百龍灘電廠受油器密封環(huán)壓蓋螺栓斷裂原因分析

陳開評(píng)

(大化水力發(fā)電總廠，廣西 大化 530800)

1 概 述

百龍灘電廠位于廣西馬山縣百龍灘鎮(zhèn)，共裝有6臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為6×32 MW，采用兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線，電站運(yùn)行最大水頭18 m，額定水頭9.7 m，最小水頭3 m。受油器安裝在燈泡頭內(nèi)主軸中心線上(高程100.90)，額定工作壓力5.2 MPa，主要功用是接受并分配轉(zhuǎn)輪接力器的壓力油，并通過它排除轉(zhuǎn)輪體內(nèi)多余的滲漏油；其結(jié)構(gòu)主要由受油器殼體、浮動(dòng)瓦(分開腔及關(guān)腔瓦)、密封壓蓋(分開腔及關(guān)腔壓蓋)、密封、輪葉開度指示擺針及滲(排)油管路構(gòu)成(見圖1)；其中內(nèi)含各種規(guī)格 “O”橡膠密封10道，可謂結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜。同時(shí)，安裝精度要求較高(受油器殼體中心與操作大小短軸中心偏差≤0.10 mm)。

在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，開腔及關(guān)腔浮動(dòng)瓦間隙滲漏油量很少，兩側(cè)均約100 ml/min，在開腔滲油通過受油器罩向上到▽161輪轂高位油箱，再溢油到▽94漏油箱，再由漏油泵打油到▽115集油槽，如此往復(fù)。至于關(guān)腔滲油則直接通過如圖1中的檔油罩(圖1⑧)匯集(維護(hù)人員日常巡檢可透過觀察孔了解其滲油量)，通過排油總管(圖1⑨)到▽94漏油箱，再由漏油泵打油到▽115集油槽；從而保證油系統(tǒng)的總油量無變化，確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

2 問題的提出

為解決百龍灘電廠機(jī)組在低水頭(≤5 m)運(yùn)行振動(dòng)較大、導(dǎo)葉開度受限(開度≤85%)、機(jī)組出力不達(dá)設(shè)計(jì)值的問題，電廠決定利用2016年冬至2017年春機(jī)組檢修期間更換4號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪，借以達(dá)到在水頭3 m及以上能安全穩(wěn)定運(yùn)行。在機(jī)組檢修后調(diào)速器試驗(yàn)過程中(系統(tǒng)油壓已達(dá)額定5.2 MPa)，燈泡頭受油器調(diào)試監(jiān)護(hù)人員發(fā)現(xiàn)大量的透平油從關(guān)腔側(cè)擋油罩冒出，流至燈泡頭作業(yè)平臺(tái)及機(jī)組中性點(diǎn)、輔助風(fēng)機(jī)電纜等設(shè)備。再通過擋油罩觀察孔發(fā)現(xiàn)油不僅從關(guān)腔密封壓蓋(圖1⑦)與受油器操作短軸間隙冒出；而且還從密封壓蓋固定螺栓(8_M12)頭冒出，冒油總量大，排油總管排不及而從其他處溢出。

現(xiàn)場人員及時(shí)通知電調(diào)試驗(yàn)人員停止試驗(yàn)，關(guān)閉壓油罐出口閥門，切斷油源，及時(shí)清理現(xiàn)場并對(duì)泡油設(shè)備進(jìn)一步檢查無異常。但對(duì)關(guān)腔密封壓蓋分解檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)緊固螺栓8-M12不同程度拉長，有1根已完全斷裂(見圖2)。

圖1 受油器結(jié)構(gòu)示意

圖2 密封壓蓋螺栓斷裂情況

3 原因分析

百龍灘電廠受油器在多年、多臺(tái)次的A修或C修中已分解、檢查、回裝多次，作業(yè)人員積累了相當(dāng)豐富的安裝經(jīng)驗(yàn)。從日常的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)看，在調(diào)速器額定的工作油壓下，關(guān)腔浮動(dòng)瓦滲油排油路徑如下所示(見圖3)。

關(guān)腔浮動(dòng)瓦及過度環(huán)與受油器操作短軸間隙均為0.115～0.173 mm，操作油壓經(jīng)過關(guān)腔固定環(huán)(與短軸小間隙)減壓——關(guān)腔固定環(huán)大間隙放大減壓(如圖1：部分油從排油小管溢出)——過度環(huán)與密封壓蓋小間隙減壓——部分油匯集到檔油罩——排油總管。

