大源渡水電站3號(hào)機(jī)組漿葉操作油管螺栓斷裂處理與分析

任方

（湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司大源渡航電樞紐分公司，湖南衡陽(yáng)421000）

大源渡水電站3號(hào)機(jī)組漿葉操作油管螺栓斷裂處理與分析

任方

（湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司大源渡航電樞紐分公司，湖南衡陽(yáng)421000）

簡(jiǎn)要介紹了大源渡水電站3號(hào)機(jī)組漿葉操作油管連接法蘭螺栓斷裂的檢查處理情況，根據(jù)檢查情況全面分析了造成漿葉操作油管連接法蘭螺栓斷裂的原因及運(yùn)行維護(hù)方面暴露出的問題，并針對(duì)存在的問題提出了整改與防范措施。

漿葉操作油管；連接法蘭螺栓；斷裂；處理與分析；整改與防范

1 概述

大源渡航電樞紐位于湖南省衡山和衡東兩縣交界處的湘江干流上，距衡山縣城12 km，是由湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司（原湖南湘江航運(yùn)建設(shè)開發(fā)有限公司）建設(shè)的國(guó)家“九五”重點(diǎn)工程，也是湖南省交通系統(tǒng)辦電的首個(gè)試點(diǎn)工程，工程總投資約21億元人民幣，樞紐主體工程包括大壩、水電站、船閘、弧門泄水閘（23孔）及壩頂公路橋等建筑。電站初期共裝有4臺(tái)單機(jī)容量為30 MW的燈泡貫流式機(jī)組，機(jī)組設(shè)備全部從奧地利ELIN公司、奧地利MCE公司、德國(guó)SULZER公司引進(jìn)，1998年12月，首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1999年10月，1號(hào)～4號(hào)機(jī)組全部投入運(yùn)行。2008年08月新增一臺(tái)由廣東韶關(guān)眾力發(fā)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的容量為10 MW的燈泡貫流式機(jī)組（0號(hào)），電站總裝機(jī)容量達(dá)到130 MW。

2 事故簡(jiǎn)介

2.1 電氣一次主接線介紹

大源渡水電站裝有4臺(tái)30MW、1臺(tái)10MW燈泡貫流式機(jī)組，5臺(tái)機(jī)組分別經(jīng)2臺(tái)雙繞組750MVA主變壓器（1號(hào)B、2號(hào)B）以110kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)，發(fā)變組采用擴(kuò)大單元接線；110kV系統(tǒng)采用單母線分段接線，以3條出線并入衡陽(yáng)電網(wǎng)，并留有1條備用線路；發(fā)電機(jī)端10.5 kVⅡ段母線上接有1臺(tái)隔離變向近區(qū)配電室供電，近區(qū)負(fù)荷包括弧門、船閘及生活區(qū)用電等；近區(qū)配電室另接有1條系統(tǒng)倒送線路作為保安電源；電站還裝有1臺(tái)275 kW柴油發(fā)電機(jī)供廠用重要負(fù)荷。

2.2 事故前運(yùn)行方式

上游水位為50.03 m（正常蓄水位為黃海高程50.00 m），下游水位為43.21 m，0號(hào)機(jī)處于C修狀態(tài)，1號(hào)機(jī)處于B修狀態(tài)，2號(hào)機(jī)（13.3MW）、3號(hào)（13.8MW）、4號(hào)機(jī)（12.6 MW）并網(wǎng)運(yùn)行，2號(hào)機(jī)經(jīng)1號(hào)B由大巾線、湛大線向系統(tǒng)供電，3、4號(hào)機(jī)經(jīng)2號(hào)B由大爐線向系統(tǒng)供電，110 kV母線分段運(yùn)行，主變高壓側(cè)開關(guān)510、520及110 kV出線開關(guān)502、504、506均在“合上”位置，110 kV母聯(lián)開關(guān)500在“熱備用”位置，廠用運(yùn)行方式為1CB帶廠用I段、2CB帶廠用II、III段，近區(qū)負(fù)荷由3、4號(hào)機(jī)經(jīng)近區(qū)隔離變3號(hào)B供電，弧門總開度為8.5 m。

