燈泡貫流式機組槳葉操作油管防斷裂問題研究

湖南五凌哈電能效科技有限公司 王 佩

某電廠位于湖南省沅水干流上，是沅水梯級開發的重要水利樞紐工程，具有發電、防洪、航運、灌溉等綜合利用效益。電廠共安裝有6臺燈泡貫流式三相同步發電機，機組單機額定出力45MW，總裝機容量270MW，采用一級220kV 電壓等級接入系統。2003年12月一期5臺機組全部投產，2005年7月＃6機組投產發電。機組最小水頭8.4m，額定水頭20m，最大水頭27.3m[1-2]。2017年7月，電廠6號機組運行過程中槳葉操作油管發生斷裂。

1 事件過程

事件發生前，電廠上游水位187.05米，下游水位164.46米，220kV 線路、1-3號主變正常運行，1-6號機組并網運行，機組總負荷為180MW。其中電廠6號機組帶負荷30MW 運行時，運行人員發現機組調速器油泵啟動間隔時間異常縮短，且加載過程中備用泵同時啟動。電廠立刻申請對6號機停機檢查，其中停機過程中發現，槳葉開度達到36.5%后就不再動作。停機后嘗試手動操作槳葉，開、關操作槳葉均未動作，操作時，壓力指示顯示槳葉開、關腔操作油管無壓差，初步判斷為槳葉操作油管斷裂。后續對受油器解體檢查發現，機組操作油管中管第4節距下游法蘭395mm 處斷裂。

2 原因分析

結合操作油管斷裂位置，斷面情況以及相關檢測試驗，電廠操作油管斷裂的原因主要有以下幾點：

2.1 結構設計不合理

受早期加工能力限制，電廠的操作油管為三段式結構，在距操作油管上、下游法蘭395mm 處各有一道拼接焊縫，為3根不同壁厚的鋼管對焊，兩端的鋼管再分別與密封法蘭拼焊制成，這種結構設計造成了油管對接焊縫過多，存在較大的安全隱患。且變徑處焊縫為整根油管的結構最薄弱處，結構強度偏低[3]，本次斷裂位置也正好是焊縫位置。原操作油管的示意圖如圖1所示，圖中圓圈即為焊縫。

圖1 原槳葉操作油管焊接結構圖

2.2 焊接工藝不良

早期電廠對操作油管接焊縫的檢測手段主要為UT 檢測，但實踐證明，不同壁厚管道的拼接焊縫對UT 探傷有一定干擾，對焊縫缺陷難以做出準確判斷。后續電廠結合射線探傷結果分析發現，電廠操作油管對接焊縫的焊接工藝普遍存在缺陷，主要有以下幾點：操作油管對接焊縫為單面焊、雙面成形，焊縫背面并未完全熔合，焊縫不飽滿，存在未焊透現象；操作油管法蘭面外層焊縫未倒坡口，焊縫單薄，并且存在焊接缺陷。法蘭和油管的端面焊接處，有焊接應力，即使做了去應力處理，但肯定會還有殘余應力，另外焊接熱影響區域的金相組織也會有變化[4]。因此此處的內應力很難完全消除。

2.3 機組運行工況不良

電廠燈泡貫流式機組設計的最大運行水頭Hmax 為27.3m，額定水頭Hr 為20m，最小運行水頭Hmin 為8.4m，其中(Hmax-Hmin)/ Hr 達到94.5%，一般要求水頭變幅(Hmax-Hmin)/ Hr 不超過40%，過大的水頭變幅也造成機組經常運行于非最優工況，引起電廠機組效率特性及能量特性等變差，特別是在低水頭下振動[5]。事故發生前的汛期，電廠經歷建廠以來第二大洪水，機組運行水頭已低于10m，振動及擺度增幅明顯，機組運行狀況較差。

且由機組振動擺度數據分析報告可知，排水環、水導等部位受水頭影響較大，當機組水頭降低時，振動、擺度等數值均會出現較大幅度的上升，在機組運行過程中產生的振動和交變應力作用下，很大程度上加劇了操作油管的疲勞，焊接缺陷逐步向外擴展，最終導致6號機組操作油管發生斷裂。

3 處理措施

3.1 操作油管改造

針對操作油管存在的問題，電廠組織對操作油管結構進行優化。一是將操作油管從三段式結構改為整管結構，減少兩條中間對接焊縫，僅保留角焊縫，避免了對接焊縫處結構強度偏低和容易造成應力集中的問題，消除了操作油管發生斷裂的安全隱患。改造后的操作油管如圖2所示。

圖2 新槳葉操作油管結構示意圖

同時，為徹底消除焊接工藝問題可能導致的焊縫強度偏低的問題，改造時將法蘭部位的焊接方式接改為插裝式焊接，兩管插裝部分為過盈配合，插裝部分承擔了操作油管的主要受力，從而弱化了焊縫的受力功能，進一步提升了操作油管的結構剛度。

3.2 操作油管安裝

基于常規UT 探傷在操作油管焊縫上應用時準確度有限的問題，電廠新操作油管安裝前統一采用射線探傷，徹底消除焊接工藝問題帶來的安全隱患[6]。安裝時，應重點關注操作油管的擺度，通過安裝百分表監視，必要時對操作油管進行調整或對局部高點研磨，確保電廠操作油管擺度符合安裝說明書的要求，即外操作油管擺度≤0.07 mm、中間操作油管擺度≤0.07 mm、內操作油管擺度≤0.10 mm。

3.3 運行優化研究

針對機組在低水頭下效率特性及能量特性等變差，振動大幅上升的問題，電廠開展了大容量燈泡貫流式機組低水頭運行工況優化研究，采用理論計算與現場試驗相結合的方式，通過對比調速器國產化改造機組及調速器國產化未改造機組運行數據，分析調速器國產化改造機組低水頭、大負荷情況下機組振動上升、效率下降原因。并通過對國產調速器協聯關系曲線的優化，抑制了協聯關系不匹配水力因素的影響，解決了采用其運行工況急劇惡化的問題。

3.4 加強運行監視

電廠通過優化機組運行方式，盡量避開機組振動區域運行，降低操作油管發生疲勞斷裂的可能性。同時電廠后續對監控數據分析發現，事故發生前，機組的受油器、操作油管和水導的振擺均有明顯的上升的趨勢，因此運行過程中密切關注機組振擺裝置在線監測數據，并定期對數據進行分析，嚴格控制機組各部件振動、擺度在允許范圍之內，也是預防操作油管斷裂事故發生的有效手段。

綜上，槳葉操作油管是連接受油器與槳葉接力器的重要部件，通過它把受油器過來的壓力油輸送給槳葉接力器，用以操作槳葉動作。當水輪機運轉時，操作油管隨大軸一起旋轉，同時槳葉接力器行程反饋的回復管隨槳葉接力器做軸向運動，并在受油器端指示槳葉的轉角或行程。機組運行中，槳葉操作油管如果發生斷裂需要停機檢修處理，機組長時間不能運行，將造成大量的發電量損失。此外，斷裂時將導致機組發生劇烈振動，可能導致其他設備發生損壞，斷裂后壓力油泄露，還可能引發嚴重的環境污染事件。