燈泡貫流式機組轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓斷裂原因分析及對策

陳 開 評(廣西桂冠大化水力發(fā)電總廠， 廣西 大化 530800)

某水電站位于紅水河中游，為紅水河干流梯級開發(fā)的第7級電站，水電站安裝有6臺單機容量為32 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量192 MW。水輪發(fā)電機組由日本富士和富春江富士水電設(shè)備有限公司制造供貨。該水電站于1992年10月進(jìn)場籌建，1993年2月18日主體工程開工，1996年2月16日第1臺機組投產(chǎn)發(fā)電，1999年5月21日6臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，至今已安全穩(wěn)定運行10 a以上，每年均按計劃檢修。水輪機基本參數(shù)[1]如下：型號為燈泡貫流轉(zhuǎn)槳式，轉(zhuǎn)輪直徑為6.4 m，額定水頭為9.7 m，額定流量為377.5 m3/s，額定出力為33 MW，額定轉(zhuǎn)速為93.8 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為310 r/min，額定效率為92%，最高效率為95.2%，運行水頭范圍為3～18 m，安裝高程(轉(zhuǎn)輪中心)為101.90 m，比轉(zhuǎn)速為955，槳葉數(shù)為4個，導(dǎo)葉數(shù)為16個。轉(zhuǎn)輪與主軸由18根M90×4螺栓及6個直徑為160 mm銷子連接，其受力原理為：水推力→轉(zhuǎn)輪→主軸→正向推力瓦→組合軸承→管型座→基礎(chǔ)混凝土，轉(zhuǎn)輪附近還有內(nèi)導(dǎo)水錐、檢修密封、軸密封基礎(chǔ)板等主要部件，如圖1 所示.

圖1 轉(zhuǎn)輪與主軸連接示意圖Fig.1 A connection diagram of the reel and principal axis 注：1-轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓；2-轉(zhuǎn)輪與主軸連接扭矩銷；3-轉(zhuǎn)輪體；4-主軸；5-檢修密封；6-主軸密封部分；7-內(nèi)導(dǎo)環(huán)。

1 事故的發(fā)生

2010年10月20日6∶55，運行當(dāng)班人員在中控室聽到“砰”的輕微響聲，監(jiān)控系統(tǒng)無異常報警信息，監(jiān)控畫面6臺機組負(fù)荷正常，主變、開關(guān)站設(shè)備運行正常，用工業(yè)電視檢查發(fā)現(xiàn)4號機組機坑有積水，并且上升很快，距離▽94 m層地面已很近，4號機組水輪機豎井主軸密封處有大量的噴射狀水漏出。意識到機組出事后，運行人員立即聯(lián)系中調(diào)停止該機組，同時啟動應(yīng)急預(yù)案，將置于▽94 m層的檢修排水泵、應(yīng)急排水泵、深井泵全部投入運行，水勢得以控制，最終水位控制在▽94 m層以上約10 cm，其余5臺機組的高壓頂起油泵、潤滑油泵繼續(xù)正常運行，不影響發(fā)電，同時通知水工人員關(guān)閉4號機組進(jìn)、尾水閘門，水位持續(xù)下落至積水排空。事后開啟轉(zhuǎn)輪室進(jìn)人孔門，發(fā)現(xiàn)機組損壞情況如下。

(1)轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓。轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓(規(guī)格：18-M90 ) 在流道內(nèi)有1顆折斷脫落但沒有螺母，有3顆螺栓在端頭折斷和螺母頭脫落，有5片螺母碎片和其他小螺栓等,在拆除檢修密封支座和主軸密封板后，發(fā)現(xiàn)有2顆在根部折斷但已沒有螺母，有2顆連同螺母在根部折斷，有1顆螺栓和螺母頭在端頭折斷脫落。尚有10顆螺栓留在主軸法蘭上，但端部螺牙已撞壞，其中有2顆有松動痕跡。

(2)內(nèi)導(dǎo)水錐。分瓣連接螺栓(規(guī)格：6-M24)全部折斷，內(nèi)導(dǎo)水錐與內(nèi)導(dǎo)環(huán)連接螺栓(規(guī)格：48-M20)在連接處有40顆折斷，有8顆還在連接中。一瓣已跌落，但在流道內(nèi)未發(fā)現(xiàn)，確認(rèn)已被沖至下游，另一瓣未被撞斷但已嚴(yán)重變形。

