燈泡貫流式機組轉輪與主軸連接螺栓斷裂原因分析及對策

陳 開 評(廣西桂冠大化水力發電總廠， 廣西 大化 530800)

某水電站位于紅水河中游，為紅水河干流梯級開發的第7級電站，水電站安裝有6臺單機容量為32 MW的燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量192 MW。水輪發電機組由日本富士和富春江富士水電設備有限公司制造供貨。該水電站于1992年10月進場籌建，1993年2月18日主體工程開工，1996年2月16日第1臺機組投產發電，1999年5月21日6臺機組全部投產發電，至今已安全穩定運行10 a以上，每年均按計劃檢修。水輪機基本參數[1]如下：型號為燈泡貫流轉槳式，轉輪直徑為6.4 m，額定水頭為9.7 m，額定流量為377.5 m3/s，額定出力為33 MW，額定轉速為93.8 r/min，飛逸轉速為310 r/min，額定效率為92%，最高效率為95.2%，運行水頭范圍為3～18 m，安裝高程(轉輪中心)為101.90 m，比轉速為955，槳葉數為4個，導葉數為16個。轉輪與主軸由18根M90×4螺栓及6個直徑為160 mm銷子連接，其受力原理為：水推力→轉輪→主軸→正向推力瓦→組合軸承→管型座→基礎混凝土，轉輪附近還有內導水錐、檢修密封、軸密封基礎板等主要部件，如圖1 所示.

圖1 轉輪與主軸連接示意圖Fig.1 A connection diagram of the reel and principal axis 注：1-轉輪與主軸連接螺栓；2-轉輪與主軸連接扭矩銷；3-轉輪體；4-主軸；5-檢修密封；6-主軸密封部分；7-內導環。

1 事故的發生

2010年10月20日6∶55，運行當班人員在中控室聽到“砰”的輕微響聲，監控系統無異常報警信息，監控畫面6臺機組負荷正常，主變、開關站設備運行正常，用工業電視檢查發現4號機組機坑有積水，并且上升很快，距離▽94 m層地面已很近，4號機組水輪機豎井主軸密封處有大量的噴射狀水漏出。意識到機組出事后，運行人員立即聯系中調停止該機組，同時啟動應急預案，將置于▽94 m層的檢修排水泵、應急排水泵、深井泵全部投入運行，水勢得以控制，最終水位控制在▽94 m層以上約10 cm，其余5臺機組的高壓頂起油泵、潤滑油泵繼續正常運行，不影響發電，同時通知水工人員關閉4號機組進、尾水閘門，水位持續下落至積水排空。事后開啟轉輪室進人孔門，發現機組損壞情況如下。

(1)轉輪與主軸連接螺栓。轉輪與主軸連接螺栓(規格：18-M90 ) 在流道內有1顆折斷脫落但沒有螺母，有3顆螺栓在端頭折斷和螺母頭脫落，有5片螺母碎片和其他小螺栓等,在拆除檢修密封支座和主軸密封板后，發現有2顆在根部折斷但已沒有螺母，有2顆連同螺母在根部折斷，有1顆螺栓和螺母頭在端頭折斷脫落。尚有10顆螺栓留在主軸法蘭上，但端部螺牙已撞壞，其中有2顆有松動痕跡。

(2)內導水錐。分瓣連接螺栓(規格：6-M24)全部折斷，內導水錐與內導環連接螺栓(規格：48-M20)在連接處有40顆折斷，有8顆還在連接中。一瓣已跌落，但在流道內未發現，確認已被沖至下游，另一瓣未被撞斷但已嚴重變形。

(3)檢修密封。檢修密封的支撐環嚴重變形，2瓣連接螺栓(規格：4-M20 )全部折斷，支撐環與主軸密封支撐板連接螺栓(規格：36-M20 )全部折斷，與檢修密封環連接螺栓(規格：36-M16 )全部存在，檢修密封環上游側變形。

(4)主軸密封支撐板。主軸密封支撐板與內導環的連接螺栓(規格：40-M20 )部分變形，常規方法不能拆除；主軸密封支撐板分瓣面的連接螺栓(規格：10-M20 )有9顆螺栓及其連接筋板被刮掉，只剩下部1顆螺栓連接筋板。

