水電站混流式機(jī)組剪斷銷剪斷原因分析及處理

杜明遠(yuǎn)，侯 強(qiáng)

（四川久隆水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

1 概述

某水電站位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣境內(nèi)，為河流“一庫(kù)兩級(jí)”梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中自上而下的第二梯級(jí)。電站設(shè)計(jì)引用流量30.9 m3/s，額定水頭412 m，裝設(shè)2 臺(tái)由杭州力源發(fā)電設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造，單機(jī)容量為55 MW 的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量110 MW。

電站機(jī)組自2010 年10 月投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行期間一直存在導(dǎo)葉剪斷銷動(dòng)作剪斷的問(wèn)題，一定程度上影響到電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 運(yùn)行情況及原因分析

2.1 機(jī)組導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)情況

該水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)活動(dòng)導(dǎo)葉23 個(gè)，導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由導(dǎo)葉拐臂（導(dǎo)葉摩擦裝置、剪斷銷）、導(dǎo)葉連板、調(diào)速環(huán)組成。導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)保護(hù)裝置是由導(dǎo)葉摩擦裝置與剪斷銷交叉布置[1]，其中導(dǎo)葉剪斷銷11 個(gè)，摩擦裝置12 個(gè)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)組導(dǎo)葉布置圖

2.2 剪斷銷設(shè)計(jì)變更情況

2013 年電站向水輪機(jī)設(shè)計(jì)廠家發(fā)函提出剪斷銷易剪斷，且剪斷銷剪斷時(shí)導(dǎo)葉位置不固定，檢查發(fā)現(xiàn)剪斷銷動(dòng)作時(shí)各導(dǎo)葉的靈活度不一致，經(jīng)廠家分析得出結(jié)論為剪斷銷疲勞剪斷，經(jīng)核算將剪斷銷設(shè)計(jì)剪切力提升至1.5 倍，即62 kN。

更換調(diào)整剪切力的剪斷銷后，機(jī)組剪斷銷仍然出現(xiàn)剪斷的情況，2016 年經(jīng)咨詢?cè)O(shè)計(jì)廠家再次將導(dǎo)葉剪斷銷剪切力調(diào)整至1.65 倍，即68 kN。

2.3 剪斷銷動(dòng)作剪斷情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該水電站2 臺(tái)機(jī)組剪斷銷剪斷在2019年2 月~2022 年3 月期間剪斷頻次尤為頻繁，共計(jì)17 次，均為運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)時(shí)剪斷，通過(guò)拆卸下來(lái)的剪斷銷斷口分析，所有剪斷銷都有舊的疲勞剪斷痕跡，最后斷裂時(shí)的截面均不是全截面，發(fā)現(xiàn)舊痕跡最大的剪斷銷占整個(gè)截面的4/5 左右，表明剪斷銷并不是一次性應(yīng)力剪斷，而是存在長(zhǎng)期應(yīng)力疲勞，并且每一次剪斷的剪斷銷均無(wú)規(guī)律，重復(fù)現(xiàn)象極少，剪斷銷斷面情況見(jiàn)圖2。

圖2 剪斷銷斷面照片

2.4 剪斷銷剪斷[2]綜合原因分析

（1）導(dǎo)葉間有雜物（如木塊、樹(shù)枝），導(dǎo)葉在開(kāi)、關(guān)過(guò)程中將剪斷銷剪斷；

（2）導(dǎo)葉連板，上、中、下軸套安裝時(shí)傾斜度過(guò)大,水平度不滿足要求，導(dǎo)致導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)力矩過(guò)大剪斷；

（3）導(dǎo)葉上、下端面間隙不合格,導(dǎo)致導(dǎo)葉卡阻造成剪斷；

（4）剪斷銷使用時(shí)間較長(zhǎng)或操作頻繁,使剪斷銷產(chǎn)生應(yīng)力疲勞剪斷；

（5）剪斷銷質(zhì)量不符合要求，剪切力未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查情況分析

（1）電站在每次剪斷銷剪斷后進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉實(shí)際位置在水流沖擊下已達(dá)到全開(kāi)狀態(tài)，并且單人能利用工器具轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)葉，剪斷銷更換完成后導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)正常，結(jié)合開(kāi)關(guān)導(dǎo)葉都有剪斷銷剪斷的情況，說(shuō)明導(dǎo)葉間存在異物卡塞的情況可能性較小。

（2）機(jī)組檢修期間對(duì)導(dǎo)葉接力器、控制環(huán)、連板的安裝情況進(jìn)行復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各部件安裝均滿足規(guī)范要求。

（3）2 臺(tái)機(jī)組導(dǎo)葉端面間隙值滿足設(shè)計(jì)要求，且每次對(duì)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)檢查時(shí)未發(fā)現(xiàn)機(jī)組頂蓋、底環(huán)抗磨面與導(dǎo)葉端面有明顯的摩擦和拉傷現(xiàn)象。雖然部分導(dǎo)葉存在輕微傾斜情況，但從多年的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)檢修和日常維護(hù)檢查情況來(lái)看，導(dǎo)葉剪斷銷沒(méi)有因?qū)~傾斜或者導(dǎo)葉套筒偏心，造成該導(dǎo)葉剪斷銷重復(fù)頻繁剪斷的情況。

