紅花水電站2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸螺栓斷裂分析

覃定吉

（中廣核紅花水電有限公司，廣西 柳州545101）

1 概述

紅花水電站位于廣西壯族自治區(qū)柳江縣境內(nèi)，距上游的廣西最大工業(yè)基地——柳州市25 km，是珠江流域西江水系柳江綜合利用規(guī)劃確定的柳江干流最下游一個(gè)梯級(jí)，是一個(gè)以發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉、旅游、養(yǎng)殖的綜合利用水利樞紐工程。電站共安裝6臺(tái)單機(jī)容量為3.8萬(wàn)kW燈泡貫流式機(jī)組，其中1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)機(jī)組由四川東方電廠生產(chǎn)制造，2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)機(jī)組由哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)制造，總裝機(jī)容量22.8萬(wàn)kW，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量為9.02億kW·h。電站采用擴(kuò)大單元（2機(jī)1變）接線方式，共3臺(tái)主變壓器，3臺(tái)主變壓器容量均100 000 kVA，設(shè)置2回220 kV出線經(jīng)柳州供電局的月山變電站接入南方電網(wǎng)。電站第1臺(tái)機(jī)組于2005年10月投產(chǎn)發(fā)電，最后1臺(tái)機(jī)組于2007年2月投產(chǎn)發(fā)電。

2 2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸螺栓斷裂前運(yùn)行情況

2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組于2006年2月投入運(yùn)行發(fā)電至今，已運(yùn)行約2萬(wàn)h左右，2號(hào)機(jī)組從未進(jìn)行過A級(jí)檢修，但進(jìn)行過一次B級(jí)檢修，其余都是進(jìn)行C級(jí)檢修。2011年6月7日17:30，當(dāng)時(shí)全廠6臺(tái)機(jī)組都并網(wǎng)運(yùn)行，全廠機(jī)組總出力180 MW，其中2號(hào)機(jī)組所帶負(fù)荷為30 MW正常運(yùn)行，當(dāng)值運(yùn)行人員通過中控室視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了2號(hào)機(jī)組主軸密封漏水較大，立即向調(diào)度值班員申請(qǐng)停機(jī)檢查，并通知檢修人員現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與大軸聯(lián)接螺栓4顆連續(xù)斷裂，其中3顆螺栓帶有銷套，另1顆未帶銷套?，F(xiàn)場(chǎng)拆除的螺栓中與斷裂螺栓相鄰的有3顆螺栓檢查有裂紋，并有多螺栓底部沒有測(cè)長(zhǎng)接頭，還發(fā)現(xiàn)個(gè)別螺母斷面與主軸法蘭面之間有間隙。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，螺栓斷裂面均在距螺母下端面約10 mm位置處，且螺栓斷裂面呈窩狀凹陷，螺栓斷口較光滑，如圖1所示。

圖1

3 2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸螺栓斷裂原因分析

從圖1的照片可見，螺栓斷口較光滑，從螺栓斷口的特點(diǎn)判斷，螺栓主要是在軸向載荷作用下發(fā)生斷裂，即螺栓是在拉力作用下被拉斷。

根據(jù)轉(zhuǎn)輪裝配圖的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行受力分析，螺栓只承受軸向載荷，設(shè)計(jì)圖紙要求聯(lián)軸螺栓伸長(zhǎng)量為0.32 mm，經(jīng)計(jì)算此時(shí)螺栓預(yù)緊力為螺栓最大工作載荷的4倍，即螺栓的預(yù)緊安全系數(shù)為4（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定控制預(yù)緊力時(shí)的安全系數(shù)不小于2），而此時(shí)螺紋強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果如下：