2.3 事故經(jīng)過

2015年12月24日04:20，運(yùn)行人員監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)調(diào)速器補(bǔ)給油泵一直供油，上位機(jī)頻繁發(fā)號(hào)3號(hào)機(jī)調(diào)速器油壓過低及調(diào)速器1號(hào)、2號(hào)油泵啟動(dòng)信號(hào)，經(jīng)現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速器機(jī)械柜內(nèi)閥組存在較大油流聲，調(diào)速器控制方式中導(dǎo)漿葉均為比例閥控制，嘗試將3號(hào)機(jī)負(fù)荷由13.3 MW調(diào)整至15.5 MW時(shí)，導(dǎo)葉正常動(dòng)作，但漿葉基本不動(dòng)作。05∶42，維護(hù)人員現(xiàn)地檢查后初步判斷漿葉有反饋信號(hào)但無(wú)法操作可能系漿葉比例閥有問題，需停機(jī)后處理?，F(xiàn)地將漿葉控制方式切換至“機(jī)手動(dòng)”后，調(diào)速器油壓穩(wěn)定，未再頻繁發(fā)3號(hào)機(jī)調(diào)速器油壓過低及調(diào)速器1號(hào)、2號(hào)油泵啟動(dòng)信號(hào)。

09∶20運(yùn)行人員向調(diào)度申請(qǐng)停3號(hào)機(jī)處理漿葉比例閥故障。10∶14，停3號(hào)機(jī)過程中，發(fā)“逆功率保護(hù)32T”信號(hào)，機(jī)組甩負(fù)荷停機(jī)。另經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)輪轂油箱有油溢出至地面。

3 事故處理過程

3.1 閥組故障排查

2015年12月24日12:41，維護(hù)人員開具工作票對(duì)3號(hào)機(jī)漿葉比例閥組和數(shù)字閥組進(jìn)行解體，檢查后未發(fā)現(xiàn)異常情況，回裝后操作漿葉時(shí)，用壓力表監(jiān)測(cè)漿葉開啟腔、關(guān)閉腔的油壓，發(fā)現(xiàn)無(wú)論漿葉在開啟還是關(guān)閉時(shí)，兩腔油壓均相同，由此推斷3號(hào)機(jī)漿葉操作油管、受油器或槳葉接力器油缸可能存在串油從而導(dǎo)致漿葉無(wú)法操作，必須將3號(hào)機(jī)進(jìn)入檢修狀態(tài)并對(duì)上述部位進(jìn)行詳細(xì)檢查。

2015年12月25日，維護(hù)人員開具“3號(hào)機(jī)水輪發(fā)電機(jī)組檢修”第一種工作票，3號(hào)機(jī)進(jìn)入搶修狀態(tài)，計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間為2015年12月25日08:00至2016年1月31日18:00。

3.2 漿葉操作油管串油排查

2016年1月2日，電站組織檢修單位對(duì)3號(hào)機(jī)漿葉操作油管串油進(jìn)行排查，拆出漿葉操作油管后發(fā)現(xiàn)：操作油管第一節(jié)與第二節(jié)之間的連接法蘭處8個(gè)螺栓中的3個(gè)已部分旋出、一個(gè)已不見、4個(gè)已斷裂成8節(jié)（其中4節(jié)仍在螺孔內(nèi)，另4節(jié)已不見），操作油管第一節(jié)與第二節(jié)已基本脫開；操作油管支撐密封部位（位于輪轂與大軸連接處）的8道焊縫裂開了3道。由此，可基本確定3號(hào)機(jī)漿葉無(wú)法操作系因操作油管連接法蘭螺栓斷裂導(dǎo)致槳葉操作油管發(fā)生了串油所致。操作油管第一節(jié)與第二節(jié)連接法蘭部位見圖1。

