紅花水電站2號機組轉輪聯軸螺栓斷裂分析

覃定吉

（中廣核紅花水電有限公司，廣西 柳州545101）

1 概述

紅花水電站位于廣西壯族自治區柳江縣境內，距上游的廣西最大工業基地——柳州市25 km，是珠江流域西江水系柳江綜合利用規劃確定的柳江干流最下游一個梯級，是一個以發電、航運為主，兼顧灌溉、旅游、養殖的綜合利用水利樞紐工程。電站共安裝6臺單機容量為3.8萬kW燈泡貫流式機組，其中1號、3號、5號機組由四川東方電廠生產制造，2號、4號、6號機組由哈爾濱電機廠生產制造，總裝機容量22.8萬kW，設計多年平均發電量為9.02億kW·h。電站采用擴大單元（2機1變）接線方式，共3臺主變壓器，3臺主變壓器容量均100 000 kVA，設置2回220 kV出線經柳州供電局的月山變電站接入南方電網。電站第1臺機組于2005年10月投產發電，最后1臺機組于2007年2月投產發電。

2 2號機組轉輪聯軸螺栓斷裂前運行情況

2號水輪發電機組于2006年2月投入運行發電至今，已運行約2萬h左右，2號機組從未進行過A級檢修，但進行過一次B級檢修，其余都是進行C級檢修。2011年6月7日17:30，當時全廠6臺機組都并網運行，全廠機組總出力180 MW，其中2號機組所帶負荷為30 MW正常運行，當值運行人員通過中控室視頻監控系統發現了2號機組主軸密封漏水較大，立即向調度值班員申請停機檢查，并通知檢修人員現場檢查，發現2號機組水輪機轉輪與大軸聯接螺栓4顆連續斷裂，其中3顆螺栓帶有銷套，另1顆未帶銷套?，F場拆除的螺栓中與斷裂螺栓相鄰的有3顆螺栓檢查有裂紋，并有多螺栓底部沒有測長接頭，還發現個別螺母斷面與主軸法蘭面之間有間隙。經現場查看，螺栓斷裂面均在距螺母下端面約10 mm位置處，且螺栓斷裂面呈窩狀凹陷，螺栓斷口較光滑，如圖1所示。

圖1

3 2號機組轉輪聯軸螺栓斷裂原因分析

從圖1的照片可見，螺栓斷口較光滑，從螺栓斷口的特點判斷，螺栓主要是在軸向載荷作用下發生斷裂，即螺栓是在拉力作用下被拉斷。

根據轉輪裝配圖的結構布置進行受力分析，螺栓只承受軸向載荷，設計圖紙要求聯軸螺栓伸長量為0.32 mm，經計算此時螺栓預緊力為螺栓最大工作載荷的4倍，即螺栓的預緊安全系數為4（國家標準規定控制預緊力時的安全系數不小于2），而此時螺紋強度的計算結果如下：

（1）螺栓（外螺紋）

1）螺栓材料、屈服極限σs=735 MPa；

許用拉應力：〔σ〕L=7/8σs=643.125 MPa；

許用彎曲應力：〔σ〕W=2/3σs=490 MPa；

許用剪應力：〔σ〕=2/3σsx60%=294 MPa。

2）螺栓伸長量為0.32 mm時計算應力值：

螺栓最大拉應力為：σmax=211 MPa；

螺牙彎曲應力：σw=156.5 MPa；

螺牙剪應力：τ=83.84 MPa。

（2）螺母（內螺紋）

1）螺母及轉輪體材料、屈服極限及許用應力（按轉輪體材料計算）：

螺母材料：鍛鋼35；屈服極限σs=275 MPa；

轉輪體材料：ZG20SiMn；屈服極限σs= 255 MPa；

許用彎曲應力：[σ]W=2/3σs=170 MPa；

許用剪應力：[τ]=2/3σsx60%=102 MPa；

2）螺栓伸長量為0.32 mm時內螺紋計算應力值：

螺牙彎曲應力：σw=148.9 MPa；螺牙剪應力：=79.8 MPa。

由計算可見，無論從預緊安全系數，還是螺紋副本體的強度，螺栓連接都是安全可靠的。

根據對螺栓的受力及螺栓斷口的形狀分析，初步判斷螺栓斷裂的主要原因為現場安裝時螺栓伸長值相對誤差較大，導致聯軸螺栓受力不均，同時螺栓伸長值測量誤差偏大，導致使一些螺栓安裝時伸長值沒有達到設計要求，螺栓預緊安全系數不夠，運行中在交變負荷作用下螺栓與螺母連接處出現松動。現場實際情況也證明，個別螺母斷面與主軸法蘭面之間出現間隙，這說明此處螺栓與螺母連接已出現松動。