（1）螺栓（外螺紋）

1）螺栓材料、屈服極限σs=735 MPa；

許用拉應(yīng)力：〔σ〕L=7/8σs=643.125 MPa；

許用彎曲應(yīng)力：〔σ〕W=2/3σs=490 MPa；

許用剪應(yīng)力：〔σ〕=2/3σsx60%=294 MPa。

2）螺栓伸長(zhǎng)量為0.32 mm時(shí)計(jì)算應(yīng)力值：

螺栓最大拉應(yīng)力為：σmax=211 MPa；

螺牙彎曲應(yīng)力：σw=156.5 MPa；

螺牙剪應(yīng)力：τ=83.84 MPa。

（2）螺母（內(nèi)螺紋）

1）螺母及轉(zhuǎn)輪體材料、屈服極限及許用應(yīng)力（按轉(zhuǎn)輪體材料計(jì)算）：

螺母材料：鍛鋼35；屈服極限σs=275 MPa；

轉(zhuǎn)輪體材料：ZG20SiMn；屈服極限σs= 255 MPa；

許用彎曲應(yīng)力：[σ]W=2/3σs=170 MPa；

許用剪應(yīng)力：[τ]=2/3σsx60%=102 MPa；

2）螺栓伸長(zhǎng)量為0.32 mm時(shí)內(nèi)螺紋計(jì)算應(yīng)力值：

螺牙彎曲應(yīng)力：σw=148.9 MPa；螺牙剪應(yīng)力：=79.8 MPa。

由計(jì)算可見，無(wú)論從預(yù)緊安全系數(shù)，還是螺紋副本體的強(qiáng)度，螺栓連接都是安全可靠的。

根據(jù)對(duì)螺栓的受力及螺栓斷口的形狀分析，初步判斷螺栓斷裂的主要原因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)螺栓伸長(zhǎng)值相對(duì)誤差較大，導(dǎo)致聯(lián)軸螺栓受力不均，同時(shí)螺栓伸長(zhǎng)值測(cè)量誤差偏大，導(dǎo)致使一些螺栓安裝時(shí)伸長(zhǎng)值沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，螺栓預(yù)緊安全系數(shù)不夠，運(yùn)行中在交變負(fù)荷作用下螺栓與螺母連接處出現(xiàn)松動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況也證明，個(gè)別螺母斷面與主軸法蘭面之間出現(xiàn)間隙，這說明此處螺栓與螺母連接已出現(xiàn)松動(dòng)。

當(dāng)螺栓與螺母連接處出現(xiàn)松動(dòng)后，螺栓在軸向變載荷作用下會(huì)慢慢萌發(fā)裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，螺栓發(fā)生斷裂。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)螺栓斷裂后，相鄰螺栓載荷會(huì)增加，并相繼出現(xiàn)裂紋，直至斷裂。鑒于其余未斷裂的螺栓由于運(yùn)行中的受力不均及拆裝過程中的破壞，螺栓均有不同程度的損傷。

4 轉(zhuǎn)輪與大軸連接螺栓斷裂處理經(jīng)過

（1）落實(shí)2號(hào)機(jī)組安全措施，分別對(duì)4號(hào)、6號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪連接螺栓進(jìn)行檢查；

（2）派檢修維護(hù)人員落2號(hào)機(jī)組進(jìn)水口檢修閘門以及尾水檢修閘門；

（3）排空2號(hào)機(jī)組流道水，進(jìn)入流道對(duì)槳葉間隙進(jìn)行測(cè)量；

（4）拆除2號(hào)機(jī)組的水導(dǎo)側(cè)主軸密封、管路及拆卸被剪斷螺栓；

（5）清洗螺栓及轉(zhuǎn)輪螺牙，并對(duì)螺牙進(jìn)行修復(fù)；

（6）對(duì)其余螺栓逐個(gè)拆卸進(jìn)行探傷檢查，并逐個(gè)進(jìn)行回裝；

（7）對(duì)螺栓進(jìn)行加熱伸長(zhǎng)預(yù)緊；

（8）回裝主軸密封及管路；

（9）機(jī)組空轉(zhuǎn)試運(yùn)行試驗(yàn)及機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行。

整個(gè)處理過程一共用了9 d 24 h 3班搶修，因?yàn)樘幱诤樗?，此次故障共造成電量損失約500萬(wàn)kW·h，直接造成經(jīng)濟(jì)損失28萬(wàn)元。

5 故障處理暴露問題

（1）在機(jī)組原安裝及檢修過程中，安裝質(zhì)量存在一定問題，螺栓內(nèi)孔應(yīng)有堵頭封住，但在拆卸過程中大部分未封堵，也就是說，部分裝了堵頭的可以測(cè)量伸長(zhǎng)值，未裝堵頭的螺栓伸長(zhǎng)值無(wú)法測(cè)量，安裝質(zhì)量存在問題。

