青居水電站轉輪連接機構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)十三級規(guī)劃中的第十個梯級，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，下游與東西關水電站相連。電站裝有4臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，單機容量為34 MW，水輪機型號GZ(B14)-WP-615,總裝機為136 MW，設計額定水頭11 m，額定轉速為93.75 r/min。2004年5月28日首臺機組投運，2005年5月份4臺機組全部投產。調速器由國電南瑞電氣控制公司生產的ZFL-100/S型雙調節(jié)調速器，主機設備由杭州東芝水電有限責任公司生產。對于轉漿式機組，轉輪漿葉的正常工作是非常重要的，本文介紹了青居電站1臺機組轉輪（轉輪結構見圖1）在運行狀態(tài)下槳葉動作失聯(lián)的情況及處理方法，對從事類似設備運行和檢修的人員提供參考。

圖1 青居轉輪圖

2 故障現(xiàn)象

2017年3月30 日上午7:35，運行值班人員發(fā)現(xiàn)青居2F機組有功功率在20～17.8 MW之間跳動變化，機組振動和水導擺度明顯較大，且轉輪室發(fā)出異常響聲。隨后通知檢修人員對2F機組進行停機檢查，手動操作槳葉，槳葉開度調節(jié)范圍為4.5%～65.5%（正常動作范圍0%～100%）；發(fā)現(xiàn)異常后。即刻采取安全措施對2F機組進行落門、流道排水檢查，發(fā)現(xiàn)轉輪1號槳葉密封處有漏油，且手動操作調速器該槳葉動作失敗，轉輪其他槳葉均可動作，但轉角范圍異常變小。現(xiàn)場檢查轉輪室與槳葉之間的間隙符合設計要求，轉輪室上半部與槳葉有輕微摩擦痕跡。機組負荷波動較大，槳葉動作不協(xié)聯(lián)，造成機組運行水力不平衡，引起機組振動大（當時測擺裝置記載水導擺度最大超過2 000 um），使槳葉與轉輪室之間發(fā)生輕微摩擦發(fā)出異常響聲。

3 部件損壞情況

施工單位將轉輪吊到安裝間進行分解檢查，拆除泄水錐，發(fā)現(xiàn)1號槳葉連接機構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號連桿機構與活塞缸脫離，連桿機構處于失控狀態(tài)，失去操作功能，因而該槳葉不能操作了。1號連桿機構失控后，位置發(fā)生了變化，使活塞缸動作時，連桿機構上的螺桿不能與活塞缸上的孔保持吻合對應，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)槳葉動作異常時，由于檢查需要，對槳葉做了多次操作，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。同時對1號連桿機構也加劇了損壞，至使1號連桿機構的連接板卡在了轉輪體內不能取出。為不傷害轉輪體，對連接板做了局部切除處理，方才從轉輪體內拆出連桿機構。將活塞桿和連接機構及轉臂一起吊出轉輪體后，做了進一步檢查，由于1號連桿受到活塞缸的嚴重撞擊，使1號槳葉轉動失控的情況下，旋轉角度超過了設計最大轉動角度，拐臂與相鄰的2號和4號拐臂發(fā)生了異常碰撞，使它們的拐臂軸徑頭部變形。致使1號、2號、4號拐臂與各自的內軸套發(fā)生卡死現(xiàn)象，現(xiàn)場均采取破壞內軸套的方式將拐臂取出。總體造成部件損壞情況為：1）3顆M64螺桿斷裂；2）一副連板嚴重變形報廢；3）3副Ф450內軸套銅瓦報廢；4）活塞缸與連接板的連接螺孔嚴重受損需要修復處理；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

轉輪分解完成后，公司組織了相關廠家、設計單位、安裝單位等多名專家進行了分析，初步認定M64螺栓斷裂是導致此次眾多部件受損事件的主要原因，為進一步查明螺栓斷裂的原因，我公司委托西安熱工研究院對青居電站2號機組1號連桿機構斷裂的連接螺釘進行失效分析，西安熱工研究院通過螺釘材質、樣件應力分析、金相分析、螺釘斷面性質（見圖5、圖6A、圖6B、圖 6C、圖 7）等綜合分析得出結論，其結論為：1）1號和2號連接螺釘?shù)母黜棛z驗結果符合 JB/T 6396-1992對 35CrMo的要求；2）、3號連接螺釘實際使用的材料為2Cr13，與電廠要求的替代材料8.8級不符（原3號螺栓在2016年3月份A修檢查發(fā)現(xiàn)有裂紋，外購外觀相同螺栓進行更換，距今1年），其室溫規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度和布氏硬度不符合GB/T3098.6-2014對8.8級螺釘要求，且也低于JB/T6396-1992對原設計材料35CrMo的要求，顯微組織明顯異常；3）3個連接螺釘?shù)臄嗔研再|均為疲勞斷裂，其斷裂順序為3號、2號、1號。3號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個螺栓操作力加大，相繼斷裂，因此3號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，從螺栓結構上看，斷裂的M64連接螺栓屬于內六角螺栓，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)場分解轉輪部件中看到，1號轉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，長度200 mm，寬度10 mm。分析認為在轉輪組裝試驗時，沒有安裝調整好，轉動的槳葉與固定的密封壓板之間的間隙，使轉輪在低速運轉情況下（轉輪槳葉的起始角是20°），操作槳葉時與壓板之間產生金屬摩擦，增加了連接螺栓的操作力，增加了螺栓的疲勞強度，也是造成該部位螺栓斷裂的一個因素；第四，連接螺栓在安裝中的預緊力可能沒有達到設計要求，在工作環(huán)境溫度升高的情況下，連接件之間緊量不足，存在相對運動間隙，是螺栓增加工作疲勞，產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 改進措施