3.3 螺栓查找

圖1 3號(hào)機(jī)漿葉操作油管第一節(jié)與第二節(jié)連接部位

發(fā)現(xiàn)漿葉操作油管連接法蘭螺栓斷裂的情況后，電站立即組織人員對(duì)不見的一個(gè)螺栓及4節(jié)斷裂螺栓進(jìn)行查找，由專業(yè)人員用內(nèi)窺鏡對(duì)3號(hào)機(jī)輪轂、大軸及受油器內(nèi)部進(jìn)行逐一檢查，發(fā)現(xiàn)有3個(gè)斷裂的螺栓頭和一個(gè)旋出的完整螺栓掉落在大軸與輪轂連接處的空腔內(nèi)，通過使用磁性抓取器將其全部取出。至此，僅有一個(gè)斷裂的螺栓頭（為內(nèi)六角螺栓頭，與螺栓桿齊根斷裂，螺栓頭直徑約為16 mm，高約10 mm）未找到，為了找到該螺栓頭，電站又組織人員對(duì)調(diào)速器油系統(tǒng)、壓力油管路、濾油機(jī)、大軸與輪轂連接處的空腔、受油器以及大軸內(nèi)腔等位置又進(jìn)行了逐一排查，但都未能找到。由于輪轂及槳葉接力器油缸未解體，內(nèi)窺鏡及磁性抓取器都難以進(jìn)入查找。見圖2、圖3。

圖2 找到的3號(hào)機(jī)漿葉操作油管連接法蘭斷裂螺栓

圖3 3號(hào)機(jī)輪轂結(jié)構(gòu)圖

3.4 未找到的螺栓頭可能去向

除去其它已排查部位，未找到的螺栓頭可能掉入以下位置（見圖4箭頭所指位置）：

（1）由于其它螺栓均在大軸與輪轂連接處的空腔內(nèi)找到，未找到的螺栓頭很可能掉入到該空腔處的平壓槽內(nèi)，該平壓槽寬約12 mm，磁性抓取器無(wú)法進(jìn)入，此處積油無(wú)法排盡，內(nèi)窺鏡也無(wú)法看清。

圖4 可能落入位置

（2）可能隨操作油管抽出時(shí)通過漿葉接力器油缸進(jìn)油孔（直徑約50 mm）落入油缸關(guān)閉腔內(nèi)。

（3）可能隨操作油管抽出時(shí)掉入泄水錐后通過泄水錐筋板上的孔落入輪轂內(nèi)。

3.5 未找到的螺栓頭對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響

根據(jù)推斷的螺栓頭可能去向來(lái)看，必須對(duì)3號(hào)機(jī)輪轂進(jìn)行解體檢修才可能找到失蹤的螺栓頭，電站組織相關(guān)人員進(jìn)行了深入討論和分析后，認(rèn)為如果不對(duì)3號(hào)機(jī)輪轂進(jìn)行解體檢修找出失蹤的螺栓頭，將3號(hào)機(jī)投入運(yùn)行，可能存在以下影響：

（1）如果該螺栓頭掉入大軸與輪轂連接處空腔內(nèi)的平壓槽內(nèi)，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行無(wú)影響。

（2）如果該螺栓頭掉入漿葉接力器油缸內(nèi)，可能影響槳葉接力器全開、全關(guān)位置行程，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行無(wú)大影響。但如果該螺栓頭正好卡在槳葉接力器油缸與活塞端部結(jié)合處，則可能對(duì)油缸缸壁產(chǎn)生刮擦，擦痕過大會(huì)導(dǎo)致槳葉接力器開啟腔與關(guān)閉腔串油，從而導(dǎo)致槳葉無(wú)法操作、機(jī)組無(wú)法安全運(yùn)行。

（3）如果該螺栓頭掉入輪轂內(nèi)，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行無(wú)影響。

考慮到該螺栓頭正好卡在槳葉接力器油缸與活塞端部結(jié)合處的可能性較小，且即使該螺栓頭正好卡在槳葉接力器油缸與活塞端部結(jié)合處對(duì)油缸缸壁產(chǎn)生刮擦，擦痕短時(shí)間內(nèi)也不會(huì)增大到導(dǎo)致槳葉接力器開啟腔與關(guān)閉腔串油，3號(hào)機(jī)可以運(yùn)行到2016年下半年電站水域枯水期時(shí)進(jìn)行檢修，再查找失蹤的螺栓頭，并對(duì)上述擦痕進(jìn)行處理。

同時(shí)，由于電站水域正處于冬汛期，入庫(kù)流量持續(xù)較大，且春汛可能提前到來(lái)，此時(shí)將3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)入檢修，也將損失較大的發(fā)電量。

