秦山CANDU機組發電機引水管絕緣層裂紋故障處理

馬 磊

（中核核電運行管理有限公司 秦山三廠，浙江 嘉興 314300）

秦山CANDU 機組的汽輪發電機組型號為TFLQQ-KD，額定轉速1500r/min，頻率50Hz，額定電壓22000V，電流21440A，冷卻方式為水氫氫冷。汽輪發電機為日立公司制造，電機定子繞組端部為籃式結構，繞組端部采用浸膠無緯玻璃纖維帶綁扎固定在絕緣支架和綁環組成的端部固定件上，綁扎固定后采用烘焙固化，使整個端部徑向和軸向成為一個剛性整體。

在發電機運行過程中，旋轉磁場在定子鐵心和定子線棒上引起100Hz 的倍頻振動，該振動是導致發電機端部結構松動的主要誘因之一[1]。發電機在設計、制造過程中，應保證定子繞組端部各部件的固有頻率盡可能不在100Hz附近，且在運行中使頻率的振動幅值限制在規定范圍內，長期連續運行不會影響發電機壽命。如果發電機定子線棒端部部件的固有頻率接近100Hz，長期運行將產生很大的振動，使端部緊固結構發生松動、線棒絕緣磨損。

圖1 定子端部結構圖Fig.1 Structure of the stator end

圖2 裂紋產生部位Fig.2 Crack occurrence site

圖3 裂紋產生部位結構圖Fig.3 Structure diagram of crack generation site

圖4 裂紋具體位置描述Fig.4 Description of the specific location of the crack

1 概述

2016 年4 月，秦山CANDU 機組發電機解體檢修。轉子抽出后，在對定子線圈、定子線棒引水管進行檢查時，發現汽側引水管的絕緣層有5 處裂紋，引水管位置編號分別為2#、4#、5#、11#、14#。產生裂紋的部件以及裂紋的具體位置如圖1 ～圖4 所示。

根據廠家指導意見，絕緣層裂紋如若不及時修復，長期運行下去，裂紋會進一步擴大，嚴重情況下甚至會引起定子水管破裂，發電機組停機。

2 故障原因

2.1 歷史記錄

查閱該發電機上一次檢修報告（2008 年執行），報告內有定子的此項檢修內容，并未發現類似裂紋故障，確認此次檢查所發現的絕緣裂紋為2008 年之后產生，同時也間接排除了發電機在制造、運輸和安裝過程中，受到機械碰撞而產生裂紋的可能性。

2.2 人因排查

現場對定子線棒引水管絕緣層的裂紋外觀進行了檢查，裂紋均勻，無明顯磕碰痕跡，確認此裂紋故障非現場檢修人為所致，排除人因失誤導致引水管絕緣層受到磕碰的可能性。

2.3 引水管檢查

為避免因裂紋進一步擴大而導致定子線棒引水管破裂的情況發生，現場對存在裂紋的絕緣層進行了剝離。同時，檢查了定子線棒引水管本體，確認本體完好，也間接排除了引水管裂紋擴散導致絕緣層產生裂紋的可能性。

2.4 原因分析

圖5 發電機汽側定子線棒引水管裂紋產生邏輯圖Fig.5 Logic diagram of cracks in the water guide pipe of the generator rod

現場對發電機裂紋開口部分材質進行檢查，發現開口部分的絕緣層存在油蝕、老化現象。此外，發電機定子膛內發現不少油氣凝結的油滴，綜合現場檢查結果，結合廠家人員的意見，并參考同行運行經驗，推斷裂紋產生原因如下：引水管絕緣層出現裂紋最主要的原因是引水管的絕緣層存在應力，隨著絕緣材料的老化，絕緣層內的應力會導致絕緣層產生裂縫，定子膛內油氣侵蝕則促成了絕緣層裂紋的顯現。裂紋產生邏輯圖及具體分析如圖5 所示。

2.4.1 應力產生

發電機正常運行時，在電磁力的作用下，定子繞組將產生倍頻機械振動。由于定子線棒引水管是直接與定子繞組剛性連接的，在機組運行工況下，引水管同樣會產生兩倍工頻振動。定子端部引水管是漸開型的懸臂結構，無法可靠固定，倍頻機械振動大，端部引水管絕緣會因此而產生機械應力。此外，溫度變化時，引水管絕緣受熱拉伸、壓縮，會產生熱應力。

