水輪機(jī)多個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉剪斷銷同時(shí)剪斷事故分析及處理

黃大俊，田吉軍，李星宇

（湖北能源集團(tuán)溇水水電有限公司，湖北 恩施 445801）

導(dǎo)葉剪斷銷是一種水輪機(jī)通用機(jī)械保護(hù)裝置，安裝于導(dǎo)葉拐臂與連板之間，正常情況下，剪斷銷有足夠強(qiáng)度帶動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)[1]，當(dāng)出現(xiàn)導(dǎo)葉被卡住等情況，控制環(huán)操作力增加達(dá)到一定程度時(shí)，剪斷銷薄弱斷面剪斷，從而保護(hù)其他轉(zhuǎn)動(dòng)部件不受損壞，同時(shí)剪斷銷信號(hào)裝置向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)[2]。某水電站裝機(jī)2臺(tái)，所采用的為常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和導(dǎo)葉剪斷銷，2023年5月某日，在2號(hào)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中，發(fā)生瞬間多個(gè)剪斷銷同時(shí)斷裂、機(jī)組被迫停機(jī)的事件。本文針對(duì)上述事件的原因進(jìn)行分析并提出改進(jìn)意見，供同類型機(jī)組借鑒。

1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)為常規(guī)型式，控制環(huán)由2個(gè)接力器操作（調(diào)速器額定油壓16 MPa），通過(guò)連板（厚度16 mm）、拐臂帶動(dòng)16片活動(dòng)導(dǎo)葉，連板與拐臂之間設(shè)剪斷銷，剪斷銷與連板為間隙配合、與拐臂為過(guò)渡配合。為防止剪斷銷剪斷后活動(dòng)導(dǎo)葉撞擊相鄰導(dǎo)葉發(fā)生連鎖反應(yīng)，設(shè)置了導(dǎo)葉限位裝置，限位裝置由導(dǎo)葉拐臂上焊接的鐵塊和導(dǎo)葉上軸套壓蓋上的限位螺栓組成，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)俯視圖見圖1，活動(dòng)導(dǎo)葉限位裝置如圖2，接力器作用平面與拐臂平面高度差約500 mm，如圖3。控制環(huán)安裝于頂蓋上焊接的導(dǎo)向環(huán)內(nèi)，導(dǎo)向環(huán)設(shè)置了徑向和軸向底部抗磨塊，上部設(shè)置了內(nèi)徑小于控制環(huán)底部直徑5 mm的壓環(huán)（或防跳塊），限制控制環(huán)上抬或軸向跳動(dòng)，壓環(huán)與控制環(huán)之間留有2 mm垂直間隙，抗磨塊厚度3 mm，其表面耐磨復(fù)合材料厚度1mm，用沉頭螺釘固定在導(dǎo)向環(huán)上，垂直抗磨塊和控制環(huán)徑向間隙1 mm，如圖4。

圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)俯視圖

圖2 活動(dòng)導(dǎo)葉限位裝置

圖3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)剖視圖

圖4 控制管底部詳圖

2 事故現(xiàn)場(chǎng)概述

2023年5月某日，機(jī)組根據(jù)調(diào)度指令調(diào)整負(fù)荷，負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中巡檢人員聽到水車室有異響，值班員通過(guò)視頻監(jiān)控畫面發(fā)現(xiàn)水車室有大量水向上噴出，為避免事故擴(kuò)大，值班員發(fā)正常停機(jī)指令，機(jī)組停機(jī)。機(jī)組停機(jī)后水車室仍有水噴出，值班員隨即關(guān)閉了蝶閥切斷來(lái)水，并開展現(xiàn)場(chǎng)檢查。現(xiàn)場(chǎng)情況為：圖1中②~⑧號(hào)拐臂上限位塊斷裂，①、②、③及⑦、⑧、⑨號(hào)剪斷銷剪斷，④、⑤、⑥號(hào)剪斷銷與連板脫離，仍在拐臂上，剪斷銷信號(hào)線被扯斷，上述失控的活動(dòng)導(dǎo)葉拐臂將4根頂蓋平壓管中3根撞擊斷裂，導(dǎo)致水從頂蓋平壓管斷裂處噴出，2根補(bǔ)氣管被撞擊斷裂1根。本次事件監(jiān)控上位機(jī)未報(bào)剪斷銷剪斷信號(hào)。