(3)檢修密封。檢修密封的支撐環(huán)嚴(yán)重變形，2瓣連接螺栓(規(guī)格：4-M20 )全部折斷，支撐環(huán)與主軸密封支撐板連接螺栓(規(guī)格：36-M20 )全部折斷，與檢修密封環(huán)連接螺栓(規(guī)格：36-M16 )全部存在，檢修密封環(huán)上游側(cè)變形。

(4)主軸密封支撐板。主軸密封支撐板與內(nèi)導(dǎo)環(huán)的連接螺栓(規(guī)格：40-M20 )部分變形，常規(guī)方法不能拆除；主軸密封支撐板分瓣面的連接螺栓(規(guī)格：10-M20 )有9顆螺栓及其連接筋板被刮掉，只剩下部1顆螺栓連接筋板。

(5)轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)。檢查螺栓完好，止漏環(huán)被撞傷變形。

檢查結(jié)論如下。

(1)水輪機轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓1臺套(共18根)全部損壞。

(2)檢修密封裝置(含檢修密封套1、檢修密封套2、檢修密封固定架、檢修密封)一套損壞，無法修復(fù)。

(3)內(nèi)導(dǎo)水錐一套損壞，無法修復(fù)。

(4)主軸密封座板損壞，無法修復(fù)。

(5)主軸密封一套損壞，回轉(zhuǎn)環(huán)變形。

(6)轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)損壞，無法繼續(xù)使用。

(7)主軸法蘭有4個螺栓通孔(8、15、16、18號)撞擊變形。

(8)內(nèi)導(dǎo)環(huán)法蘭面嚴(yán)重變形。

(9)水導(dǎo)側(cè)X、Y向擺度傳感器損壞。

(10)水導(dǎo)側(cè)X、Y、Z向振動傳感器損壞。

(11)組合軸承X、Y、Z向振動傳感器損壞。

2 原因分析

從事后對設(shè)備各部件損壞情況分析，轉(zhuǎn)輪與主軸連接附件各主要設(shè)備除了6個直徑160 mm銷子完好存在外，其余部件均有不同程度損壞或變形，從轉(zhuǎn)動角度出發(fā)，基本可以判定除了18個M90×4螺栓及6個直徑160 mm銷子是轉(zhuǎn)動部件外，其余損壞部件在機組運行中基本是靜止件，與轉(zhuǎn)動部件不會造成碰撞，那么它的損壞應(yīng)該是螺栓斷裂后，一系列的碰撞造成，而且螺栓的斷裂還不是一次造成，而是逐個引起，相互撞擊形成，取幾個有示范性螺栓圖分析，如圖2～圖5所示。

圖2 1號螺栓被撞擊未斷裂Fig.2 No.1 bolt has not ruptured after being dashed

圖3 4號螺栓完全斷裂Fig.3 No.4 bolt has completely ruptured

圖4 6號螺栓瞬間撞擊斷裂Fig.4 No.6 bolt has instantly ruptured at the moment of being dashed

圖5 15號螺栓斷裂口有銹跡Fig.5 Rust has formed on the rupture port of No. 15 bolt

從以上圖片可以判斷，有些螺栓斷裂時間不是一兩天，而是有一個過程了，可以肯定，從設(shè)計角度出發(fā)，螺栓承擔(dān)著水推力，不受旋轉(zhuǎn)力矩影響，扭矩力由銷子承擔(dān)，但螺栓斷裂又必須受到扭力作用，不然它不會斷裂，而且最先斷裂的應(yīng)該是受到交變應(yīng)力最大的那個螺栓，而要使螺栓受力，那說明銷子不夠緊，應(yīng)由它承擔(dān)的扭矩力部分傳遞到螺栓上了。為從根本上探明究竟，請電科院分別對螺栓及銷子進(jìn)行了分析，初步結(jié)論如下。

(1)從斷口的宏觀形貌上觀察，由于螺栓在機組運行過程中受到較大的交變應(yīng)力作用，從而萌生疲勞裂紋，當(dāng)裂紋達(dá)到臨界狀態(tài)時在預(yù)緊力和水沖力的作用下快速斷裂。主要是疲勞斷裂引起，特別是16號螺栓，典型的疲勞斷裂，表現(xiàn)在其斷面疲勞擴展區(qū)比較光滑，只有一點快速破斷區(qū)。

