張河灣公司導(dǎo)葉止推環(huán)板固定螺栓斷裂故障分析處理

劉 向，關(guān) 君，郭旭東

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司，北京 100068；2.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 概述

河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡稱“張河灣公司”）位于河北省石家莊市井陘縣境內(nèi)，是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，主要承擔(dān)河北南網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)，總裝機(jī)容量為1 000 MW。電站安裝4臺單機(jī)容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪機(jī)組，設(shè)計水頭305 m，最大水頭350 m，額定流量94.1 m3/s，額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min。

在2018年4號機(jī)組C級檢修期間，檢查發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)葉上、下端面間隙及上、下抗磨板狀態(tài)出現(xiàn)異常，通過對導(dǎo)葉拐臂止推裝置結(jié)構(gòu)的分析，判斷出其可能存在問題，最終拆解后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉拐臂止推裝置環(huán)板固定螺栓斷裂脫落這一嚴(yán)重缺陷并進(jìn)行了處理，在此對本次檢修中缺陷的發(fā)現(xiàn)和處理過程作簡要介紹，以期為今后類似工作提供參考。

2 張河灣公司活動導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

張河灣公司導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部分為法國ALSTOM公司設(shè)計并制造，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)由頂蓋、活動導(dǎo)葉、底環(huán)、控制環(huán)和導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)組成。結(jié)構(gòu)上活動導(dǎo)葉通過3根圓錐銷與拐臂連接傳遞扭矩，進(jìn)行導(dǎo)葉關(guān)閉、開啟的操作，每個同步導(dǎo)葉都設(shè)置了摩擦保護(hù)裝置和剪斷銷報警裝置，詳見圖1，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

圖1 導(dǎo)葉及相關(guān)部件結(jié)構(gòu)圖

(1)機(jī)組共設(shè)置20個活動導(dǎo)葉，通過控制環(huán)、小連臂及拐臂進(jìn)行連接和操作。其中3號、4號、13號、14號 4個導(dǎo)葉設(shè)置有非同步操作機(jī)構(gòu)，通過非同步導(dǎo)葉接力器進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

(2)在每個導(dǎo)葉的導(dǎo)葉套筒和下軸套上設(shè)置有上、中、下3個導(dǎo)軸承，導(dǎo)葉軸承使用ORKOT纖維編織結(jié)構(gòu)自潤滑材料，保證活動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動靈活的同時，可以有效降低活動導(dǎo)葉的振動。

(3)在每個導(dǎo)葉的拐臂下部設(shè)有止推裝置，分別在導(dǎo)葉套筒上端面和止推壓環(huán)的下表面各設(shè)置有兩塊ORKOT纖維編織結(jié)構(gòu)自潤滑材料止推塊，作用于拐臂止推環(huán)板，形成止推間隙以限制導(dǎo)葉的上浮（止推裝置結(jié)構(gòu)詳見圖2）。其中止推環(huán)板由8顆M16內(nèi)六角沉頭螺栓固定，止推壓環(huán)由12顆M24雙頭螺栓把合固定，止推間隙可通過加減止推壓環(huán)與導(dǎo)葉套筒之間的可撕墊片進(jìn)行調(diào)整。

圖2 止推裝置局部剖面圖

(4)在每個導(dǎo)葉底部下軸套的下方設(shè)置有一小孔，連通到底環(huán)與座環(huán)之間形成的空腔，后連接一管道導(dǎo)出形成了導(dǎo)葉排水減壓的通路，用于將導(dǎo)葉底部的高壓水排出卸壓，以避免活動導(dǎo)葉底部形成水壓導(dǎo)致導(dǎo)葉上浮。

3 導(dǎo)葉止推裝置缺陷發(fā)現(xiàn)及分析過程簡述

3.1 導(dǎo)葉止推裝置缺陷的發(fā)現(xiàn)

在4號機(jī)組C級檢修期間，對其導(dǎo)葉上下端面間隙進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組導(dǎo)葉端面間隙異常，第一次測量后發(fā)現(xiàn)2號、10號、11號、12號、15號、16號、17號、18號、20號等多個導(dǎo)葉上端面間隙過小，數(shù)據(jù)詳見表1，上抗磨板刮痕嚴(yán)重，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)開、關(guān)動作一次后再次測量導(dǎo)葉端面間隙，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉整體出現(xiàn)下移趨勢，其中5號、12號導(dǎo)葉進(jìn)水邊下端面間隙為0，數(shù)據(jù)詳見表2，結(jié)合測量數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實(shí)際，判斷導(dǎo)葉止推裝置存在缺陷，提議將5號、12號導(dǎo)葉拐臂拆除，分解導(dǎo)葉止推裝置檢查導(dǎo)葉止推塊情況并待進(jìn)一步處理。

