發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器失穩(wěn)原因分析及處理

趙貴前，張永杰，馮東磊，陳善貴 ，李 兵

（1.國網(wǎng)新源建設(shè)有限公司，北京市 100053；2.國家電投集團五凌電力有限公司山西分公司，山西省太原市 030024；3.國網(wǎng)新源安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300）

0 引言

波紋管補償器也叫膨脹節(jié)，由構(gòu)成其工作主體的波紋管和結(jié)構(gòu)件組成，在抽水蓄能電站技術(shù)供水的各種管道中都有使用，它能夠補償管道的機械變形和吸收各種機械振動，降低管道變形應(yīng)力，提高管道使用壽命。波紋管補償器連接方式分為法蘭連接和焊接連接兩種，直埋管道波紋管補償器采用焊接連接方式，明敷管道采用法蘭連接方式。

波紋管補償器在抽水蓄能機組的生產(chǎn)供水管路中得到應(yīng)用，其可靠性是通過設(shè)計、制造、安裝、運行管理等多個環(huán)節(jié)來保證的，任何一個環(huán)節(jié)的失控都會導(dǎo)致波紋管補償器壽命的縮短。在生產(chǎn)過程中，常見的波紋管補償器故障主要表現(xiàn)在失穩(wěn)，失穩(wěn)的形式有平面失穩(wěn)和柱狀失穩(wěn)兩種。平面失穩(wěn)是指波紋環(huán)板平面翹曲、變形、波距不均勻等變形而失效的情況；柱狀失穩(wěn)是波紋管軸線總體彎曲，偏離原來的直線位置，導(dǎo)致波紋管失效的情況。無論是哪一種失穩(wěn)，都是波紋管發(fā)生了幾何形狀改變而失去原有平衡狀態(tài)，產(chǎn)生形狀畸變而失效。抽水蓄能電站技術(shù)供水系統(tǒng)管路中所用的波紋管補償器運行基本平穩(wěn)，但也有過失穩(wěn)的故障情況發(fā)生。

1 波紋管補償器失穩(wěn)的情況

某抽水蓄能電站發(fā)電電動機定子設(shè)計為無下支墩結(jié)構(gòu)，即定子機座下環(huán)板直接放置在定子基礎(chǔ)上，由于定子下部空間有限，故其空冷器采用了上進/上出水方案。空冷器固定在機座外壁上，其進/出水管分列兩邊，一端與定子基礎(chǔ)埋管相連，一端與空冷器水箱相連。定子機座在機組運行時會產(chǎn)生振動并受溫度變化而膨脹或收縮，空冷器進/出水管與基礎(chǔ)相連一端為固定端，而與空冷器水箱的一端，由于定子機座在機組運行中存在振動或位移，所以這一端將承受振動或位移所產(chǎn)生的外力。另外，由于空冷器的冷卻水取至尾水管，進/出水管內(nèi)冷卻水壓力較高、水流速相對較大，冷卻水對管路會造成一定沖擊，冷卻水流速及壓力的波動沖擊則會加劇管路的振動。為適應(yīng)定子的振動及位移，減緩空冷器冷卻水的沖擊，空冷器的進/出水管設(shè)置了波紋管補償器，見圖1。

圖1 發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器布置示意圖Figure 1 Schematic diagram of air cooler bellows compensator for generator-motor

在該抽水蓄能機組完成設(shè)備安裝調(diào)試進入試運行期間，出現(xiàn)了發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器柱失穩(wěn)現(xiàn)象，故障情況見圖2。

圖2 發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器發(fā)生柱失穩(wěn)的故障圖Figure 2 Failure diagram of column instability of generatormotor air cooler bellows compensator

2 波紋管補償器失穩(wěn)原因分析

由于該抽水蓄能機組是新安裝的機組，設(shè)備在試運行，對失穩(wěn)的波紋管補償器進行了工廠質(zhì)量回查，質(zhì)檢報告和出廠試驗完整齊全；現(xiàn)場解體檢查，設(shè)備不存在偷工減料，以次充好的情況。經(jīng)過綜合檢查與分析，主要原因如下：