當螺栓與螺母連接處出現松動后，螺栓在軸向變載荷作用下會慢慢萌發裂紋，隨著裂紋的擴展，螺栓發生斷裂。當第一個螺栓斷裂后，相鄰螺栓載荷會增加，并相繼出現裂紋，直至斷裂。鑒于其余未斷裂的螺栓由于運行中的受力不均及拆裝過程中的破壞，螺栓均有不同程度的損傷。

4 轉輪與大軸連接螺栓斷裂處理經過

（1）落實2號機組安全措施，分別對4號、6號機組轉輪連接螺栓進行檢查；

（2）派檢修維護人員落2號機組進水口檢修閘門以及尾水檢修閘門；

（3）排空2號機組流道水，進入流道對槳葉間隙進行測量；

（4）拆除2號機組的水導側主軸密封、管路及拆卸被剪斷螺栓；

（5）清洗螺栓及轉輪螺牙，并對螺牙進行修復；

（6）對其余螺栓逐個拆卸進行探傷檢查，并逐個進行回裝；

（7）對螺栓進行加熱伸長預緊；

（8）回裝主軸密封及管路；

（9）機組空轉試運行試驗及機組并網運行。

整個處理過程一共用了9 d 24 h 3班搶修，因為處于洪水期，此次故障共造成電量損失約500萬kW·h，直接造成經濟損失28萬元。

5 故障處理暴露問題

（1）在機組原安裝及檢修過程中，安裝質量存在一定問題，螺栓內孔應有堵頭封住，但在拆卸過程中大部分未封堵，也就是說，部分裝了堵頭的可以測量伸長值，未裝堵頭的螺栓伸長值無法測量，安裝質量存在問題。

（2）機組一些關鍵事故備件無庫存，需完善備件管理。

（3）機組未裝在線監測系統，如振動、擺度、位移等數據未能及時提供給運行人員，運行人員不能依據可靠數據做出及時、準確機組故障判斷。由于紅花電廠人員少，設備臺數多，有必要增加機組在線監測系統。

（4）電廠壩頂門機僅1臺，有3套抓梁。如果此次故障擴大，存在水淹廠房危險，假設門機安裝的是泄水閘檢修門抓梁（防汛用），要落前流道檢修閘門，更換抓梁就需2 h，加上落閘門2 h，共需4 h，就嚴重影響水淹廠房的搶修進度。

（5）尾水閘門門庫高程底，如在汛期，在下游水位超過門庫高程時，淹沒尾水閘門平臺，尾水閘門無法解除鎖定，起不到快速閘門作用。

6 采取的預防措施及建議

（1）為保證2號機組今后能夠長期安全穩定運行，已將2號機組水輪機轉輪與主軸連接處的16套螺栓與螺母全部進行更換；

（2）新的螺栓安裝、預緊后，要求螺栓冷卻到室內溫度后其伸長值應不小于設計值，同時安裝后所有螺栓伸長值誤差應不超過螺栓伸長值的10%；

（3）保證機組在額定水頭范圍內運行，盡量使得機組在最優工況下運行，避免機組長時間處于振動區運行；

（4）建議增加機組在線監測系統，如振動、擺度、位移等數據實時監測，為運行人員提供可靠數據做出機組故障判斷，避免或減少故障的發生；

（5）加強安裝外協單位的安裝質量的監管力度；

（6）加強備品備件管理，加大資金投入，機組一些關鍵備件需采購，特別是采購周期長的關鍵備件需有庫存；

（7）在年度檢修期間，加強對其余5臺機組轉輪與大軸連接螺栓的檢測，特別是4號、6號機組的檢查；

（8）由于紅花電廠機組臺數較多，按照規定需2臺壩頂門機，包含落機組閘門、泄水閘門、船閘檢修閘門及設備吊裝。在機組需快速落下閘門時，1臺壩頂門機無法滿足要求，建議增購1臺壩頂門機；

（9）完善紅花電廠水淹廠房應急預案，是否考慮增加廊道抽水備用水泵庫存。

7 值得總結的經驗

在此次故障發生前，運行人員及檢修人員巡視到位，缺陷發現及時、準確，采取處理措施得當，避免了水淹廠房事故；故障發生后，公司總經理部領導高度重視，及時到達現場協調組織相關人員進行處理，立即聯系相關單位，此次處理響應速度快，組織措施得力；工業電視系統在此次故障發現過程中發揮了重大作用，避免了故障擴大；檢修外協施工隊伍響應速度快，作為一個電廠需要一支響應速度快、能解決問題的外協隊伍；公司運行檢修人員吃苦能力強，連續作戰能力強，從故障發生到處理，連續加班加點，無人抱怨，是一支能戰斗、能打勝仗的隊伍；為了縮短故障處理時間，機組盡快投入運行，對螺栓備件采用特事特辦的方式進行采購管理，派專業技術人員到廠家進行質量、工期監管，保證在最短時間內備件到達現場。