2.4.2 裂紋產生

隨著運行年限的增加，絕緣材料自然老化不可避免。在發電機正常運行期間，端部線棒振動導致端部絕緣產生機械應力，端部線棒的熱脹冷縮導致端部絕緣產生熱應力，在機械應力和熱應力的共同作用下，發電機定子繞組端部絕緣會加速老化，且發電機端部絕緣材料長期承受高電壓、高溫，這會導致絕緣介質損耗加大，加速絕緣老化[2]。伴隨絕緣材料的老化，在絕緣層內綜合應力的作用下，定子線棒引水管絕緣層產生裂紋。

2.4.3 裂紋擴大

隨著運行年限的增加，機組的密封瓦及油擋磨損，機組密封性能下降，導致定子膛內油霧加重，油氣滲入裂縫，侵蝕絕緣，會加速裂紋的擴大，致使裂紋顯現出來。

3 故障處理

根據JB/T 8990-1999 規定：大型汽輪發電機產品，在電廠有異常情況時（例如，承受突然短路、線圈磨損或松動等），都必須做固有頻率測量[3]。目前，國內、外廠家針對此類問題，主要采取的措施是：將產生裂紋的絕緣層剝除，通過頻響試驗測量固有頻率，并根據測量結果判斷是否需要調整固有頻率。經過與日立廠家設計、技術人員多次探討，最終確定了如下處理方案。

表1 材料清單Table 1 Bill of materials

3.1 處理流程圖

圖6 定子線棒引水管絕緣層裂紋處理流程圖Fig.6 Flowchart for the treatment of cracks in the insulation layer of the stator wire guide pipe

3.2 現場工作要點闡述

3.2.1 材料性能要求

鑒于發電機絕緣材料要長期經受高電壓、高溫、交變電磁力，且運行環境中存在油霧、潮濕的現象，絕緣材料的性能要求較高：電氣性能上要求具有高的耐電強度；機械性能上要求具有高的機械強度、彈性、韌性；熱性能上具有較高的耐熱性和導熱能力；工作環境考慮，要求材料能夠耐油、耐潮、耐化學腐蝕。經過與日立廠家的溝通，確認現場所使用的絕緣材料均滿足要求，具體材料清單見表1。

3.2.2 頻響試驗必要性

正常運行工況下，旋轉磁場在定子線棒上引起100Hz的倍頻振動。定子線棒引水管是直接與定子線棒剛性連接的，在機組運行工況下，同樣會產生100Hz 的倍頻振動。如果定子線棒引水管的固有頻率在100Hz 附近，會產生共振，長期運行，會導致引水管振動加劇，甚至導致水管破裂。

發電機端部結構復雜，又受到綁扎工藝的影響，準確計算其固有頻率十分困難。目前，通常采用頻響試驗，通過信號采集及快速傅里葉變換，計算固有頻率。

3.2.3 頻響試驗測量原理

現場頻響試驗由日立廠家執行。為保證測量結果的準確性，現場頻響試驗執行前，投運定冷水系統，確保定子冷卻水管已通滿水。

現場測量時采用的頻響分析儀是由力錘、加速度傳感器和分析儀組成。用真空泥將加速度傳感器臨時固定于被測線棒上，用力錘擊該線棒。頻譜分析儀通過接收力錘發出去的信號和加速度傳感器感應回來的響應信號，進行快速傅里葉變換，最終得出一條曲線，頻響函數曲線的峰值處所對應的頻率就是該線棒的固有頻率。

3.2.4 固有頻率測量值與實際運行值轉換說明

機組運行時，定子繞組及定冷水引水管處于熱狀態，溫度升高，使其周圍的絕緣材料軟化，彈性降低，也使其本身的剛性降低，導致其機械固有頻率值有所下降。執行頻響試驗時，定冷水水溫為實測值，經與廠家設計人員確認，正常運行工況下，定子冷卻水溫度50℃～60℃，定子膛內氫氣溫度為46℃，推算定子線棒引水管的運行溫度為51℃左右，并以此推算運行工況下的固有頻率。

