原設(shè)計(jì)材料35CrMo的要求，顯微組織明顯異常；3）3個(gè)連接螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)均為疲勞斷裂，其斷裂順序?yàn)?號(hào)、2號(hào)、1號(hào)。3號(hào)連接螺釘性能不滿足使用要求，是薄弱部件，首先發(fā)生斷裂，引起其他2個(gè)螺栓操作力加大，相繼斷裂，因此3號(hào)連接螺釘性能不滿足使用要求是造成螺栓斷裂的主要原因；其次，從螺栓結(jié)構(gòu)上看，斷裂的M64連接螺栓屬于內(nèi)六角螺栓，螺桿頭部與螺桿身連接部位太薄，從圖5螺栓的斷裂的現(xiàn)象便知；第三，從檢查現(xiàn)場(chǎng)分解轉(zhuǎn)輪部件中看到，1號(hào)轉(zhuǎn)輪槳葉根部有明顯的與密封壓板摩擦痕跡，深度在1.5 mm左右，長(zhǎng)度200 mm，寬度10 mm。分析認(rèn)為在轉(zhuǎn)輪組裝試驗(yàn)時(shí)，沒有安裝調(diào)整好，轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉與固定的密封壓板之間的間隙，使轉(zhuǎn)輪在低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下（轉(zhuǎn)輪槳葉的起始角是20°），操作槳葉時(shí)與壓板之間產(chǎn)生金屬摩擦，增加了連接螺栓的操作力，增加了螺栓的疲勞強(qiáng)度，也是造成該部位螺栓斷裂的一個(gè)因素；第四，連接螺栓在安裝中的預(yù)緊力可能沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在工作環(huán)境溫度升高的情況下，連接件之間緊量不足，存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)間隙，是螺栓增加工作疲勞，產(chǎn)生疲勞斷裂的另一誘因。

圖5 斷裂三顆螺栓

圖6 A螺釘掃描電鏡形貌圖1—源區(qū)

圖6 B螺釘掃描電鏡形貌圖2—擴(kuò)展區(qū)

圖6 C螺釘掃描電鏡形貌圖3—終斷區(qū)

圖7

5 改進(jìn)措施

5.1 總體實(shí)施方案

（1）對(duì)2F機(jī)組裝配件（除槳葉和下泄水錐外）全部返廠進(jìn)行檢查與修復(fù)；

（2）確定對(duì)M64連接螺栓進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，由內(nèi)六角改為外六角，1號(hào)連桿的3顆螺絲由M64改為M72（擔(dān)心內(nèi)螺紋受損）；

（3）4只槳葉內(nèi)軸套、1號(hào)槳葉內(nèi)、外連接板等按照原圖紙新制；

（4）廠家重新校核轉(zhuǎn)輪重要部件螺栓的預(yù)緊力及預(yù)緊工藝；

（5）其他重要部件視檢查結(jié)果及數(shù)據(jù)確定最終修復(fù)方案。

5.2 重要部件修復(fù)工藝方案

（1）活塞缸修復(fù)工藝：1）采用風(fēng)動(dòng)銑刀將缺陷打磨平整光滑，便于補(bǔ)焊；2）對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行PT探傷檢查；3）將補(bǔ)焊區(qū)域周邊表面的油污及雜質(zhì)清洗干凈；4）工件焊接區(qū)域及周邊適當(dāng)范圍焊前預(yù)熱；5）采用適當(dāng)焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊；6）焊補(bǔ)前注意保護(hù)其余精加工面，禁止碰傷及損傷；7）補(bǔ)焊完成后立即采用保溫材料覆蓋直到其表面冷卻；8）待焊縫完全冷卻后，將補(bǔ)焊區(qū)域打磨平整光滑；9）對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行PT探傷檢查；10）工件底面向上，較大平面銑補(bǔ)焊處與原本體焊平，盡量不要傷到本體。

（2）拐臂修理工藝：轉(zhuǎn)輪返廠后，經(jīng)檢查，拐臂大平面磨損變形約0.1 mm，小端軸徑變形失圓在0.08 mm左右，連接耳朵面變形在0.5 mm左右。經(jīng)過討論決定小端軸及大平面磨平、耳朵的變形在無(wú)裝配干涉下，可以不處理。如有干涉，局部修磨處理。