(5)轉輪止漏環。檢查螺栓完好，止漏環被撞傷變形。

檢查結論如下。

(1)水輪機轉輪與主軸連接螺栓1臺套(共18根)全部損壞。

(2)檢修密封裝置(含檢修密封套1、檢修密封套2、檢修密封固定架、檢修密封)一套損壞，無法修復。

(3)內導水錐一套損壞，無法修復。

(4)主軸密封座板損壞，無法修復。

(5)主軸密封一套損壞，回轉環變形。

(6)轉輪止漏環損壞，無法繼續使用。

(7)主軸法蘭有4個螺栓通孔(8、15、16、18號)撞擊變形。

(8)內導環法蘭面嚴重變形。

(9)水導側X、Y向擺度傳感器損壞。

(10)水導側X、Y、Z向振動傳感器損壞。

(11)組合軸承X、Y、Z向振動傳感器損壞。

2 原因分析

從事后對設備各部件損壞情況分析，轉輪與主軸連接附件各主要設備除了6個直徑160 mm銷子完好存在外，其余部件均有不同程度損壞或變形，從轉動角度出發，基本可以判定除了18個M90×4螺栓及6個直徑160 mm銷子是轉動部件外，其余損壞部件在機組運行中基本是靜止件，與轉動部件不會造成碰撞，那么它的損壞應該是螺栓斷裂后，一系列的碰撞造成，而且螺栓的斷裂還不是一次造成，而是逐個引起，相互撞擊形成，取幾個有示范性螺栓圖分析，如圖2～圖5所示。

圖2 1號螺栓被撞擊未斷裂Fig.2 No.1 bolt has not ruptured after being dashed

圖3 4號螺栓完全斷裂Fig.3 No.4 bolt has completely ruptured

圖4 6號螺栓瞬間撞擊斷裂Fig.4 No.6 bolt has instantly ruptured at the moment of being dashed

圖5 15號螺栓斷裂口有銹跡Fig.5 Rust has formed on the rupture port of No. 15 bolt

從以上圖片可以判斷，有些螺栓斷裂時間不是一兩天，而是有一個過程了，可以肯定，從設計角度出發，螺栓承擔著水推力，不受旋轉力矩影響，扭矩力由銷子承擔，但螺栓斷裂又必須受到扭力作用，不然它不會斷裂，而且最先斷裂的應該是受到交變應力最大的那個螺栓，而要使螺栓受力，那說明銷子不夠緊，應由它承擔的扭矩力部分傳遞到螺栓上了。為從根本上探明究竟，請電科院分別對螺栓及銷子進行了分析，初步結論如下。

(1)從斷口的宏觀形貌上觀察，由于螺栓在機組運行過程中受到較大的交變應力作用，從而萌生疲勞裂紋，當裂紋達到臨界狀態時在預緊力和水沖力的作用下快速斷裂。主要是疲勞斷裂引起，特別是16號螺栓，典型的疲勞斷裂，表現在其斷面疲勞擴展區比較光滑，只有一點快速破斷區。

(2)材質力學性能分析，短時拉伸性能。1號試驗材質的屈服強度為720 MPa、抗拉強度為870 MPa、斷面收縮率為52%、伸長率為18%、沖擊韌性45 J/mm2；2號試驗材質的屈服強度為725 MPa、抗拉強度為900 MPa、斷面收縮率為54%、伸長率為18%、沖擊韌性46 J/mm2。2試樣的硬度為254～268。以上進行的力學性能測試數據結果均符日本JISG4303-2005標準[2]對SUS420J2 鋼的要求。

(3)通過對斷裂聯軸螺栓的取樣并定量光譜分析，螺栓的元素成分符合日本JISG4303-2005標準對SUS420J2 鋼要求。

(4)將螺栓用電鏡分析時看到有很多腐蝕后的圓形孔洞，既密集，尺寸也較大，同時夾雜物較多，可以確定這種現象對螺栓的抗疲勞性是不利的。設計時日本廠方對抗疲勞性能沒有明確要求，而對螺栓韌性斷裂的成分比較多一些。

(5)從銷孔與銷釘的配合情況上看(孔徑測量情況見表1)，扭矩銷受的剪切力有部分加到螺栓上，產生一個彎矩，這可能是造成螺栓疲勞斷裂的一個重要原因。

扭矩銷與銷孔配合間隙已超出設計允許范圍。扭矩銷的設計尺寸為φ160(-0.03～-0.04)mm，銷孔的設計尺寸為φ160(0～+0.04)mm，扭矩銷及銷孔的設計配合范圍為φ160(-0.04～+0.04)mm，對扭矩銷及銷孔進行測量,數據見表1。

表1 扭矩銷與銷孔實測數據 mmTab.1 The measured data table of torque pin and pin hole

數據顯示扭矩銷與銷孔的配合已超出允許范圍，在主軸法蘭側銷孔明顯大于轉輪體側銷孔，并且在主軸側銹蝕比較多。機組運行過程中扭矩銷受的剪切力有部分加到螺栓上，產生一個彎矩，會造成螺栓附加應力的增大，加快螺栓的疲勞發展過程。各銷子受力不均可以從拆后圖片看出(銷子有倒角的為轉輪側)，表面黑亮為接觸，銹蝕者為非接觸，見圖6。

