淺析公伯峽水電站導水機構剪斷銷頻繁剪斷原因分析與故障排除

張秉章

摘要：混流式水輪機具有結構簡單、效率高、制造工藝成熟的優點，剪斷銷是水輪機導葉傳動機構的保護裝置，是水輪機安全穩定運行的重要設備，如果導葉間有異物卡住，相關傳動件的操作力將急劇增大，當應力超過剪斷銷設計值時，剪斷銷首先剪斷，保護水輪機組傳動零件不受損壞。

關鍵詞：混流式水輪機;剪斷銷;剪斷;導葉;導水機構

Abstract： Francis turbine has the advantages of simple structure， high efficiency and mature manufacturing technology. Shearing pin is a protection device for the guide vane transmission mechanism of the turbine， and is an important equipment for the safe and stable operation of the turbine. If there is a foreign matter between the guide vanes， the operating force of the relevant transmission components will increase sharply. When the stress exceeds the design value of the shear pin， the shear pin will be sheared first to protect the transmission parts of the hydraulic turbine unit from damage.

0? 引言

公伯峽電站4號機組于2005年12月2日投產，截止2020年7月1日運行近15年。2007年9月14日在機組運行狀態下其11#-22#剪斷銷剪斷;2017年6月14日在機組運行狀態下其6#-9#剪斷銷剪斷;2018年5月12日在機組開機過程中21#剪斷銷剪斷;2019年4月27日在開機過程中5#剪斷銷剪斷，次年3月21日在停機過程中5#剪斷銷剪斷;2020年5月12日在開機過程中15#剪斷銷剪斷;2020年5月20日，4號機組14#剪斷銷剪斷，在隨后網控AGC調整負荷過程中，12#、13#、15#、16#導葉剪斷銷剪斷，水導瓦溫升高，4號機組事故停機。

1? 公伯峽水電站4號機組參數

1.1 水輪機基本參數

型號：HLA801-LJ-580;最大水頭：106.6m;設計水頭： 99.3m;最小水頭：96.7m;額定流量：338.71m3/s;額定轉速：125r/min;額定功率：306MW。

1.2 發電機基本參數

型號：SF300.6-48/13200;額定容量：334000kVA;額定電壓：18000V;額定電流：10713A;功率因數：0.90;飛逸轉速：230r/min。

2? 剪斷銷的設計原理

剪斷銷是導葉傳動機構的保護裝置，如果導葉間有異物卡住，相關傳動件的操作力將急劇增大，當應力超過剪斷銷設計值時，剪斷銷首先剪斷，保護其它傳動零件不受損壞。

公伯峽電站導葉保護裝置為剪斷銷+摩擦裝置聯合結構。其設計原理為導葉磨擦襯傳遞力矩+剪斷銷傳遞力矩≥1.5*接力器最大油壓操作力矩。異常情況（如導葉間夾有異物）單個導葉傳動機構承受力矩超過接力器最大油壓操作力矩的1.5倍時，剪斷銷剪斷，此時導葉在磨擦襯的阻力矩的約束下，在水中不會隨意擺動，且因在頂蓋上焊有限位塊，確保剪斷銷剪斷時導葉在全關與全開位置擺動，不會反轉并與相鄰導葉發生碰撞，造成連鎖破壞，保證機組整個導葉傳動機構安全。

公伯峽機組單個導葉所承受的最大操作力矩（6.3MPa工作油壓）為197km·m，摩擦裝置緊固螺栓伸長值0.54mm，對應預緊力矩6500N·m，能夠傳遞的摩擦力矩118.2kN·m，剪斷銷剪斷力382.882kN時，剪斷銷傳動力矩172.4kN·m，剪斷銷剪斷力414.69kN時，剪斷銷傳動力矩186.6kN·m，其保護裝置安全系數為1.48-1.55。復核計算結果可以看出，公伯峽電站機組導水機構導葉保護裝置的設計是合理的。

3? 剪斷銷頻繁剪斷原因分析

從剪斷銷剪斷發生頻次看，剪斷事故主要發生在近兩年，可以初步判斷剪斷銷頻繁剪斷的原因和設備的設計制造關系不大。分析原因如下：①剪斷銷采購質量問題;②剪斷銷過載，磨擦裝置未受力;③剪斷銷承受彎矩;④連桿不水平;⑤檢查連桿銷和偏心銷軸瓦等配合運動部件磨損嚴重;⑥控制環壓板有間隙;⑦兩個接力器高程水平;⑧檢查接力器與控制環連接板水平;⑨控制環導向側瓦磨損嚴重;⑩兩個接力器開關機是否同步;{11}導葉傳動機構螺栓緊固情況;{12}剪斷銷損傷。