表1 導(dǎo)葉端面間隙第一次測量數(shù)據(jù) 單位：mm

表2 導(dǎo)葉端面間隙第二次測量數(shù)據(jù) 單位：mm

在將5號導(dǎo)葉拐臂拆除后發(fā)現(xiàn)其止推環(huán)板的8顆M16內(nèi)六角固定螺栓中靠下游側(cè)3顆螺栓發(fā)生斷裂，螺帽脫落，檢查發(fā)現(xiàn)其余螺栓中3顆螺栓已完全松動其中一根已存在明顯裂紋，僅剩余2顆螺栓把合較為牢固（見圖3）。在止推壓環(huán)下部的兩塊上止推塊，其中一塊的3顆M8固定螺釘均斷裂脫落且螺帽已研磨消失，止推塊斷損移位，另一塊上止推塊固定螺栓尚好，但止推塊也已斷損（見圖3）；導(dǎo)葉套筒上部的下止推塊，檢查有一定程度的磨損但無損壞，基本符合止推裝置存在缺陷的判斷。

圖3 止推裝置分解后螺栓和止推塊情況

3.2 缺陷原因簡要分析

進(jìn)一步對5號導(dǎo)葉止推裝置呈現(xiàn)的止推環(huán)板固定螺栓斷裂脫落的缺陷分析，觀察螺栓斷口形貌，判斷為交變拉力造成的疲勞斷口，推測該機(jī)組在運(yùn)行中其導(dǎo)葉存在巨大上浮力，導(dǎo)葉拐臂隨導(dǎo)葉一體向上移動，連接在拐臂上的止推環(huán)板受壓環(huán)限位，二者之間存在巨大擠壓力和摩擦力，使得止推環(huán)板固定螺栓長期受到?jīng)_擊、拉伸和剪切，最終造成疲勞斷裂和螺栓松動，并加劇了其他螺栓的疲勞累積導(dǎo)致相繼斷裂。

對比分析該電站3號機(jī)組在2017年A級檢修期間限位塊破碎的情況，推測該機(jī)組存在與3號機(jī)組相同的導(dǎo)葉底部排水管淤塞排水不暢的問題，導(dǎo)致在機(jī)組運(yùn)行過程中活動導(dǎo)葉下端面水受壓無法釋放，對導(dǎo)葉產(chǎn)生巨大的反方向水推力，造成導(dǎo)葉上浮活動嚴(yán)重。

3.3 缺陷風(fēng)險簡要分析

根據(jù)5號導(dǎo)葉止推裝置受損情況，推測不排除該機(jī)組其他導(dǎo)葉止推裝置也存在類似情況，該問題如不及時解決處理，會使得螺栓失效后導(dǎo)葉的上浮將不受止推裝置的限制，導(dǎo)致導(dǎo)葉繼續(xù)上浮，運(yùn)行過程中持續(xù)研磨上抗磨板，當(dāng)抗磨板研磨至一定程度時會將活動導(dǎo)葉卡死，造成導(dǎo)葉摩擦裝置失效、剪斷銷剪斷及機(jī)組跳機(jī)等嚴(yán)重后果，考慮機(jī)組的運(yùn)行安全，決定將其他導(dǎo)葉止推裝置全部分解檢查。

4 缺陷處理過程簡述

對于導(dǎo)葉底部排水管淤塞問題已于前期疏通，本文不做贅述，僅針對此次檢修中機(jī)械缺陷的檢查處理做簡單介紹。

4.1 處理方案的制定

根據(jù)該電站導(dǎo)葉拐臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，必須將拐臂拆出后才能夠分解導(dǎo)葉止推裝置進(jìn)行檢查處理，因此位于主、副接力器下方的12號、17號導(dǎo)葉拐臂在不拆除兩個接力器的條件下不具備拆除空間。首先針對此問題提出了將主、副兩接力器拆除并抬升至一定高度后將下方拐臂拆除并處理的方案，但由于施工工期緊張且在當(dāng)時的施工條件下進(jìn)行接力器拆除和抬升存在較大風(fēng)險且難以把控；通過進(jìn)一步的現(xiàn)場測量和對拐臂結(jié)構(gòu)的研究分析，確認(rèn)將副拐臂拆除后具備將主拐臂拆除并分解止推裝置檢查處理的條件后，確定了分解拐臂而不拆除接力器的處理方案。

4.2 拐臂拆除過程簡述

用鋼絲繩纏繞活動導(dǎo)葉，并在兩頭用手拉葫蘆固定在固定導(dǎo)葉上，拉緊手拉葫蘆，保證導(dǎo)葉固定牢靠位置不變動。

導(dǎo)葉固定完成后拆除非同步導(dǎo)葉接力器，將每個導(dǎo)葉拐臂蓋板、接力器及其之間調(diào)整墊片等做好標(biāo)記；將主副接力器與控制環(huán)之間的大連板與銷釘位置做好標(biāo)記后，通過手拉葫蘆調(diào)整接力器活塞桿位置將銷釘和上下大連板拆出，整齊擺放到控制環(huán)上。

將控制環(huán)與拐臂連接的小連臂、偏心銷、固定螺母及卡塊之間的位置關(guān)系做好標(biāo)記并拆除，并按導(dǎo)葉編號收集擺放；將各個導(dǎo)葉拐臂拆除后將各個拐臂部件標(biāo)號按編號收集擺放；拆除拐臂時檢查拐臂止推環(huán)板固定螺栓情況并統(tǒng)計，注意收集斷絲及螺帽，將拐臂整齊擺放到控制環(huán)上，所有導(dǎo)葉斷絲情況如下表3所示。