圖6 銷子接觸情況Fig.6 A diagram of pin contact

(6)對螺栓安裝緊固工藝應予以改進，原設計是用初步預緊力定0位，然后直接一個轉角確定最終的緊固力矩，存在著0位不完全相同，最終轉角存在較大偏差，各螺栓受力就不一致。監測問題是每顆螺栓安裝時均應測量其拉伸值，從而確保其受力均勻。

3 修復采取的對策

3.1 螺 栓

(1)委托浙富公司對連接螺栓進行重新設計、制造。螺栓材質由3Cr13改為35CrMo，目的是提高材質的抗疲勞程度，對預緊力采用伸長值等多種方法測量。螺栓的光桿部分在安裝前多涂點黃油，防止螺桿在水下運行時發生銹蝕。對螺母進行了改善，將其接觸面改為圓形，改善受力面積。

(2)每個新螺栓均設計有測長孔及配有單獨的測桿，改變以往設計18個螺栓僅有2個螺栓有測長孔，且未配有測桿的現象，從而每個螺栓安裝緊固后的伸長值得以精確控制,如圖7、圖8所示。

圖7 轉輪與主軸連接螺栓改造前Fig.7 The original connection of reel and principal axis

圖8 轉輪與主軸連接螺栓改造后Fig.8 Connective reconstruction of reel, principal axis and bolt

(3)新螺栓到現場后，由于是新材質，根據設計緊固力矩，現場確定其應該達到的伸長值，在現場作業時，控制在+0.01～-0.01 mm，從而保證了每一個螺栓受力基本均勻。

(4)對主軸螺孔及其法蘭面進行修復處理，安裝時，每一個螺孔修平后均用紅丹粉檢查螺母工作面與螺孔面接觸情況，要求其接觸面必須大于75%以上，確保螺桿受力良好。

3.2 銷 子

(1)根據轉輪與主軸連接扭矩傳遞原理，基本可以判定部分扭矩力傳遞到了螺栓，而螺栓的斷裂原因很可能是由于銷子配合過松引起，故在銷子修復過程中，重點是更換新銷子，現場配銷。為了適合燈泡貫流式機組現場實際，專門定制了一套配銷工具，如圖9所示，收到了很好的效果。同時銷孔與銷子配合間隙放小至+0.03～0.04 mm，各銷子配合鉸后數據如表2所示。

圖9 現場配銷示意圖Fig.9 A diagram of live pins matching

表2 扭矩銷與銷孔修后配合尺寸實測數據Tab.2 The measured size table of torque pin and pin hole reconstruction

3.3 監控方面的改進

從螺栓斷裂界面分析，上述螺栓不是同時斷裂，而是有一個從質變到量變、個別到全部的過程，但由于設計的原因，轉輪是泡于水中，止水任務交由檢修密封及主軸密封，在實際設備運行過程中無法評判各部件的健康狀況，為避免類似事故的發生，必須在監測螺栓上下功夫，為此在軸密封板上開一個小洞，設計安裝了如圖10所示的報警裝置。

圖10 螺栓斷裂報警裝置Fig.10 Alarm system for bolt rupture 注：1-軸密封板；2-O形盤根；3-法蘭；4-彈簧墊圈；5-螺栓；6-閘閥；7-空心連接管；8-示流器；9-四通管；10-90°彎頭；11-堵頭。

它的工作原理是：只要有一個螺桿斷裂退出，碰到空心圓管損壞，就會有水流出，示流器發信號，運行人員就會知曉，從而采取措施避免事故的擴大化。

3.4 其他方面的改進

事后分析，事故初發時監控中大量冒水是從內導水錐與內管型座連接法蘭面螺栓孔φ24噴出，那么是否可以安裝一套裝置防止螺栓退出，避免水噴到定子及其他附件成為可能，為此采取一圈螺桿處安裝幾個擋環，目的是擋住螺栓不給其退出，期望起到一些輔助效果。

4 結 語

轉輪與主軸連接螺栓斷裂后會造成一些列的破壞，損失較大，特別是如果處理不當，將會造成水淹廠房，造成極其嚴重的后果。事故后我們得出以下幾條經驗。

(1)遇事不慌，應急處理重點是防止事故的擴大，確保其他機組及輔助設備的運行。

(2)事故發生后要及時關閉機組流道進、尾水閘門，確保沒有外來水。

(3)需要重新設計計算全廠在事故突發情況下，廠房排水設備的可靠性，特別是最大排水量是否滿足最不可能的事故發生時的情況。

(4)定期檢查螺栓的健康狀況，每3 a更換一次螺栓，重新現場鉸孔配銷。

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[1] 廣西電力工業勘察設計研究院. 紅水河百龍灘水電站技術設計報告:第6冊 機電與金屬結構[R]. 南寧:1998.

[2] JAPANESE INDUSTRIAL STANDARD. JIS G4303:2005 stainless steel bars[Z]. 2006.