天生橋二級電站進水閥活門裂紋原因分析

（調峰調頻發電公司天生橋水力發電總廠，貴州 興義 562400）

1 概述

天生橋二級電站位于貴州安龍與廣西隆林兩縣的界河南盤江上，總裝機容量為6×220MW，是國家“西電東送”的主力電廠之一，系中國南方電網公司應急調峰調頻水電廠。5#-6#機組為二期工程，分別于2000年底投產發電。 2008年至2009年在6#機組檢查性大修中，發現蝶閥活門筋板存在6條裂紋，然后進行了焊接處理，2011年和2012年機組檢修中，又發現相同部位產生裂紋，2013年檢查又發現了40mm厚筋板進出水邊根部位置存在裂紋，據檢查其裂紋長度達400mm。

為了找到裂紋的原因，進行了活門固有頻率、閥體與活門振動噪聲測試等工作，通過測試找到了原因，解決了實際問題。

2 活門噪聲振動測試

在水輪機的活門轉臂、蝶閥閥體和下游鋼管處適當位置布置加速度傳感器進行振動測試，并在蝶閥殼體處放置噪聲計，進行噪聲測試。將采集到的振動和噪聲信號同時輸入到信號分析儀，進行振動和噪聲頻譜分析。

試驗工況為機組進行升、降負荷試驗，測試期間上下游水位基本保持在641.36m和440.47m左右，試驗毛水頭約為200.89m。將負荷從0升至220MW，每次升20MW，然后從220MW降至180MW，每次降10MW，進行升、降負荷測試，記錄測得的振動噪聲結果。

從測試結果分析出：

（1）在190MW～200MW負荷運行區域，活門轉臂、閥體、下游鋼管處振動和閥外殼處噪聲主頻為62.50Hz；在210MW～220MW區域，主頻為73.12Hz。

（2）閥體外殼處噪聲在0MW～180MW負荷運行區域存在33.12Hz主頻，振動測點未發現該主頻成分；下游引水鋼管在此負荷運行區域存在91.25Hz主頻，其它振動測點未發現該主頻成分。

（3）在80MW～180MW負荷運行區域，閥外殼處噪聲和其它測點振動幅值與其它工況相比存在明顯增大現象。

（4）在100MW～160MW負荷區域運行時，閥體外殼處出現明顯的噪聲增大現象，與閥體、活門轉臂和下游鋼管振動增大趨勢一致，噪聲振動能量最大工況點為140MW。

（5）從各工況點頻譜分析來看，除噪聲一直存在33.12Hz主頻、下游引水鋼管一直存在91.25Hz主頻外，閥體和活門轉臂未發現振動主頻一致現象。在機組穩定運行工況190MW～200MW，200MW～220MW，噪聲與振動主頻一致，分別為62.5Hz和73.12Hz，這一主頻的產生應與活門過流量有一定關系。

因此初步判斷活門裂紋的產生最有可能與機組經常穩定運行區域190MW ～ 200MW 、210MW ～ 220MW時出現的62.5Hz 、73.12Hz噪聲和振動主頻有關，由于該主頻與活門筋板自身固有頻率相吻合，加之長時間運行，以致產生疲勞現象，從而在焊接薄弱部位產生裂紋，并隨之擴展。

閥體外殼噪聲與活門轉臂、閥體、下游引水鋼管的振動在高負荷區出現了單一頻率的吻合現象，與卡門渦出現情況極為類似，因此初步懷疑為過流部件（活門）在水中產生卡門渦，造成過流部件疲勞破壞現象。

從相對振動幅值對比來看，機組在100MW～160MW負荷區域為振區， 處在這一區域時閥振動最為強烈，經常穿越這一區域對活門的疲勞壽命也是有影響的。

3 過流板件固有頻率測試

固有頻率測試主要分別針對有裂紋和無裂紋的活門40mm、60mm和90mm筋板在空氣中進行。采用錘擊法，在各板厚筋板的相應位置選取拾振點，錘擊方向與加速度傳感器的方向一致，將力信號、響應信號輸入到信號分析系統進行頻譜分析，然后分別記錄測點頻率值、一階振型、二階振型、三階振型和四階振型。

活門各板件在水中固有頻率將降低，按經驗下降系數約為0.7～0.8。從測試結果看出，有裂紋的40mm厚筋板，在水中的一階固有頻率約為90～103Hz，無裂紋的約為102～116Hz；有裂紋側的60mm厚筋板約為127～145Hz，無裂紋側的約為127～145Hz；90mm厚蓋板約為65～88Hz，為整體彎曲振型。

通過對活門各板件固有頻率與振動模態測試分析，綜合分析得出：

（1）活門90mm厚蓋板在空氣中一階固有頻率在93～111Hz范圍，其模態振型為彎曲振型。

（2）活門在190MW～200MW穩定運行區域噪聲與振動主頻為62.5Hz，在210MW～220MW區域為73.12Hz，這兩個頻率均與活門水中一階固有頻率相吻合，因此可判斷活門固有頻率與卡門渦頻率出現耦合現象，并引起卡門渦振動。

（3）從振動和噪聲幅值與能量來看，在210MW～220MW工況時振動與噪聲出現明顯增大現象，因此可判斷由主頻73.12Hz引起卡門渦共振的可能性更大。

（4）從各過流板件的出水邊形狀檢查來看，活門90mm厚蓋板出水邊厚40mm且為完全對稱結構，其卡門渦估算頻率約為52.1～73.3 Hz，具備引起卡門渦振動的必要條件。

結語

通過對活門振動噪聲和固有頻率測試，以及對活門的剛強度復核計算，引起活門裂紋的主要原因如下：

（1）90mm厚蓋板固有頻率與卡門渦頻率相吻合，導致蓋板出水邊卡門渦共振。蓋板的彎曲振動使筋板根部承受拉壓交變應力，而產生卡門渦工況又為該機組長時間穩定運行工況，長期損傷累積導致疲勞破壞。

（2）機組啟停機時均需穿越不穩定區，機組不穩定運行區域較大，活門在此區域運行時脈動壓力也會使筋板產生疲勞損傷，以致裂紋的產生。

（3）檢修補焊時，在裂紋焊接后未完全進行鏟磨清根與打磨圓滑過渡處理，形成應力集中現象，易引生疲勞裂紋。

[1]高洪軍．水電站蝶閥的結構分析[J]．發電設備，2005（05）.

[2]李定中，葉鐘黎，等. 水力發電廠機電設計規范[S]．北京：中國電力出版社，2004：8-9.

[3]田迅，牛文彬．民治水電站水輪機進水閥選擇研究[J]．水力發電，2005，31（06）：51.