（4）目前電站機(jī)組長(zhǎng)期處于流域AGC 控制、一次調(diào)頻投入，調(diào)速器動(dòng)作頻次較以往頻繁，加上之前導(dǎo)葉剪斷銷更換周期不定，剪斷銷為機(jī)械應(yīng)力零件，強(qiáng)度會(huì)因使用年限和動(dòng)作頻次產(chǎn)生疲勞，是剪斷銷剪斷的一個(gè)主要原因。2023 年6 月，電站將運(yùn)行約1 年的導(dǎo)葉剪斷銷抽樣外送進(jìn)行剪切力試驗(yàn)校核，發(fā)現(xiàn)使用后的剪斷銷剪切力比設(shè)計(jì)剪切力減小約10 kN，也進(jìn)一步印證了機(jī)械疲勞導(dǎo)致剪切力下降的觀點(diǎn)。

（5）剪斷銷的質(zhì)量檢查具有隱蔽性，在常規(guī)檢查中難以發(fā)現(xiàn)。2021 年7 月電站將新購(gòu)的1.65 倍的剪斷銷抽樣進(jìn)行外送做剪切力實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樣品的剪切力最大的為30.5 kN，最小的僅只有12 kN，遠(yuǎn)小于剪斷銷的設(shè)計(jì)剪切力68 kN。剪斷銷質(zhì)量不合格也是頻繁剪斷的一個(gè)原因。

結(jié)論：經(jīng)過(guò)總結(jié)多年的日常運(yùn)維和檢修情況，電站對(duì)以上可能原因進(jìn)行了對(duì)比分析，最終得出結(jié)論為：2019 年2 月~2022 年3 月近3 年的時(shí)間內(nèi)，電站采購(gòu)的剪斷銷未達(dá)到設(shè)計(jì)應(yīng)力要求，其剪切力未嚴(yán)格按照原水輪發(fā)電機(jī)廠家要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，加上剪斷銷在過(guò)長(zhǎng)的使用周期范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力疲勞、強(qiáng)度下降，從而出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的隨機(jī)動(dòng)作剪斷的情況，是剪斷銷剪斷的主要原因。

4 改進(jìn)措施

（1）采購(gòu)剪斷銷時(shí)，要求廠家提供剪切力試驗(yàn)報(bào)告，必要時(shí)抽樣送第三方檢測(cè)，確保剪斷銷剪切力符合要求。

（2）針對(duì)剪斷銷剪切力疲勞下降的情況，制定每年檢修周期對(duì)剪斷銷進(jìn)行更換的計(jì)劃，確保剪切力達(dá)到設(shè)計(jì)值要求。

（3）機(jī)組檢修期，須嚴(yán)格對(duì)機(jī)組導(dǎo)葉連板、連板軸套、導(dǎo)葉軸套、控制環(huán)、接力器以及導(dǎo)葉端面間隙的數(shù)據(jù)情況進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，防止因安裝不規(guī)范，導(dǎo)致導(dǎo)葉動(dòng)作應(yīng)力過(guò)大。

（4）檢修期復(fù)核機(jī)組調(diào)速器壓緊行程，確保調(diào)速器壓緊行程不超規(guī)范要求，避免機(jī)組停機(jī)關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)，接力器油壓操作力矩過(guò)大，造成剪斷銷應(yīng)力疲勞。

（5）在運(yùn)行期對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查時(shí)，使用塞尺對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉端面間隙進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，發(fā)現(xiàn)底環(huán)和頂蓋抗磨面存在高點(diǎn)、毛刺的時(shí)候，須進(jìn)行打磨處理，對(duì)端面間隙不符合規(guī)范要求的，必須進(jìn)行調(diào)整。

（6）及時(shí)對(duì)大壩隧洞進(jìn)口攔污柵進(jìn)行清理，防止漂浮物從攔污柵進(jìn)入蝸殼及導(dǎo)葉,發(fā)現(xiàn)攔污柵柵條有損壞時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，避免機(jī)組運(yùn)行中雜物進(jìn)入流道，造成導(dǎo)葉卡阻。

通過(guò)以上改進(jìn)措施，電站從2022 年檢修期后，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，至今未出現(xiàn)過(guò)剪斷銷剪斷的情況。

5 結(jié)語(yǔ)

該水電站剪斷銷非正常剪斷分析處理時(shí)間線較長(zhǎng)，也是通過(guò)多年摸索、排查，在這過(guò)程中也總結(jié)和吸取了許多的經(jīng)驗(yàn)，這類問(wèn)題發(fā)生的原因有很多，具體情況必須具體分析，該水電站剪斷銷這個(gè)問(wèn)題能夠得到徹底處理，可為同類電站提供一些解決問(wèn)題的思路和辦法，提供一個(gè)成功的參考示例。