綜合以上影響，電站決定盡快回裝3號(hào)機(jī)槳葉操作油管，恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行。

3.6 恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行前采取的應(yīng)對(duì)措施

（1）將3號(hào)機(jī)槳葉操作油管連接法蘭螺栓全部進(jìn)行更換，并按要求涂抹螺紋鎖固膠進(jìn)行加固。

（2）對(duì)操作油管支撐密封部位（位于輪轂與大軸連接處）裂開的3道焊縫進(jìn)行修補(bǔ)。

（3）調(diào)整漿葉接力器全開、全關(guān)行程限制值，減小16 mm（失蹤的螺栓頭直徑值），以避免螺栓頭在油缸內(nèi)發(fā)生擠壓，影響槳葉接力器動(dòng)作行程。

（4）盡量減少3號(hào)機(jī)開停次數(shù)及負(fù)荷調(diào)整次數(shù)，避免槳葉開度大范圍調(diào)整，做好槳葉開、關(guān)腔油壓及調(diào)速器油泵打壓時(shí)間和間隔的監(jiān)控及記錄。

（5）盡快做好3號(hào)機(jī)輪轂解體檢修準(zhǔn)備工作，保證3號(hào)機(jī)在枯水期能順利實(shí)施檢修，以便查找失蹤的螺栓頭，并對(duì)槳葉接力器油缸中可能產(chǎn)生的擦痕進(jìn)行處理。

2016年1月10日15:00，電站在恢復(fù)3號(hào)機(jī)槳葉操作油管并操作槳葉未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象后將3號(hào)機(jī)投入運(yùn)行，截至出稿，3號(hào)機(jī)運(yùn)行正常。

4 螺栓斷裂力學(xué)分析

在靜置狀態(tài)下，槳葉操作油管內(nèi)部充滿油，為受到均勻重力荷載的固定長(zhǎng)管，由兩端固定點(diǎn)和中間連接法蘭作支撐，可作為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其力學(xué)模型圖及剪力圖如圖5、圖6。

圖5 槳葉操作油管力學(xué)模型圖

圖6 槳葉操作油管剪力圖

從剪力圖可以看出，第一節(jié)與第二節(jié)的連接處受剪切力最大，而此次3號(hào)機(jī)槳葉操作油管連接法蘭螺栓斷裂的正是該位置的螺栓。

在機(jī)組運(yùn)行過程中，除重力荷載外，槳葉操作油管還可能受到以下外力：

（1）機(jī)組啟停時(shí)由于慣性產(chǎn)生的環(huán)向剪切力；

（2）漿葉接力器操作時(shí)油壓產(chǎn)生的沖擊荷載；

（3）機(jī)組周期性振擺力；

（4）機(jī)組旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。

以上重力荷載和外力荷載產(chǎn)生的破壞作用集中反映在相對(duì)薄弱的區(qū)域，即槳葉操作油管連接法蘭螺栓處和中管支撐密封部位，長(zhǎng)時(shí)間的破壞效應(yīng)的累積，導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生疲勞斷裂，另因部分螺栓的螺紋鎖固膠老化，導(dǎo)致螺栓松動(dòng)旋出，使余下螺栓受力加大且不均衡，更加劇了螺栓疲勞斷裂的進(jìn)程。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的破壞效應(yīng)的累積，加上原焊縫質(zhì)量可能存在問題，操作油管支撐密封部位的8道焊縫也裂開了3道。

5 輪轂油箱溢油分析

由于漿葉接力器油缸兩端裝有抗磨銅套，而銅套與活塞桿之間沒有設(shè)置密封，為間隙配合，因此在操作漿葉時(shí)，槳葉接力器開啟腔與關(guān)閉腔的油分別通過間隙處滲到輪轂內(nèi)，并通過泄水錐內(nèi)的漿葉行程反饋管經(jīng)受油器流到輪轂油箱內(nèi)。輪轂油箱油位高時(shí)，多余的油會(huì)從輪轂油箱溢油管溢回到調(diào)速器回油箱。