(2)材質(zhì)力學(xué)性能分析，短時拉伸性能。1號試驗材質(zhì)的屈服強度為720 MPa、抗拉強度為870 MPa、斷面收縮率為52%、伸長率為18%、沖擊韌性45 J/mm2；2號試驗材質(zhì)的屈服強度為725 MPa、抗拉強度為900 MPa、斷面收縮率為54%、伸長率為18%、沖擊韌性46 J/mm2。2試樣的硬度為254～268。以上進(jìn)行的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)結(jié)果均符日本JISG4303-2005標(biāo)準(zhǔn)[2]對SUS420J2 鋼的要求。

(3)通過對斷裂聯(lián)軸螺栓的取樣并定量光譜分析，螺栓的元素成分符合日本JISG4303-2005標(biāo)準(zhǔn)對SUS420J2 鋼要求。

(4)將螺栓用電鏡分析時看到有很多腐蝕后的圓形孔洞，既密集，尺寸也較大，同時夾雜物較多，可以確定這種現(xiàn)象對螺栓的抗疲勞性是不利的。設(shè)計時日本廠方對抗疲勞性能沒有明確要求，而對螺栓韌性斷裂的成分比較多一些。

(5)從銷孔與銷釘?shù)呐浜锨闆r上看(孔徑測量情況見表1)，扭矩銷受的剪切力有部分加到螺栓上，產(chǎn)生一個彎矩，這可能是造成螺栓疲勞斷裂的一個重要原因。

扭矩銷與銷孔配合間隙已超出設(shè)計允許范圍。扭矩銷的設(shè)計尺寸為φ160(-0.03～-0.04)mm，銷孔的設(shè)計尺寸為φ160(0～+0.04)mm，扭矩銷及銷孔的設(shè)計配合范圍為φ160(-0.04～+0.04)mm，對扭矩銷及銷孔進(jìn)行測量,數(shù)據(jù)見表1。

表1 扭矩銷與銷孔實測數(shù)據(jù) mmTab.1 The measured data table of torque pin and pin hole

數(shù)據(jù)顯示扭矩銷與銷孔的配合已超出允許范圍，在主軸法蘭側(cè)銷孔明顯大于轉(zhuǎn)輪體側(cè)銷孔，并且在主軸側(cè)銹蝕比較多。機組運行過程中扭矩銷受的剪切力有部分加到螺栓上，產(chǎn)生一個彎矩，會造成螺栓附加應(yīng)力的增大，加快螺栓的疲勞發(fā)展過程。各銷子受力不均可以從拆后圖片看出(銷子有倒角的為轉(zhuǎn)輪側(cè))，表面黑亮為接觸，銹蝕者為非接觸，見圖6。

圖6 銷子接觸情況Fig.6 A diagram of pin contact

(6)對螺栓安裝緊固工藝應(yīng)予以改進(jìn)，原設(shè)計是用初步預(yù)緊力定0位，然后直接一個轉(zhuǎn)角確定最終的緊固力矩，存在著0位不完全相同，最終轉(zhuǎn)角存在較大偏差，各螺栓受力就不一致。監(jiān)測問題是每顆螺栓安裝時均應(yīng)測量其拉伸值，從而確保其受力均勻。

3 修復(fù)采取的對策

3.1 螺 栓

(1)委托浙富公司對連接螺栓進(jìn)行重新設(shè)計、制造。螺栓材質(zhì)由3Cr13改為35CrMo，目的是提高材質(zhì)的抗疲勞程度，對預(yù)緊力采用伸長值等多種方法測量。螺栓的光桿部分在安裝前多涂點黃油，防止螺桿在水下運行時發(fā)生銹蝕。對螺母進(jìn)行了改善，將其接觸面改為圓形，改善受力面積。

(2)每個新螺栓均設(shè)計有測長孔及配有單獨的測桿，改變以往設(shè)計18個螺栓僅有2個螺栓有測長孔，且未配有測桿的現(xiàn)象，從而每個螺栓安裝緊固后的伸長值得以精確控制,如圖7、圖8所示。

圖7 轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓改造前Fig.7 The original connection of reel and principal axis

