戈蘭灘水電站剪斷銷頻繁斷裂原因分析

云南大唐國(guó)際李仙江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司 計(jì)其祥

引言

剪斷銷又稱破斷銷，帶危險(xiǎn)斷面的內(nèi)通孔圓柱銷。是裝設(shè)在水輪機(jī)導(dǎo)葉拐臂上用于主副拐臂力矩傳遞的安全保護(hù)裝置，在導(dǎo)葉動(dòng)作過(guò)程中若遇異物卡阻，導(dǎo)葉傳動(dòng)操作力將急劇增大，當(dāng)應(yīng)力增大到設(shè)計(jì)應(yīng)力1.5倍時(shí)，剪斷銷剪切端面剪斷，主副拐臂脫離，對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)起保護(hù)作用。同時(shí)，在剪斷銷剪斷后，斷裂上下部分分別隨主副拐臂移動(dòng)，將安裝在剪斷銷內(nèi)孔內(nèi)的剪斷銷信號(hào)裝置破斷，向監(jiān)控發(fā)送剪斷信號(hào)并報(bào)警。

戈蘭灘水電廠是李仙江干流規(guī)劃的七個(gè)梯級(jí)電站的第六級(jí)，機(jī)組為哈電制造的混流立軸傘型水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量3×150MW，額定轉(zhuǎn)速142.9r/min。自2015～2019年電廠三臺(tái)機(jī)組剪斷銷剪斷問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，在檢修中對(duì)剪斷銷無(wú)損檢測(cè)亦多次發(fā)現(xiàn)裂紋，為徹底解決剪斷銷頻繁剪斷問(wèn)題，公司多次組織了專業(yè)分析，進(jìn)行了三個(gè)階段的檢查分析處理，每個(gè)階段都制定具體檢查措施，形成分析檢查結(jié)果，并對(duì)應(yīng)的開(kāi)展了相關(guān)剪斷銷的治理工作，最終找到了剪斷銷剪斷的原因，剪斷銷剪斷問(wèn)題得到了有效處理。

1 第一階段檢查分析處理

戈蘭灘水電廠2015年3月～2017年11月共發(fā)生了5起剪斷銷剪斷情況，三臺(tái)機(jī)組均不同程度的出現(xiàn)了剪斷問(wèn)題，根據(jù)剪斷銷剪斷事件發(fā)生時(shí)設(shè)備的狀態(tài)及斷裂性質(zhì)開(kāi)展了相關(guān)檢查分析處理工作，分析處理過(guò)程如下：

異物卡阻檢查：導(dǎo)葉端、立面間及導(dǎo)水傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間若存在異物可導(dǎo)致剪斷銷受力過(guò)大導(dǎo)致剪斷，每次缺陷發(fā)生時(shí)均進(jìn)行了檢查，未見(jiàn)異物卡阻現(xiàn)象。

導(dǎo)葉端面間隙檢查：戈蘭灘水電廠導(dǎo)葉端面密封為黃銅帶密封，黃銅帶與橡膠帶配合安裝，形成一套密封安裝于頂蓋和底環(huán)過(guò)流面上，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)擠壓黃銅帶，完成蝸殼內(nèi)水與尾水的隔離。導(dǎo)葉上下端面間隙過(guò)小，易與頂蓋或底環(huán)過(guò)流面產(chǎn)生摩擦，同時(shí)可能對(duì)黃銅帶擠壓力過(guò)大，發(fā)生剪切黃銅帶的現(xiàn)象，此剪切的過(guò)程會(huì)造成導(dǎo)葉動(dòng)作阻力增大，從而致使剪斷銷受力增大，超過(guò)剪斷銷設(shè)計(jì)剪斷力時(shí)，剪斷銷剪斷。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)導(dǎo)葉端面間隙進(jìn)行復(fù)測(cè)，上下間隙均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)黃銅帶與頂蓋底環(huán)高差進(jìn)行測(cè)量，均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，外觀檢查完好無(wú)擠壓情況。為防止導(dǎo)葉動(dòng)作過(guò)程中與黃銅帶發(fā)生剪切，已將剪切邊進(jìn)行了倒角處理。所以可排除因?qū)~端面間隙過(guò)小，導(dǎo)葉動(dòng)作阻力增大導(dǎo)致的剪斷銷斷裂的情況。