4? 剪斷銷的設計優化方案

對4#機組剪斷銷頻繁剪斷的現象，計劃從兩方面入手進行改進：

①改進剪斷缺口，將原始設計的“V”型剪斷缺口（見圖1），改為“U”型剪斷缺口（見圖2），且將缺口圓角表面粗糙度由原始設計的1.6提高至0.8（見圖3），增強其抗疲勞的能力。

②增大剪斷銷的剪切力，將剪切力由382.882-414.69kN，增大為414.69-456.16kN，對應的剪斷銷的剪切力矩為186.6-205.27kN·m，剪切力矩是接力器操作力矩的0.95-1.04倍，相比原始設計剪斷銷剪切力矩不到接力器操作力矩的一倍，更為合理。

③在剪斷銷頭部增加了M36的拔起螺孔，拆卸更方便。

5? 公伯峽電站4號機組A級檢修中針對剪斷銷頻繁剪斷檢修措施

結合4號機組狀況，多次組織專家就剪斷銷頻繁剪斷原因分析，并開展A級檢修準備會，明確了檢修工期、項目、目標、方案等，針對剪斷銷剪斷計劃檢查處理方案如下：

①剪斷銷采購質量問題。剪斷銷從設計原理上是破斷保護件，其破斷缺口圓角和粗糙度與疲勞壽命有關。對采購的剪斷銷備品和殘件送天津進行測試。

②剪斷銷過載。若摩擦裝置緊固螺栓松動，沒有達到設計的預緊力值，導致了所有操作力矩全部或大部分由剪斷銷承受，剪斷銷承受開、關方向的交變沖擊力，長時間工作導致疲勞破壞。與水輪機生產廠家溝通，對剪斷銷摩擦裝置緊固螺栓重新設計，計劃從目前的扭矩扳手預緊螺栓更換為拉伸扳手預緊螺栓，確保預緊力達到設計要求。

③導葉變形造成過載。在機組檢修時先對所有的導葉進行全行程力矩測試，檢查導葉軸線是否有彎曲變形，檢查與套筒配合是否有卡澀。

④剪斷銷承受彎矩。剪斷銷的剪切直徑是按照承受純剪切力設計計算的，但由于制造、安裝或運行磨損等原因，從連桿傳遞過來的操作力不再與連接板水平，導致在剪斷銷上產生附加彎矩，對此進行排查和修正。

⑤連桿不水平?？梢酝ㄟ^配車連桿銷的墊片使連桿達到水平。

⑥檢查連桿銷和偏心銷軸瓦磨損情況。若磨損嚴重應及時更換以保證連桿運行平穩。

⑦檢查控制環壓板間隙。間隙應控制在0.5mm左右。

⑧檢查兩個接力器高程是否水平。可以通過調整接力器背部把合螺栓達到水平。

⑨檢查接力器與控制環連接板水平。由相關技術公司用水準儀進行測量，精度可控制在0.1mm，對存在的缺陷可以通過控制環連接板下面的兩側墊片達到水平。

⑩檢查控制環導向側瓦磨損情況。若磨損嚴重應及時更換，避免控制環跳動。

{11}檢查兩個接力器關閉是否同步?？梢酝ㄟ^調整活塞桿與推拉桿接頭的旋合長度，保證兩個接力器活塞與缸蓋應同時接觸，使控制環受力均衡平穩。

{12}檢查導葉傳動機構螺栓緊固情況。導葉傳動機構所有螺栓應按圖紙或標準要求可靠緊固，并有防松措施。

{13}對已安裝投運的剪斷銷，在每次檢修時，對剪斷銷剪切位置進行PT探傷，出現問題的剪斷銷需及時更換。

{14}在A檢修過程中對導水機構進行預裝，測量頂蓋、底環、座環同心度、水平度。

{15}對分解的導葉軸進行全部用靠尺透光檢查，若有變形的導葉送至重型機械廠在機床上進行測量變形尺寸。

{16}由于4號機組中導葉上、中、下軸套經過15年的磨損，在檢修過程中需全部更換。

6? 結束語

提高水輪機的各部件穩定性貫穿于水輪機水力設計、結構設計、制造、安裝、運行的整個過程中，為了保證水輪機組的運行質量，必須使水輪機導水機構各部件設計、加工、檢修更加符合水電站安全運行的規范標準，從而提高水電站的安全生產效率，實現水電站經濟效益和社會效益的雙收。在公伯峽4號機組沒有規律性剪斷銷剪斷事件中剖析其原因，對于現場中不能確定造成剪斷銷剪斷事件可提供一定的參考依據。

參考文獻：

[1]GB-T5864-2003，水輪發電機組安裝技術規范[S].

[2]Q/GBX 10001-2019，水輪機發電機技術規程[S].青海黃河水電公司公伯峽發電分公司.

[3]Q/GBX 10002-2019，水輪機技術規程[S].青海黃河水電公司公伯峽發電分公司.

[4]GB 8564-88，水輪發電機組安裝技術規范[S].