水電站混流式機組剪斷銷剪斷原因分析及處理

杜明遠，侯 強

（四川久隆水電開發有限公司，四川 成都 610000）

1 概述

某水電站位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣境內，為河流“一庫兩級”梯級開發方案中自上而下的第二梯級。電站設計引用流量30.9 m3/s，額定水頭412 m，裝設2 臺由杭州力源發電設備有限公司設計制造，單機容量為55 MW 的立軸混流式水輪發電機組，總裝機容量110 MW。

電站機組自2010 年10 月投運以來，運行期間一直存在導葉剪斷銷動作剪斷的問題，一定程度上影響到電站機組的安全穩定運行。

2 運行情況及原因分析

2.1 機組導葉結構情況

該水電站水輪發電機組設計活動導葉23 個，導葉傳動機構由導葉拐臂（導葉摩擦裝置、剪斷銷）、導葉連板、調速環組成。導葉傳動機構保護裝置是由導葉摩擦裝置與剪斷銷交叉布置[1]，其中導葉剪斷銷11 個，摩擦裝置12 個，具體結構見圖1。

圖1 機組導葉布置圖

2.2 剪斷銷設計變更情況

2013 年電站向水輪機設計廠家發函提出剪斷銷易剪斷，且剪斷銷剪斷時導葉位置不固定，檢查發現剪斷銷動作時各導葉的靈活度不一致，經廠家分析得出結論為剪斷銷疲勞剪斷，經核算將剪斷銷設計剪切力提升至1.5 倍，即62 kN。

更換調整剪切力的剪斷銷后，機組剪斷銷仍然出現剪斷的情況，2016 年經咨詢設計廠家再次將導葉剪斷銷剪切力調整至1.65 倍，即68 kN。

2.3 剪斷銷動作剪斷情況

據統計，該水電站2 臺機組剪斷銷剪斷在2019年2 月~2022 年3 月期間剪斷頻次尤為頻繁，共計17 次，均為運行過程中導葉開關時剪斷，通過拆卸下來的剪斷銷斷口分析，所有剪斷銷都有舊的疲勞剪斷痕跡，最后斷裂時的截面均不是全截面，發現舊痕跡最大的剪斷銷占整個截面的4/5 左右，表明剪斷銷并不是一次性應力剪斷，而是存在長期應力疲勞，并且每一次剪斷的剪斷銷均無規律，重復現象極少，剪斷銷斷面情況見圖2。

圖2 剪斷銷斷面照片

2.4 剪斷銷剪斷[2]綜合原因分析

（1）導葉間有雜物（如木塊、樹枝），導葉在開、關過程中將剪斷銷剪斷；

（2）導葉連板，上、中、下軸套安裝時傾斜度過大,水平度不滿足要求，導致導葉動作時力矩過大剪斷；

（3）導葉上、下端面間隙不合格,導致導葉卡阻造成剪斷；

（4）剪斷銷使用時間較長或操作頻繁,使剪斷銷產生應力疲勞剪斷；

（5）剪斷銷質量不符合要求，剪切力未達到設計要求。

3 結合現場檢查情況分析

（1）電站在每次剪斷銷剪斷后進行處理時發現，對應導葉實際位置在水流沖擊下已達到全開狀態，并且單人能利用工器具轉動導葉，剪斷銷更換完成后導葉開關正常，結合開關導葉都有剪斷銷剪斷的情況，說明導葉間存在異物卡塞的情況可能性較小。

（2）機組檢修期間對導葉接力器、控制環、連板的安裝情況進行復測，發現傳動機構各部件安裝均滿足規范要求。

（3）2 臺機組導葉端面間隙值滿足設計要求，且每次對機組導水機構檢查時未發現機組頂蓋、底環抗磨面與導葉端面有明顯的摩擦和拉傷現象。雖然部分導葉存在輕微傾斜情況，但從多年的導水機構檢修和日常維護檢查情況來看，導葉剪斷銷沒有因導葉傾斜或者導葉套筒偏心，造成該導葉剪斷銷重復頻繁剪斷的情況。

（4）目前電站機組長期處于流域AGC 控制、一次調頻投入，調速器動作頻次較以往頻繁，加上之前導葉剪斷銷更換周期不定，剪斷銷為機械應力零件，強度會因使用年限和動作頻次產生疲勞，是剪斷銷剪斷的一個主要原因。2023 年6 月，電站將運行約1 年的導葉剪斷銷抽樣外送進行剪切力試驗校核，發現使用后的剪斷銷剪切力比設計剪切力減小約10 kN，也進一步印證了機械疲勞導致剪切力下降的觀點。

（5）剪斷銷的質量檢查具有隱蔽性，在常規檢查中難以發現。2021 年7 月電站將新購的1.65 倍的剪斷銷抽樣進行外送做剪切力實驗，發現樣品的剪切力最大的為30.5 kN，最小的僅只有12 kN，遠小于剪斷銷的設計剪切力68 kN。剪斷銷質量不合格也是頻繁剪斷的一個原因。

結論：經過總結多年的日常運維和檢修情況，電站對以上可能原因進行了對比分析，最終得出結論為：2019 年2 月~2022 年3 月近3 年的時間內，電站采購的剪斷銷未達到設計應力要求，其剪切力未嚴格按照原水輪發電機廠家要求進行設計和加工，加上剪斷銷在過長的使用周期范圍內出現應力疲勞、強度下降，從而出現無規律的隨機動作剪斷的情況，是剪斷銷剪斷的主要原因。

4 改進措施

（1）采購剪斷銷時，要求廠家提供剪切力試驗報告，必要時抽樣送第三方檢測，確保剪斷銷剪切力符合要求。

（2）針對剪斷銷剪切力疲勞下降的情況，制定每年檢修周期對剪斷銷進行更換的計劃，確保剪切力達到設計值要求。

（3）機組檢修期，須嚴格對機組導葉連板、連板軸套、導葉軸套、控制環、接力器以及導葉端面間隙的數據情況進行測量復核，防止因安裝不規范，導致導葉動作應力過大。

（4）檢修期復核機組調速器壓緊行程，確保調速器壓緊行程不超規范要求，避免機組停機關閉導葉時，接力器油壓操作力矩過大，造成剪斷銷應力疲勞。

（5）在運行期對導水機構進行檢查時，使用塞尺對活動導葉端面間隙進行測量復核，發現底環和頂蓋抗磨面存在高點、毛刺的時候，須進行打磨處理，對端面間隙不符合規范要求的，必須進行調整。

（6）及時對大壩隧洞進口攔污柵進行清理，防止漂浮物從攔污柵進入蝸殼及導葉,發現攔污柵柵條有損壞時應及時進行修復，避免機組運行中雜物進入流道，造成導葉卡阻。

通過以上改進措施，電站從2022 年檢修期后，機組安全穩定運行，至今未出現過剪斷銷剪斷的情況。

5 結語

該水電站剪斷銷非正常剪斷分析處理時間線較長，也是通過多年摸索、排查，在這過程中也總結和吸取了許多的經驗，這類問題發生的原因有很多，具體情況必須具體分析，該水電站剪斷銷這個問題能夠得到徹底處理，可為同類電站提供一些解決問題的思路和辦法，提供一個成功的參考示例。