5.1 總體實施方案

（1）對2F機組裝配件（除槳葉和下泄水錐外）全部返廠進行檢查與修復；

（2）確定對M64連接螺栓進行優(yōu)化設計，由內六角改為外六角，1號連桿的3顆螺絲由M64改為M72（擔心內螺紋受損）；

（3）4只槳葉內軸套、1號槳葉內、外連接板等按照原圖紙新制；

（4）廠家重新校核轉輪重要部件螺栓的預緊力及預緊工藝；

（5）其他重要部件視檢查結果及數(shù)據(jù)確定最終修復方案。

5.2 重要部件修復工藝方案

（1）活塞缸修復工藝：1）采用風動銑刀將缺陷打磨平整光滑，便于補焊；2）對補焊區(qū)域進行PT探傷檢查；3）將補焊區(qū)域周邊表面的油污及雜質清洗干凈；4）工件焊接區(qū)域及周邊適當范圍焊前預熱；5）采用適當焊接工藝進行補焊；6）焊補前注意保護其余精加工面，禁止碰傷及損傷；7）補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，將補焊區(qū)域打磨平整光滑；9）對焊接區(qū)域進行PT探傷檢查；10）工件底面向上，較大平面銑補焊處與原本體焊平，盡量不要傷到本體。

（2）拐臂修理工藝：轉輪返廠后，經檢查，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。經過討論決定小端軸及大平面磨平、耳朵的變形在無裝配干涉下，可以不處理。如有干涉，局部修磨處理。

（3）活塞桿修理工藝：對活塞桿焊接部位進行PT探傷和超聲波UT檢測，發(fā)現(xiàn)多處有裂紋、咬邊等現(xiàn)象，裂紋長度不等，其中最長為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，工件將在運行過程中有可能導致裂紋延伸擴展。將對檢測出來的裂紋銑削去除處理，且平滑過渡。

（4）活塞缸軸套：內孔多處貫穿拉傷，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號拐臂內、外連扳2個及其連接螺絲12個；更換內軸套4個；更換活塞環(huán)1個。

6 結束語

（1）2017年6月22日，青居電站2F機組一次啟動成功，比預定的修復工期共提前了17 d，青居電站2F機組轉輪修復工期的縮短與機組運行的優(yōu)良狀況，標志此次轉輪搶修取得了全面成功。本次青居電站2F機組轉輪修復處理過程中按照“事前周密謀劃，事中委托掌控；大事統(tǒng)籌，小事細致”的原則。在確保青居電站2F機組轉輪修復質量前提下，達到“機組安全穩(wěn)定，豐水期盡快恢復發(fā)電”的預期效果，為以后處理類似問題提供寶貴經驗。

（2）機組回裝投運后進行了甩負荷等動態(tài)試驗，試驗參數(shù)、數(shù)據(jù)及波形圖均滿足調速器動態(tài)品質要求，證明槳葉操作機構靈活，停機檢查2F機組風洞、水輪機豎井、發(fā)電機豎井、控制環(huán)以及轉輪室，均未發(fā)現(xiàn)異常；另外2F機組投運后跟蹤監(jiān)測機組溫度、振動及擺度均符合機組運行相關參數(shù)要求。

（3）本次2號機1號槳葉機構螺栓斷裂事件為機組關健部件提出了檢修質控要求。需加強在役大型螺釘?shù)亩ㄆ跓o損檢測、硬度檢驗；加強大型螺釘備品的入廠材質檢驗；且根據(jù)槳葉連桿機構的結構和運行特征對所有的槳葉的振動、螺釘預緊力、活塞卡澀等情況進行排查分析和對比，以降低螺釘疲勞失效的風險。

（4）本事件告訴我們，在轉輪操作機構出現(xiàn)異常的情況下，應有專業(yè)人員認真分析現(xiàn)象，避免盲目操作檢查，使部件損傷加劇和范圍擴大。對類似機組關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組，機組開停機及增減負荷時轉輪葉片均需頻繁動作，槳葉操作機構的相關連接螺栓長期受到交變荷載，存在疲勞失效的風險，將會在機組A修同時整批次更換，更換周期廠家建議為10年。

[1]GB/T8546-2007鈦不銹鋼復合板標準[S].

[2]GB/T 3098.6-2014緊固件機械性能.不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱標準[S].

[3]JB/T 6396-1992大型合金鋼鍛件技術條件標準[S].

[4]青居電站設備廠家圖紙[Z].