圖3 關(guān)腔浮動(dòng)瓦滲油排油示意

從圖3中可以判斷，經(jīng)過多層的迷宮式減壓，滲油壓力已很小，這可以從以往機(jī)組運(yùn)行情況觀察得知；基本是100 ml/min，不會(huì)造成大量冒油排不急的情況發(fā)生。而該次檢修后試驗(yàn)油從密封壓蓋螺栓孔冒出，可以判定關(guān)腔瓦固定環(huán)與過度環(huán)存在間隙(設(shè)計(jì)是沒有間隙的)，一級(jí)減壓后大量尚帶壓的油使密封壓蓋螺栓受力(設(shè)計(jì)8_M12螺栓為普通鍍鋅螺栓，僅起到固定作用)，并從試驗(yàn)過程及后續(xù)的分解檢查得出如下分析：

(1)從M12螺栓斷裂部位斷面收縮可以判定，這是金屬材料拉伸試驗(yàn)典型的破斷截面，8根螺栓可以說均受到較大的、不同程度的油壓。從金屬材料力學(xué)可以查到M12，4.8級(jí)螺栓抗拉強(qiáng)度為400 MPa，屈服強(qiáng)度是320 MPa，螺栓有效截面積A=84 mm2，螺栓抗拉力可以達(dá)到26.88 kN(2.688 t)。那么密封壓蓋會(huì)承受那么大的壓力嗎？計(jì)算如下：

假設(shè)油壓經(jīng)過第一道間隙減壓后還有2.6 MPa壓力，那么對(duì)應(yīng)的φ420密封壓蓋受力為：F=2.6×106×3.14×0.212=360.03 kN(36 t)>8×2.688(總約21.5 t)。

也就是說8-M12螺栓受到拉力伸長破斷是符合理論計(jì)算的。

(2)在調(diào)速器試驗(yàn)過程中存在轉(zhuǎn)輪開關(guān)不靈活現(xiàn)象及異常響聲，活塞缸中間段局部卡澀；這就會(huì)造成回油不順暢，壓力升高，從而導(dǎo)致螺栓受力過大斷裂。但這還得滿足一個(gè)條件，即關(guān)腔瓦固定環(huán)與過度環(huán)存在間隙，不然油壓是不會(huì)不經(jīng)過再次減壓串到密封壓蓋上。

(3)從后續(xù)事故處理過程中我們注意到關(guān)腔瓦固定環(huán)與過度環(huán)連接定位銷(圖3⑤)有局部翻毛，這就說明在安裝過程中由于空間狹窄，不易于監(jiān)視裝配質(zhì)量，過度環(huán)與關(guān)腔瓦固定環(huán)結(jié)合不緊密，存在微量傾斜；從而油壓進(jìn)入，造成螺桿不均勻受力，應(yīng)該說這是螺桿斷裂的直接原因之一。

(4)新轉(zhuǎn)輪制造裝配中由于不可預(yù)見的因素，轉(zhuǎn)輪活塞與活塞缸光潔度、各轉(zhuǎn)動(dòng)部件同心度等未經(jīng)過有效試運(yùn)磨合，存在運(yùn)動(dòng)過程局部微量卡澀，造成操作回油不順暢，導(dǎo)致各連接部件受力升高，這是螺桿斷裂的直接原因之二。

4 處 理

針對(duì)以上原因分析，檢修作業(yè)人員采取了如下處理措施，收到很好的效果。從機(jī)組2017年7月投運(yùn)至今，受油器滲油、排油正常，再無大量冒油現(xiàn)象。

(1)關(guān)閉壓油罐出口閥門，切斷有源，分解檢查關(guān)腔瓦各結(jié)合面有關(guān)部件、密封，定位銷打磨處理，更換M12螺栓及密封，安裝過程加強(qiáng)監(jiān)督檢查，確保每一個(gè)部件裝配到位、檢查驗(yàn)收到位。

(2)延長轉(zhuǎn)輪輪葉關(guān)閉時(shí)間，由37 s延至50 s。

(3)多次、長時(shí)間來回開、關(guān)轉(zhuǎn)輪輪葉，目的是使各運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)部件磨合，消除制造誤差，減少摩擦系數(shù)，實(shí)踐證明這是行之有效的。經(jīng)過一晝夜的操作，之前轉(zhuǎn)輪輪葉運(yùn)動(dòng)中的局部卡澀現(xiàn)象大有改觀，再無明顯跳動(dòng)、遲滯；同時(shí)隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，效果越來越好。

5 結(jié) 語

燈泡貫流式機(jī)組受油器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、緊致，各種小部件、密封甚多，安裝作業(yè)空間狹窄，每一步都至關(guān)重要，作業(yè)人員要熟悉設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場作業(yè)要拿著圖紙一一對(duì)照；質(zhì)量監(jiān)控人員不能流于形式的旁站，要懂得裝配的關(guān)鍵所在，不然一旦返工起來，對(duì)于臥式機(jī)組是非常麻煩的一件事，同時(shí)對(duì)工期的延誤也是無法挽回的。