圖8 轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓改造后Fig.8 Connective reconstruction of reel, principal axis and bolt

(3)新螺栓到現(xiàn)場后，由于是新材質(zhì)，根據(jù)設(shè)計緊固力矩，現(xiàn)場確定其應(yīng)該達(dá)到的伸長值，在現(xiàn)場作業(yè)時，控制在+0.01～-0.01 mm，從而保證了每一個螺栓受力基本均勻。

(4)對主軸螺孔及其法蘭面進(jìn)行修復(fù)處理，安裝時，每一個螺孔修平后均用紅丹粉檢查螺母工作面與螺孔面接觸情況，要求其接觸面必須大于75%以上，確保螺桿受力良好。

3.2 銷 子

(1)根據(jù)轉(zhuǎn)輪與主軸連接扭矩傳遞原理，基本可以判定部分扭矩力傳遞到了螺栓，而螺栓的斷裂原因很可能是由于銷子配合過松引起，故在銷子修復(fù)過程中，重點是更換新銷子，現(xiàn)場配銷。為了適合燈泡貫流式機組現(xiàn)場實際，專門定制了一套配銷工具，如圖9所示，收到了很好的效果。同時銷孔與銷子配合間隙放小至+0.03～0.04 mm，各銷子配合鉸后數(shù)據(jù)如表2所示。

圖9 現(xiàn)場配銷示意圖Fig.9 A diagram of live pins matching

表2 扭矩銷與銷孔修后配合尺寸實測數(shù)據(jù)Tab.2 The measured size table of torque pin and pin hole reconstruction

3.3 監(jiān)控方面的改進(jìn)

從螺栓斷裂界面分析，上述螺栓不是同時斷裂，而是有一個從質(zhì)變到量變、個別到全部的過程，但由于設(shè)計的原因，轉(zhuǎn)輪是泡于水中，止水任務(wù)交由檢修密封及主軸密封，在實際設(shè)備運行過程中無法評判各部件的健康狀況，為避免類似事故的發(fā)生，必須在監(jiān)測螺栓上下功夫，為此在軸密封板上開一個小洞，設(shè)計安裝了如圖10所示的報警裝置。

圖10 螺栓斷裂報警裝置Fig.10 Alarm system for bolt rupture 注：1-軸密封板；2-O形盤根；3-法蘭；4-彈簧墊圈；5-螺栓；6-閘閥；7-空心連接管；8-示流器；9-四通管；10-90°彎頭；11-堵頭。

它的工作原理是：只要有一個螺桿斷裂退出，碰到空心圓管損壞，就會有水流出，示流器發(fā)信號，運行人員就會知曉，從而采取措施避免事故的擴大化。

3.4 其他方面的改進(jìn)

事后分析，事故初發(fā)時監(jiān)控中大量冒水是從內(nèi)導(dǎo)水錐與內(nèi)管型座連接法蘭面螺栓孔φ24噴出，那么是否可以安裝一套裝置防止螺栓退出，避免水噴到定子及其他附件成為可能，為此采取一圈螺桿處安裝幾個擋環(huán)，目的是擋住螺栓不給其退出，期望起到一些輔助效果。

4 結(jié) 語

轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓斷裂后會造成一些列的破壞，損失較大，特別是如果處理不當(dāng)，將會造成水淹廠房，造成極其嚴(yán)重的后果。事故后我們得出以下幾條經(jīng)驗。

(1)遇事不慌，應(yīng)急處理重點是防止事故的擴大，確保其他機組及輔助設(shè)備的運行。

(2)事故發(fā)生后要及時關(guān)閉機組流道進(jìn)、尾水閘門，確保沒有外來水。

(3)需要重新設(shè)計計算全廠在事故突發(fā)情況下，廠房排水設(shè)備的可靠性，特別是最大排水量是否滿足最不可能的事故發(fā)生時的情況。

(4)定期檢查螺栓的健康狀況，每3 a更換一次螺栓，重新現(xiàn)場鉸孔配銷。

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[1] 廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計研究院. 紅水河百龍灘水電站技術(shù)設(shè)計報告:第6冊 機電與金屬結(jié)構(gòu)[R]. 南寧:1998.

[2] JAPANESE INDUSTRIAL STANDARD. JIS G4303:2005 stainless steel bars[Z]. 2006.