導(dǎo)葉止推裝置間隙檢查：導(dǎo)葉止推裝置主要用于限制導(dǎo)葉向上的浮動(dòng)量，間隙過(guò)小會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉向上浮動(dòng)時(shí)，拐臂抗磨板與止推裝置產(chǎn)生擠壓。間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉向上浮動(dòng)時(shí)，導(dǎo)葉上端與頂蓋貼合動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生摩擦。所以導(dǎo)葉止推裝置間隙需適中，一般在0.1～0.3mm 間。不管間隙過(guò)大或過(guò)小均會(huì)使導(dǎo)葉拐臂轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到的摩擦阻力增大，從而使剪斷銷剪切力增大剪斷。對(duì)止推端面間隙進(jìn)行復(fù)測(cè)，間隙均偏設(shè)計(jì)值上限,導(dǎo)葉不存在卡阻或摩擦現(xiàn)象，可排除導(dǎo)葉止推裝置間隙超標(biāo)導(dǎo)致剪斷銷受力增大剪斷情況。

控制環(huán)抗磨板及側(cè)瓦檢查：控制環(huán)抗磨板損壞，側(cè)瓦間隙過(guò)小，均會(huì)導(dǎo)致控制環(huán)在動(dòng)作過(guò)程中摩擦力矩增大，從而增加剪斷銷作用力。對(duì)控制環(huán)抗磨板進(jìn)行了完好性及磨損量檢查，均在合格范圍內(nèi)。對(duì)側(cè)瓦間隙進(jìn)行復(fù)測(cè)，間隙較均勻，未發(fā)現(xiàn)擠壓接觸情況。所以可排除因控制環(huán)阻力過(guò)大，導(dǎo)致剪斷銷剪切力增大斷裂現(xiàn)象；接力器壓緊行程檢查：導(dǎo)葉壓緊行程過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致剪斷銷在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)一直受力。長(zhǎng)期如此剪斷銷可能會(huì)出現(xiàn)金屬疲勞，從而導(dǎo)致壽命減短、易斷裂。對(duì)三臺(tái)機(jī)組壓緊行程進(jìn)行測(cè)量，1號(hào)機(jī)組主、副接力器壓緊行程均為10mm左右，超出標(biāo)準(zhǔn)要求的5～7mm，2、3號(hào)機(jī)組滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)1號(hào)機(jī)組壓緊行程進(jìn)行了調(diào)整，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

接力器水平及平行度檢查：接力器水平或平行度偏差較大，在控制導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)，將會(huì)使控制環(huán)橫向或軸向受力，在控制環(huán)動(dòng)作過(guò)程中引起跳動(dòng)或與側(cè)瓦擠壓，導(dǎo)致剪斷銷在動(dòng)作過(guò)程中受軸向分力及沖擊力等。將接力器活塞桿全開(kāi)后用水平儀及內(nèi)徑千分尺檢測(cè)水平及平行度，均在合格范圍內(nèi)，所以可排除由于接力器水平或平行度超標(biāo)導(dǎo)致剪斷銷受力增大所致；接力器與控制環(huán)高差檢查：接力器與控制環(huán)大耳孔處存在高差，會(huì)導(dǎo)致控制環(huán)在動(dòng)作過(guò)程中軸向受力發(fā)生跳動(dòng)，導(dǎo)致剪斷銷在動(dòng)作過(guò)程中受軸向分力及沖擊力等。用水準(zhǔn)儀及水平尺對(duì)高差進(jìn)行檢查，雖存在高差，但已用銅墊板等對(duì)叉頭連接處進(jìn)行了調(diào)平，不存在軸向受力情況。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)限位塊間距檢查：導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在全開(kāi)及全關(guān)位置均設(shè)置有限位裝置，正常情況下均有5～7mm 間距。如間距過(guò)小發(fā)生接觸，就會(huì)使剪斷銷一直受力出現(xiàn)疲勞破壞壽命減短而斷裂。在導(dǎo)葉全關(guān)及全開(kāi)位置進(jìn)行間距復(fù)測(cè)，間距均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，未有接觸或碰撞現(xiàn)象；連板水平檢查：連板水平超差，會(huì)直接導(dǎo)致拐臂受軸向分力，從而直接加大了剪斷銷綜合受力。用水準(zhǔn)儀及水平尺對(duì)連板進(jìn)行水平檢查，均在合格范圍內(nèi)。與拐臂及小耳孔連接處均用銅環(huán)進(jìn)行了高差調(diào)節(jié)。