（3）活塞桿修理工藝：對(duì)活塞桿焊接部位進(jìn)行PT探傷和超聲波UT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)多處有裂紋、咬邊等現(xiàn)象，裂紋長(zhǎng)度不等，其中最長(zhǎng)為120mm，最深為7mm，因活塞桿是重要受力部件，如果不徹底去除裂紋，工件將在運(yùn)行過程中有可能導(dǎo)致裂紋延伸擴(kuò)展。將對(duì)檢測(cè)出來(lái)的裂紋銑削去除處理，且平滑過渡。

（4）活塞缸軸套：內(nèi)孔多處貫穿拉傷，局部片狀損傷和拉傷，采用手工修磨處理。

（5）部件更換：更換1號(hào)拐臂內(nèi)、外連扳2個(gè)及其連接螺絲12個(gè)；更換內(nèi)軸套4個(gè)；更換活塞環(huán)1個(gè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）2017年6月22日，青居電站2F機(jī)組一次啟動(dòng)成功，比預(yù)定的修復(fù)工期共提前了17 d，青居電站2F機(jī)組轉(zhuǎn)輪修復(fù)工期的縮短與機(jī)組運(yùn)行的優(yōu)良狀況，標(biāo)志此次轉(zhuǎn)輪搶修取得了全面成功。本次青居電站2F機(jī)組轉(zhuǎn)輪修復(fù)處理過程中按照“事前周密謀劃，事中委托掌控；大事統(tǒng)籌，小事細(xì)致”的原則。在確保青居電站2F機(jī)組轉(zhuǎn)輪修復(fù)質(zhì)量前提下，達(dá)到“機(jī)組安全穩(wěn)定，豐水期盡快恢復(fù)發(fā)電”的預(yù)期效果，為以后處理類似問題提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

（2）機(jī)組回裝投運(yùn)后進(jìn)行了甩負(fù)荷等動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)及波形圖均滿足調(diào)速器動(dòng)態(tài)品質(zhì)要求，證明槳葉操作機(jī)構(gòu)靈活，停機(jī)檢查2F機(jī)組風(fēng)洞、水輪機(jī)豎井、發(fā)電機(jī)豎井、控制環(huán)以及轉(zhuǎn)輪室，均未發(fā)現(xiàn)異常；另外2F機(jī)組投運(yùn)后跟蹤監(jiān)測(cè)機(jī)組溫度、振動(dòng)及擺度均符合機(jī)組運(yùn)行相關(guān)參數(shù)要求。

（3）本次2號(hào)機(jī)1號(hào)槳葉機(jī)構(gòu)螺栓斷裂事件為機(jī)組關(guān)健部件提出了檢修質(zhì)控要求。需加強(qiáng)在役大型螺釘?shù)亩ㄆ跓o(wú)損檢測(cè)、硬度檢驗(yàn)；加強(qiáng)大型螺釘備品的入廠材質(zhì)檢驗(yàn)；且根據(jù)槳葉連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特征對(duì)所有的槳葉的振動(dòng)、螺釘預(yù)緊力、活塞卡澀等情況進(jìn)行排查分析和對(duì)比，以降低螺釘疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）本事件告訴我們，在轉(zhuǎn)輪操作機(jī)構(gòu)出現(xiàn)異常的情況下，應(yīng)有專業(yè)人員認(rèn)真分析現(xiàn)象，避免盲目操作檢查，使部件損傷加劇和范圍擴(kuò)大。對(duì)類似機(jī)組關(guān)鍵部位螺栓使用年限提出了建議。青居電站為燈泡貫流式機(jī)組，機(jī)組開停機(jī)及增減負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片均需頻繁動(dòng)作，槳葉操作機(jī)構(gòu)的相關(guān)連接螺栓長(zhǎng)期受到交變荷載，存在疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，將會(huì)在機(jī)組A修同時(shí)整批次更換，更換周期廠家建議為10年。

[1]GB/T8546-2007鈦不銹鋼復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GB/T 3098.6-2014緊固件機(jī)械性能.不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]JB/T 6396-1992大型合金鋼鍛件技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]青居電站設(shè)備廠家圖紙[Z].