3 事故原因分析

本次事故發(fā)生在機(jī)組調(diào)整出力時(shí)，接力器動(dòng)作過(guò)程中，接力器左右兩側(cè)推拉桿油缸液壓分別作用在有桿腔和無(wú)桿腔，由于無(wú)桿腔作用面積大于有桿腔，二者作用力存在差異，經(jīng)計(jì)算，二者推力（或拉力）相差約610 N，導(dǎo)致控制環(huán)整體受推出方向的水平推力，且推力作用在控制環(huán)上沿，控制環(huán)水平反作用力受力點(diǎn)在底部，與導(dǎo)向環(huán)接觸部位，二者高差約為控制環(huán)高度480 mm，導(dǎo)致負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)控制環(huán)存在翻轉(zhuǎn)力矩，控制環(huán)接力器一側(cè)垂直向上抬升。通過(guò)觀察1號(hào)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整時(shí)控制環(huán)的情況，油缸一側(cè)確實(shí)存在上抬的現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了上述分析結(jié)論。

該機(jī)組2021年3月機(jī)組進(jìn)行了A級(jí)檢修，對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行了解體檢查和維護(hù)，檢修項(xiàng)目包括控制環(huán)底部抗磨塊檢查，抗磨塊基本未磨損。2022年10月開展了機(jī)組C級(jí)檢修，因未拆解控制環(huán)，無(wú)法對(duì)抗磨塊磨損情況進(jìn)行檢查。事件發(fā)生后，電廠組織維護(hù)人員對(duì)控制環(huán)解體檢查，經(jīng)測(cè)量，垂直抗磨板耐磨層磨損量已達(dá)0.5 mm左右，壓環(huán)與控制環(huán)對(duì)應(yīng)的間隙處也存在不同程度磨損，同時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)剪斷銷信號(hào)繼電器線圈燒毀。

根據(jù)檢查結(jié)果分析事件原因：機(jī)組經(jīng)過(guò)兩年多運(yùn)行，控制環(huán)與頂蓋上的導(dǎo)向環(huán)長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，抗磨塊耐磨層磨損，二者間隙增大。機(jī)組調(diào)整負(fù)荷時(shí)，接力器兩個(gè)推拉桿作用力不一致，導(dǎo)致一側(cè)間隙超過(guò)2.5 mm，控制環(huán)單側(cè)上抬時(shí)壓環(huán)失去了限位作用，控制環(huán)帶動(dòng)連板上抬，由于連板與剪斷銷之間為間隙配合，剪斷銷不會(huì)隨連板一同上抬，當(dāng)控制環(huán)一側(cè)（圖中④、⑤、⑥號(hào)導(dǎo)葉）最大抬升幅度大于連板厚度16 mm時(shí)，連板與拐臂分離，對(duì)應(yīng)的活動(dòng)導(dǎo)葉失去約束，被水流沖擊后劇烈擺動(dòng)，因限位裝置強(qiáng)度不足、限位塊斷裂，導(dǎo)葉劇烈撞擊相鄰導(dǎo)葉發(fā)生連鎖反應(yīng)，剪斷銷剪斷后限位塊撞擊斷裂，隨著機(jī)組關(guān)閉以及導(dǎo)葉撞擊力傳遞的衰減，傳遞到第3塊導(dǎo)葉時(shí)（①、⑨號(hào)），限位裝置才發(fā)揮作用。失控的②~⑧號(hào)拐臂猛烈撞擊范圍內(nèi)的頂蓋平壓管、補(bǔ)氣管致其斷裂，反映出導(dǎo)葉動(dòng)作的劇烈程度。