2 第二階段的檢查分析處理

經(jīng)過(guò)了第一階段的排查及治理，2018年2月1號(hào)機(jī)組2號(hào)剪斷銷再次剪斷，對(duì)2、3號(hào)機(jī)組剪斷銷進(jìn)行排查也發(fā)現(xiàn)了不同程度的剪斷銷裂紋缺陷，綜合第一階段的排查結(jié)果，及本次三臺(tái)機(jī)組剪斷及裂紋情況，判斷可能由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)受力過(guò)大、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期受沖擊應(yīng)力、剪斷銷材質(zhì)選型及設(shè)計(jì)剪斷力偏小所致，隨即便開(kāi)展了第二階段的剪斷銷斷裂檢查分析處理。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體受力檢查：在調(diào)速系統(tǒng)無(wú)水建壓過(guò)程中，將壓力建到0.5MPa，操作導(dǎo)水機(jī)構(gòu)動(dòng)作。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)均動(dòng)作平穩(wěn)正常，可排除因活動(dòng)導(dǎo)葉銅止水設(shè)計(jì)擠壓力過(guò)大、軸套間隙過(guò)小等設(shè)計(jì)原因引起導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體受力過(guò)大導(dǎo)致。

導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間檢查：因在開(kāi)關(guān)機(jī)或調(diào)整負(fù)荷時(shí)動(dòng)作較快，會(huì)導(dǎo)致剪斷銷在改變狀態(tài)時(shí)，受瞬間沖擊載荷較大導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋缺陷或斷裂；對(duì)開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行檢查，均滿足調(diào)保計(jì)算要求，且均偏調(diào)保計(jì)算上限值。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速系統(tǒng)采用的功率調(diào)節(jié)模式，負(fù)荷調(diào)整瞬間動(dòng)作快慢與負(fù)荷調(diào)整量大小相關(guān)，但調(diào)整速率均不會(huì)超過(guò)開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)速率。所以可排除導(dǎo)葉瞬間調(diào)節(jié)過(guò)快導(dǎo)致剪斷銷受沖擊載荷較大產(chǎn)生裂紋或斷裂。

表1 剪斷銷化學(xué)元素測(cè)試結(jié)果

剪斷銷質(zhì)量缺陷檢查：剪斷銷規(guī)格Φ50×145mm，材質(zhì)為45鋼，通過(guò)圖紙計(jì)算剪斷銷中部缺口處最小單邊保障厚度為7.25±0.1mm，硬度＜229HB，設(shè)計(jì)剪斷力為334kN。因3臺(tái)機(jī)使用的均為2015年更換同批次剪斷銷，所以對(duì)同批次隨機(jī)抽取4個(gè)樣品進(jìn)行了外觀檢查、尺寸測(cè)量、材質(zhì)分析、硬度分析、破斷力測(cè)試。#1～#4缺口尺寸測(cè)量的最大值、最小值分別為8.0/7.1、7.8/7.1、6.3/5.9、6.2/6.0。#1～#4剪斷銷硬度（HB/HLD）測(cè)試結(jié)果平均值分別為222、190、216、223。#1～#4破斷剪切力測(cè)試結(jié)果分別為295、286、276、297。

從外觀檢查V 型槽兩邊斜面發(fā)現(xiàn)加工精度不高，表面粗糙度大。有效載荷截面厚度僅7mm 左右，有效厚度較小，同一剪斷銷載荷截面厚度偏差較大。化學(xué)元素檢測(cè)結(jié)果表明剪斷銷各元素成分符合35CrMo 材質(zhì)，與45號(hào)鋼材元素成分不符。硬度值在190～226之間，符合45號(hào)鋼＜229HB 的基本要求。破斷剪切力檢測(cè)均小于設(shè)計(jì)值334kN。再結(jié)合檢修情況，本批次剪斷銷均為2015年采購(gòu)更換同批次，極有可能是造成3臺(tái)機(jī)頻繁剪斷和出現(xiàn)裂紋的主要原因之一。

拐臂摩擦裝置受力檢查：因每塊導(dǎo)葉所受的力矩分別由導(dǎo)葉摩擦裝置和剪斷銷承受。導(dǎo)葉摩擦裝置由主拐臂末端夾套與鎖緊螺栓組成，通過(guò)對(duì)鎖定螺栓對(duì)夾套進(jìn)行緊固從而增大主拐臂與導(dǎo)葉軸的摩擦力矩，因此摩擦力矩主要由摩擦裝置鎖定螺栓的把合力大小決定，若螺栓未按設(shè)計(jì)要求預(yù)緊（設(shè)計(jì)：1000N·m）則摩擦力變小，反之剪斷銷所能承受的力則變大，超出剪斷銷的設(shè)計(jì)剪斷力則剪斷銷剪斷。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)剪斷銷鎖緊螺栓緊固情況檢查發(fā)現(xiàn)其明顯松動(dòng)，用扭力扳手檢測(cè)，均達(dá)不到1000N·m 扭矩。因此判斷導(dǎo)葉主拐臂末端鎖緊螺栓松動(dòng)扭力矩不夠?qū)е轮鞴毡叟c導(dǎo)葉軸間摩擦力矩減小，剪斷銷受力增大。也是造成3臺(tái)機(jī)頻繁剪斷和出現(xiàn)裂紋的主要原因之一。