（2）機(jī)組一些關(guān)鍵事故備件無(wú)庫(kù)存，需完善備件管理。

（3）機(jī)組未裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如振動(dòng)、擺度、位移等數(shù)據(jù)未能及時(shí)提供給運(yùn)行人員，運(yùn)行人員不能依據(jù)可靠數(shù)據(jù)做出及時(shí)、準(zhǔn)確機(jī)組故障判斷。由于紅花電廠人員少，設(shè)備臺(tái)數(shù)多，有必要增加機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（4）電廠壩頂門機(jī)僅1臺(tái)，有3套抓梁。如果此次故障擴(kuò)大，存在水淹廠房危險(xiǎn)，假設(shè)門機(jī)安裝的是泄水閘檢修門抓梁（防汛用），要落前流道檢修閘門，更換抓梁就需2 h，加上落閘門2 h，共需4 h，就嚴(yán)重影響水淹廠房的搶修進(jìn)度。

（5）尾水閘門門庫(kù)高程底，如在汛期，在下游水位超過門庫(kù)高程時(shí)，淹沒尾水閘門平臺(tái)，尾水閘門無(wú)法解除鎖定，起不到快速閘門作用。

6 采取的預(yù)防措施及建議

（1）為保證2號(hào)機(jī)組今后能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，已將2號(hào)機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與主軸連接處的16套螺栓與螺母全部進(jìn)行更換；

（2）新的螺栓安裝、預(yù)緊后，要求螺栓冷卻到室內(nèi)溫度后其伸長(zhǎng)值應(yīng)不小于設(shè)計(jì)值，同時(shí)安裝后所有螺栓伸長(zhǎng)值誤差應(yīng)不超過螺栓伸長(zhǎng)值的10%；

（3）保證機(jī)組在額定水頭范圍內(nèi)運(yùn)行，盡量使得機(jī)組在最優(yōu)工況下運(yùn)行，避免機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于振動(dòng)區(qū)運(yùn)行；

（4）建議增加機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如振動(dòng)、擺度、位移等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為運(yùn)行人員提供可靠數(shù)據(jù)做出機(jī)組故障判斷，避免或減少故障的發(fā)生；

（5）加強(qiáng)安裝外協(xié)單位的安裝質(zhì)量的監(jiān)管力度；

（6）加強(qiáng)備品備件管理，加大資金投入，機(jī)組一些關(guān)鍵備件需采購(gòu)，特別是采購(gòu)周期長(zhǎng)的關(guān)鍵備件需有庫(kù)存；

（7）在年度檢修期間，加強(qiáng)對(duì)其余5臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪與大軸連接螺栓的檢測(cè)，特別是4號(hào)、6號(hào)機(jī)組的檢查；

（8）由于紅花電廠機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，按照規(guī)定需2臺(tái)壩頂門機(jī)，包含落機(jī)組閘門、泄水閘門、船閘檢修閘門及設(shè)備吊裝。在機(jī)組需快速落下閘門時(shí)，1臺(tái)壩頂門機(jī)無(wú)法滿足要求，建議增購(gòu)1臺(tái)壩頂門機(jī)；

（9）完善紅花電廠水淹廠房應(yīng)急預(yù)案，是否考慮增加廊道抽水備用水泵庫(kù)存。

7 值得總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)

在此次故障發(fā)生前，運(yùn)行人員及檢修人員巡視到位，缺陷發(fā)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確，采取處理措施得當(dāng)，避免了水淹廠房事故；故障發(fā)生后，公司總經(jīng)理部領(lǐng)導(dǎo)高度重視，及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)組織相關(guān)人員進(jìn)行處理，立即聯(lián)系相關(guān)單位，此次處理響應(yīng)速度快，組織措施得力；工業(yè)電視系統(tǒng)在此次故障發(fā)現(xiàn)過程中發(fā)揮了重大作用，避免了故障擴(kuò)大；檢修外協(xié)施工隊(duì)伍響應(yīng)速度快，作為一個(gè)電廠需要一支響應(yīng)速度快、能解決問題的外協(xié)隊(duì)伍；公司運(yùn)行檢修人員吃苦能力強(qiáng)，連續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)，從故障發(fā)生到處理，連續(xù)加班加點(diǎn)，無(wú)人抱怨，是一支能戰(zhàn)斗、能打勝仗的隊(duì)伍；為了縮短故障處理時(shí)間，機(jī)組盡快投入運(yùn)行，對(duì)螺栓備件采用特事特辦的方式進(jìn)行采購(gòu)管理，派專業(yè)技術(shù)人員到廠家進(jìn)行質(zhì)量、工期監(jiān)管，保證在最短時(shí)間內(nèi)備件到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。