3.2.5 固有頻率判定標準

根據廠家設計制造標準，經過轉化計算后的固有頻率記為N，當90Hz ≤N ≤110Hz 時，判定不合格；當N＜90Hz 或＞110Hz，判定合格。

3.3 現場故障處理

3.3.1 定子線棒引水管本體檢查

為避免因裂紋會進一步擴大而導致定子線棒引水管破裂的情況發生，需將裂紋處的絕緣層剝離，并對引水管進行檢查。如若引水管存在缺陷，則需對其進行整體更換。現場將裂紋處的絕緣層剝離，檢查特氟龍引水管，確認引水管本體無裂紋。

3.3.2 執行定子線棒引水管頻響試驗

頻響試驗波形采集，如圖7 所示。

3.3.3 固有頻率分析判斷

執行頻響試驗時，定冷水水溫為24.1℃，根據廠家設計人員的轉換計算，測量值及轉換值見表2。

判斷標準——合格：N<90Hz 或>110Hz；不合格：90Hz ≤N ≤110Hz。

試驗結果表明：2#、4#、5#定冷水引水管在運行工況下的固有頻率分別為94.4Hz、97.8Hz、97.2Hz，接近100Hz，固有頻率不合格；11#、14#定冷水引水管在運行工況下的固有頻率分別為77.9Hz、84.2Hz，固有頻率合格。

圖7 2#、4#、5#、11#、14#引水管處理前頻響試驗波形Fig.7 Frequency response test waveforms of 2 #,4 #,5 #,11 #,14 #water pipe before processing

表2 故障處理前引水管頻響試驗數據Table 2 Frequency response test data of water diversion pipes before failure treatment

3.3.4 根據試驗結果對引水管進行處理

2#、4#、5#定子線棒引水管固有頻率接近100Hz，需通過改變引水管長度、厚度來改變其固有頻率。現場利用絕緣云母帶及環氧樹脂對其進行纏繞，并使用玻璃絲帶及環氧樹脂對其兩端進行固定綁扎。通過減少引水管的長度及增加引水管的厚度，來提高它的固有頻率。

圖8 2#、4#、5#、11#、14#引水管處理后頻響試驗波形Fig.8 2 #, 4 #, 5 #, 11 #, 14 # Frequency response test waveform after treatment

11#、14#定子線棒引水管頻響試驗合格，利用玻璃絲帶及環氧樹脂對其進行包扎即可。

3.3.5 再次執行定子線棒引水管頻響試驗

采集頻響函數曲線，如圖8 所示。

3.3.6 固有頻率分析判斷

執行頻響試驗時，定冷水水溫為27.5℃。根據廠家設計人員的轉換計算，測量值及轉換值見表3。

判斷標準——合格：N<90Hz 或>110Hz；不合格：90Hz ≤N ≤110Hz。

試驗結果表明：2#、4#、5#、11#、14#定子線棒引水管在運行工況下的固有頻率分別為191.5Hz、202.3Hz、194.6Hz、78.6Hz、84.6Hz，5 根引水管的固有頻率均能避開兩倍工頻。

表3 故障處理后引水管頻響試驗數據Table 3 Frequency response test data of water diversion pipes after fault handling

3.3.7 絕緣保護處理

對2#、4#、5#、11#、14#定子線棒引水管涂抹絕緣漆。

4 結論

汽輪發電機定子繞組端部因其結構的特殊性，無法可靠固定。汽輪發電機組任何一種異常振動都潛伏著設備損壞的風險，共振會導致振幅加大，致使機組零部件松動，加劇部件之間的摩擦，產生應力，加速設備損壞。秦三廠2 號機組汽側2#、4#、5#、11#、14#定子線棒引水管絕緣層裂紋已經修復完成，經過調整，確保引水管固有頻率避開兩倍工頻，避免因共振而導致的問題。后續建議：

1）對發電機定子線棒端部引水管開展針對性的定期檢查工作。

2）在條件允許的情況下，可加強對發電機定子端部繞組振動的在線監測，以便能及早發現隱患。