根據(jù)排查的結(jié)果明確剪斷銷斷裂的原因?yàn)榧魯噤N加工質(zhì)量粗糙，力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)及導(dǎo)葉拐臂摩擦裝置預(yù)緊力矩偏小，隨即在2018年4月對(duì)剪斷銷全部進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)更換并對(duì)摩擦裝置鎖緊螺栓也全部進(jìn)行了扭力緊固。

3 第三階段的檢查分析處理

經(jīng)過(guò)了第二階段的剪斷銷分析處理后，經(jīng)過(guò)半年的運(yùn)行觀察，1號(hào)機(jī)組3號(hào)剪斷銷再次出現(xiàn)剪斷情況，對(duì)三臺(tái)機(jī)組其他剪斷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)正常，說(shuō)明前期的治理工作是有效的，綜合對(duì)比往期剪斷銷的剪斷情況，發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)2、3、20號(hào)導(dǎo)葉剪斷銷斷裂頻次較高，可能屬于個(gè)性問(wèn)題，隨即對(duì)1號(hào)機(jī)組2、3、20號(hào)剪斷銷剪斷問(wèn)題進(jìn)行了針對(duì)性專項(xiàng)結(jié)構(gòu)分析。

頂蓋與底環(huán)導(dǎo)葉孔同心度檢查：頂蓋與底環(huán)導(dǎo)葉孔同心度超差，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉在動(dòng)作過(guò)程中憋勁，從而使導(dǎo)葉動(dòng)作力矩增大，剪斷銷剪斷或產(chǎn)生裂紋。因未大修，直接測(cè)量頂蓋與底環(huán)導(dǎo)葉孔同心度較難，通過(guò)將連板拆卸后采用人工利用專用工具轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉的方法進(jìn)行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)手動(dòng)可實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)受力較大或憋勁等現(xiàn)象，可排除頂蓋與底環(huán)導(dǎo)葉孔超差較大等現(xiàn)象。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件檢查：在對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行排查中發(fā)現(xiàn)其因制造安裝等原因，2、3、20號(hào)導(dǎo)葉連板為定制連板，較同臺(tái)機(jī)其他連板均長(zhǎng)20mm左右，且拐臂與連板連接偏心銷已無(wú)調(diào)短余量。導(dǎo)致在導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中，2、3、20號(hào)導(dǎo)葉最先關(guān)閉，雖較其他導(dǎo)葉優(yōu)先量不大，但使其在帶壓緊時(shí)受力最大。在其他同等條件下，此剪斷銷受力最大，最易產(chǎn)生裂紋及斷裂，此可能為2、3、20號(hào)剪斷銷較其他導(dǎo)葉更易產(chǎn)生裂紋之一。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)，在重新調(diào)整導(dǎo)葉立面間隙后，經(jīng)設(shè)計(jì)單位核算同意后，將2、3、20號(hào)導(dǎo)葉摩擦裝置鎖定螺栓的把合力矩增加到1200N·m，將剪斷銷承受力矩轉(zhuǎn)移部分到抗磨裝置上，從而減小剪斷銷受力。

剪斷銷銷孔檢查：剪斷銷銷孔應(yīng)與剪斷銷緊密配合。配合不緊密，在受力過(guò)程中會(huì)使剪斷銷承受軸線分力而受力過(guò)大產(chǎn)生裂紋或斷裂。在無(wú)水壓將剪斷銷拔起過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)起升力較小就可將剪斷銷拔出。拔出后檢查銷孔尺寸較設(shè)計(jì)尺寸偏大，剪斷銷與銷孔配合不緊密。此可能也為2、3、20號(hào)剪斷銷較其他導(dǎo)葉更易產(chǎn)生裂紋的原因之一。對(duì)其他導(dǎo)葉剪斷銷進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，定制一批尺寸稍大剪斷銷，對(duì)配合不緊密的剪斷銷進(jìn)行了更換。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述三個(gè)階段的檢查、分析、處理，至今設(shè)備已運(yùn)行三年，未再發(fā)生剪斷銷剪斷及裂紋情況，治理情況顯著，剪斷銷剪斷問(wèn)題得到了解決。