該抽水蓄能電站空冷器波紋管補償器的結(jié)構(gòu)為單式軸向型結(jié)構(gòu)[1]，波紋管內(nèi)沒有導(dǎo)向筒，主要用于吸收軸向位移，而橫向允許位移較小，其承受子午向綜合應(yīng)力較弱，環(huán)向應(yīng)力也比較弱。在波紋管補償器安裝時，部分管路上下端軸向和橫向存在偏差，波紋管在水流壓力作用下出現(xiàn)扭曲損壞，即柱狀失穩(wěn)[2]。

由于沒有導(dǎo)向筒，波紋管內(nèi)部與外部形狀一致，均為波紋形狀，水壓沖擊較大時，波紋管易發(fā)生失穩(wěn)，主要的力學因素是由于內(nèi)壓引起的沿徑線作用的彎曲應(yīng)力過大，在波峰與波谷處形成塑性鉸[3]。

該抽水蓄能電站空冷器進出/水為上進/上出，管路支撐點位置較遠，波紋補償器支撐剛度較弱，不能有效限制其橫向位移，也是發(fā)生柱失穩(wěn)的因素。

3 波紋管補償器失穩(wěn)處理

綜合以上該抽水蓄能電站發(fā)電電動機空冷器波紋管補償器出現(xiàn)失穩(wěn)的分析，可見其主要原因，一個是選型結(jié)構(gòu)問題，另一個是安裝問題，相應(yīng)采取以下處理措施：

（1）為減小波紋管內(nèi)部水壓擾動，并提高波紋管本身的抗橫向變形能力，對波紋管補償器的結(jié)構(gòu)進行改進，主要是在波紋管內(nèi)部增加導(dǎo)流筒設(shè)計[4]，在補償器中安裝導(dǎo)流筒，導(dǎo)流筒又稱導(dǎo)向筒，可以有效的固定方向，保護波紋管的內(nèi)壁，同時波紋管增加內(nèi)導(dǎo)流筒后其內(nèi)孔直徑不小于波紋管兩側(cè)連接管路內(nèi)孔直徑，不會對冷卻水流動產(chǎn)生阻礙作用，見圖3。

圖3 更換結(jié)構(gòu)的波紋管補償器示意圖Figure 3 Schematic diagram of bellows compensator for replacement structure

（2）改進波紋管補償器安裝工藝，對已安裝管路進行檢查，存在軸向及橫向偏差較大的管路進行重新配管，保證上下管路的同心，嚴禁采用波紋管補償器變形的方法來調(diào)整管道的安裝超差[5]；在安裝過程中，不允許焊渣飛濺到波殼表面，不允許波殼受到其他機械損傷[6]；安裝完畢后，及時拆除波紋管補償器上用作安裝運輸?shù)妮o助定位構(gòu)件及緊固件，補償器所有活動元件不得被外部構(gòu)件卡死或限制其活動范圍，保證各活動部位的正常動作[7]；水壓試驗時，對裝有補償器管路端部的固定管架進行加固，使管路不發(fā)生移動或轉(zhuǎn)動[8]。

（3）為減小機組運行過程中的管路振動，增強管路的穩(wěn)定性，空冷器進出水管增設(shè)部分固定管夾。

4 結(jié)語

波紋管補償器的失穩(wěn)，在管道試壓和長期運行過程中均有可能發(fā)生。試運行期間失效的主要原因是選型和安裝不符合要求造成。該抽水蓄能電站發(fā)電電動機空冷器波紋管失穩(wěn)是在試運行期發(fā)生的，不存在腐蝕泄漏的可能，因此，正確地選擇波紋管結(jié)構(gòu)，嚴格按工藝要求安裝，是保證抽水蓄能技術(shù)供水波紋管補償器安全可靠性的有效措施。