機(jī)組16個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉均安裝有剪斷銷信號(hào)器，以串聯(lián)方式接入剪斷銷信號(hào)繼電器，由繼電器輸出1個(gè)剪斷銷剪斷總信號(hào)至監(jiān)控現(xiàn)地單元LCU，因信號(hào)繼電器線圈燒毀，剪斷銷剪斷信號(hào)未能發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)。

4 采取的措施及效果

（1）由于電站未存放抗磨塊備件，采取了臨時(shí)處理措施，即在抗磨塊背面加墊厚度0.4 mm的銅片，并立即組織抗磨塊備件采購(gòu)，擬在冬季檢修期間予以更換。后期在每年C級(jí)或以上等級(jí)檢修期間將檢查抗磨塊磨損量作為必選項(xiàng)目，根據(jù)磨損情況適時(shí)更換抗磨塊。由于壓環(huán)（防跳塊）與控制環(huán)間有較大的垂直間隙，每次調(diào)整機(jī)組出力時(shí)，控制環(huán)均明顯上抬，與壓環(huán)產(chǎn)生干摩擦，不利于機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，后續(xù)擬在壓環(huán)與控制環(huán)之間設(shè)置抗磨塊并減小間隙至0.5 mm以內(nèi)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)允許的條件下減小壓環(huán)內(nèi)徑，防止控制環(huán)上抬超出壓環(huán)范圍。

（2）加強(qiáng)限位塊裝置強(qiáng)度，增大限位塊厚度，減少或避免1個(gè)導(dǎo)葉失控影響相鄰導(dǎo)葉的連鎖反應(yīng)。

（3）優(yōu)化剪斷銷信號(hào)裝置的配置，采用帶多路獨(dú)立監(jiān)測(cè)、自檢測(cè)功能的信號(hào)裝置，監(jiān)控系統(tǒng)可以獲取每個(gè)導(dǎo)葉剪斷銷信號(hào)。

采取臨時(shí)墊銅片措施后，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中接力器上抬量被控制在2 mm左右，后期在更換帶耐磨層的壓環(huán)并減小間隙后，接力器上抬量將進(jìn)一步減小。

5 結(jié)論及建議

目前常規(guī)水電站機(jī)組控制環(huán)與頂蓋結(jié)構(gòu)均類似，抗磨塊的檢查大多需要拆解控制環(huán)，屬于A、B級(jí)檢修標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，至少4年才開展一次[3]，而一般每年機(jī)組C級(jí)檢修只對(duì)控制環(huán)進(jìn)行普通檢查，無(wú)需拆解控制環(huán)[4，5]，因此無(wú)法檢查抗磨板的磨損程度，存在磨損量超標(biāo)導(dǎo)致控制環(huán)上抬量過(guò)大、連板與拐臂分離的風(fēng)險(xiǎn)。為此，有如下建議：

（1）在控制環(huán)和頂蓋設(shè)計(jì)時(shí)，抗磨塊應(yīng)有足夠厚度的耐磨層，確保至少使用4年以上，同時(shí)機(jī)組應(yīng)常備1套抗磨塊以便及時(shí)更換。

（2）為避免控制環(huán)在機(jī)組出力調(diào)節(jié)過(guò)程中一側(cè)上抬，導(dǎo)向槽上部壓環(huán)（防跳塊）與控制環(huán)之間最好設(shè)置抗磨塊，二者留有較小間隙能確保控制環(huán)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)即可，抗磨塊安裝在控制環(huán)或壓環(huán)均可。

（3）活動(dòng)導(dǎo)葉限位裝置應(yīng)有足夠強(qiáng)度，防止某一個(gè)導(dǎo)葉失控時(shí)限位裝置損壞、限位功能失效，波及相鄰導(dǎo)葉產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

（4）抗磨塊更換超過(guò)2年后，機(jī)組運(yùn)行期間運(yùn)維人員應(yīng)定期觀察機(jī)組負(fù)荷調(diào)整時(shí)控制環(huán)上抬量。