表3 各導(dǎo)葉止推環(huán)板斷絲情況統(tǒng)計

4.3 處理及回裝過程簡述

將所有拆出部件檢查、清掃處理：取出拐臂止推環(huán)板斷絲，更換符合設(shè)計要求的8.8級M16×50螺栓并按設(shè)備廠家建議使用277高強(qiáng)螺栓鎖固膠，按160 N·m均勻?qū)ΨQ緊固；將止推壓環(huán)送至加工廠把止推塊的固定螺釘孔由M8擴(kuò)至M10，并將壓環(huán)切割分瓣（分瓣位置如下圖4所示），以方便日后的止推壓環(huán)的拆除和止推塊等部件的檢查，同時更換止推裝置位于導(dǎo)葉套筒上部的下止推塊及其M8固定螺釘和位于止推壓環(huán)下部的上止推塊和其M10固定螺釘。

圖4 止推壓環(huán)分瓣示意圖

回裝導(dǎo)葉拐臂并調(diào)整導(dǎo)葉止推間隙：在導(dǎo)葉軸頭涂抹二硫化鉬，平穩(wěn)均勻回裝拐臂，保證拐臂回裝過程水平避免與軸頭研傷；固定止推壓環(huán)后，利用頂拐臂專用工具及8 t千斤頂頂起拐臂檢查導(dǎo)葉止推間隙，并利用壓環(huán)底部調(diào)整墊片調(diào)整拐臂止推間隙。

將小連板按原標(biāo)記位置回裝連接拐臂與控制環(huán)并打緊，更換拐臂端蓋φ5.3 mmO型密封，利用導(dǎo)葉端頭可撕墊片調(diào)整導(dǎo)葉端面間隙，由于該機(jī)組導(dǎo)葉總間隙偏大，且存在上抗磨板刮研風(fēng)險，按照業(yè)主要求將總間隙按上60 %下40 %分配上端面間隙大于導(dǎo)葉止推間隙的原則調(diào)整，調(diào)整完成后檢查立面間隙，回裝拐臂與導(dǎo)葉連接錐銷并將銷釘絲堵安裝并緊固，將拐臂摩擦裝置拉緊螺栓拉伸緊固，回裝端蓋把合螺栓后安裝鎖片并點(diǎn)焊牢固。

4.4 問題及建議

目前抽蓄行業(yè)內(nèi)存在不少由法國ALSTOM設(shè)計制造或仿照其設(shè)計制造的機(jī)組，這類機(jī)組的導(dǎo)葉止推裝置結(jié)構(gòu)隱蔽，設(shè)計存在缺陷，日常運(yùn)維難以檢查止推間隙和止推裝置的狀況，受結(jié)構(gòu)、空間影響，確認(rèn)即使如上述情況分瓣后，仍無法做到在不拆除拐臂的情況下，完全拆出止推壓環(huán)檢查止推裝置進(jìn)行檢修處理。建議請設(shè)備設(shè)計單位通過強(qiáng)度計算，確認(rèn)是否可以將止推壓環(huán)更換為類似于仙游、響水澗等電站的分段式結(jié)構(gòu)（如下圖5所示），由兩段壓塊固定并壓住拐臂止推壓環(huán)，此結(jié)構(gòu)止推壓環(huán)拆除方便，易于止推間隙的調(diào)整和止推塊的檢查更換。

圖5 止推壓環(huán)分塊改造示意圖

止推塊采用了ORKOT纖維編織結(jié)構(gòu)自潤滑材料，該材料強(qiáng)度較低，受擠壓碰撞后易破碎，造成止推塊失效，止推間隙變大，導(dǎo)葉上浮研磨上抗磨板。建議更換強(qiáng)度更高的潤滑材料或加長止推塊的長度以增加摩擦面積，提高止推塊的強(qiáng)度，保障止推塊的完整性，避免止推裝置失效造成導(dǎo)葉上浮研磨抗磨板。

5 結(jié)語

本次檢修由檢查發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)葉端面間隙異常狀況，經(jīng)過現(xiàn)場檢修人員的思考和對導(dǎo)葉拐臂結(jié)構(gòu)的反復(fù)研究，判斷出導(dǎo)葉止推裝置存在較大問題，并堅持拆除拐臂進(jìn)行檢查，最終發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)葉止推裝置止推環(huán)板固定螺栓斷裂脫落這一嚴(yán)重缺陷；并合理利用現(xiàn)場條件，認(rèn)真分析拐臂與接力器的結(jié)構(gòu)和空間特點(diǎn)，提出更高效且安全的解決辦法，制訂了合理的施工方案，大大縮短了所需工期，保證在有限的工期內(nèi)，圓滿地完成了此次消缺任務(wù)，對后續(xù)在結(jié)構(gòu)類似的機(jī)組檢修中，進(jìn)行缺陷檢查和分析處理具有較大意義。