機(jī)組正常運(yùn)行過程中，漿葉調(diào)整時(shí)間較短，滲到輪轂內(nèi)的油較少。此次事故過程中，由于槳葉操作油管串油，槳葉無(wú)法操作，漿葉行程一直未變，而槳葉的調(diào)整指令則一直存在（前后持續(xù)了2 h左右，直到將漿葉控制方式切換至“機(jī)手動(dòng)”運(yùn)行方式后才停止），調(diào)速器回油箱1號(hào)、2號(hào)油泵均頻繁啟動(dòng)向槳葉操作油管、接力器供油，也就一直有油從漿葉接力器油缸滲到輪轂內(nèi)，導(dǎo)致調(diào)速器回油箱油位低報(bào)警，輪轂油箱油位不斷上升，而輪轂油箱溢油管溢油速度跟不上輪轂油箱油位上升速度，直至輪轂油箱油滿而溢出。

6 暴露出的問題

（1）機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在缺陷，不能真實(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀況。

（2）機(jī)組螺栓等機(jī)械部件運(yùn)行臺(tái)賬不全，不能有效反映相關(guān)部件的發(fā)展趨勢(shì)。

（3）機(jī)組螺栓等機(jī)械部件及機(jī)械部件的焊縫等的檢驗(yàn)不夠規(guī)范，未能通過檢修的有利時(shí)機(jī)發(fā)現(xiàn)可能存在的設(shè)備隱患。

（4）機(jī)組螺栓等機(jī)械部件的檢修質(zhì)量不過關(guān)，導(dǎo)致設(shè)備隱患惡化。

（5）運(yùn)行維護(hù)人員事故處理能力亟需提高（如：未能第一時(shí)間檢查相關(guān)油系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)輪轂油箱溢油問題、未能第一時(shí)間用壓力表監(jiān)測(cè)漿葉開啟腔、關(guān)閉腔的油壓以判斷其串油）。

7 整改與防范措施

（1）盡快進(jìn)行機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造以能真實(shí)反映設(shè)備運(yùn)行狀況并規(guī)范機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理工作。

（2）規(guī)范機(jī)組螺栓等機(jī)械部件運(yùn)行臺(tái)賬管理，有效跟蹤相關(guān)部件的發(fā)展趨勢(shì)。

（3）利用檢修時(shí)機(jī)，嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范要求對(duì)機(jī)組螺栓等機(jī)械部件及機(jī)械部件的焊縫等實(shí)施檢驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)可能存在的設(shè)備隱患。

（4）加強(qiáng)機(jī)組螺栓等機(jī)械部件的檢修質(zhì)量管理，避免設(shè)備隱患惡化，嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范要求對(duì)機(jī)組重要部位和轉(zhuǎn)動(dòng)部位的螺栓等機(jī)械部件實(shí)施更換。

（5）加強(qiáng)機(jī)組螺栓等機(jī)械部件的入場(chǎng)檢驗(yàn)，嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行規(guī)定比例、項(xiàng)目的檢驗(yàn)。對(duì)≥M32的新購(gòu)重要部位螺栓，安裝前應(yīng)做到100%檢驗(yàn)。重要螺栓安裝，必須嚴(yán)格按照技術(shù)要求，涂抹螺紋鎖固膠并扭緊至額定扭矩。

（6）逐步提高運(yùn)行維護(hù)人員事故處理能力。

（7）加強(qiáng)對(duì)3號(hào)機(jī)的監(jiān)盤及巡檢工作，密切監(jiān)視漿葉及轉(zhuǎn)輪室運(yùn)行工況。

（8）嚴(yán)格按要求開展機(jī)組各級(jí)檢修工作并加強(qiáng)檢修過程中的質(zhì)量管理。

（9）盡快做好3號(hào)機(jī)輪轂解體檢修準(zhǔn)備工作，保證3號(hào)機(jī)在枯水期能順利實(shí)施檢修，以便查找失蹤的螺栓頭，并對(duì)槳葉接力器油缸中可能產(chǎn)生的擦痕進(jìn)行處理。

TK730.4

B

1672-5387（2017）06-0050-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.018

2016-10-08

任 方（1975-），男，高級(jí)工程師，從事航電樞紐運(yùn)營(yíng)管理工作。