軸流式轉(zhuǎn)輪連板斷裂原因分析及解決辦法

馬劍瀅

（甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730030）

1 概述

水電站位于甘南藏族自治州卓尼縣縣城上游約20.1 km處的洮河干流上，距蘭州市約360 km，電站總裝機(jī)容量30 MW，安裝3臺10 MW軸流轉(zhuǎn)漿式發(fā)電機(jī)組。電站由首部樞紐、引水建筑物、發(fā)電廠房和開關(guān)站等組成，主要任務(wù)是水力發(fā)電，水庫正常蓄水位為2 604 m，引水閘頂高程2 606 m，最大壩高11.2 m，電站額定水頭25 m，設(shè)計(jì)引水流量138.6 m3/s，電站采用地面廠房布置形式，廠區(qū)主要建筑物由主廠房、副廠房、110 kV開關(guān)站、尾水建筑物等組成。尾水閘段長4.0 m，尾水平臺高程為2 579.57 m。多年平均發(fā)電量為1.357 2億kW·h，年利用小時(shí)4 524 h。

3臺機(jī)組相繼于2010年2月、7月和11月投產(chǎn)發(fā)電，1號機(jī)組最晚投產(chǎn)發(fā)電。投產(chǎn)發(fā)電以來，轉(zhuǎn)輪葉片連板、操作架導(dǎo)向鍵頻繁發(fā)生斷裂，操作架焊縫多次開裂等現(xiàn)象，后經(jīng)過持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改造連板、操作架導(dǎo)向鍵、操作架結(jié)構(gòu)等。在2016年檢修期間對1號機(jī)組的零部件進(jìn)行徹底更換，截至2017年11月30日經(jīng)過一個(gè)完整的運(yùn)行周期年，再未發(fā)生斷裂現(xiàn)象，目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。本文著重就轉(zhuǎn)輪葉片連板斷裂產(chǎn)生的原因以及處理方法做一詳細(xì)的闡述，供大家學(xué)習(xí)交流。操作架導(dǎo)向鍵以及操作架焊縫開裂問題另有專門文章闡述，在此不再累述。

2 電站參數(shù)

水輪機(jī)型號：ZZA834-LJ-260

最大水頭 Hmax：30.65 m

額定水頭 Hr：25 m

最小水頭Hmin：23.48 m

額定轉(zhuǎn)速 nr：250 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：560 r/min

額定點(diǎn)效率：93.2%

最高效率≥設(shè)計(jì)值：94.35%

額定出力：10.43 MW

最大出力：12.8 MW

額定流量：45.63 m3/s

軸向水推力：最大水頭30.65 m時(shí)，水推力為140 t機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向：俯視順時(shí)針

3 現(xiàn)象描述

電站3臺機(jī)組相繼于2010年陸續(xù)投產(chǎn)，1號機(jī)組于2010年11月投產(chǎn)、2號機(jī)組于2011年4月投產(chǎn)、3號機(jī)組于2011年4月投產(chǎn)發(fā)電。2011年7月機(jī)組檢修發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組2個(gè)導(dǎo)向鍵斷裂；3個(gè)叉頭斷裂，一個(gè)連板斷裂；2012年2月，1號機(jī)組甩負(fù)荷后，檢查發(fā)現(xiàn)5個(gè)連板全部斷裂；2016年3月2號機(jī)組大修時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)1個(gè)連板斷裂，2個(gè)叉頭斷裂；2016年4月，1號機(jī)組運(yùn)行異常，檢查發(fā)現(xiàn)1個(gè)連板斷裂、1個(gè)叉頭斷裂；2017年8月，2號機(jī)組檢查發(fā)現(xiàn)1個(gè)連板斷裂；圖1～4為部分?jǐn)嗔训倪B板、導(dǎo)向鍵，以及操作架焊縫開裂圖。

圖1 斷裂的連板

圖2 斷裂的操作架導(dǎo)向鍵

圖3 操作架焊縫裂紋

圖4 斷裂的叉頭

4 原因分析

為解決上述異常斷裂問題，筆者以連板為例，從生產(chǎn)制造、應(yīng)力分析等方面對連板斷裂產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。從而提出解決問題的方法措施。導(dǎo)向鍵以及操作架等部件均作了相應(yīng)改造，分析過程在此不再累述。

4.1 生產(chǎn)制造原因

觀察連板斷裂面的斷口部位，裂紋從一點(diǎn)開始逐步向外擴(kuò)散，對比斷裂的連板，不難發(fā)現(xiàn)，連板斷裂的位置都是從連板的耳環(huán)根部開始，呈現(xiàn)逐漸向外擴(kuò)散趨勢。

檢查所有斷裂的連板，發(fā)現(xiàn)連板斷裂部位均位于耳環(huán)與連板中間拉桿連接部位，并且在過渡區(qū)域無工藝過渡圓弧。

察看廠家提供的零件圖紙，在圖中注明在耳環(huán)與連桿連接部位有R10的過渡圓弧。而實(shí)物均未有此過渡圓弧存在，證實(shí)連板實(shí)物與圖紙不符，缺少過渡圓弧。

4.2 應(yīng)力分析

按照《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊》中，有關(guān)連板計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容，對連板受力情況進(jìn)行計(jì)算。

接力器活塞直徑D=63 cm

接力器活塞桿d=18 cm

接力器工作油壓p=40 kg/cm2

連板A-A斷面面面積AA=5×5π/4=19.625 cm2

連 板 B-B 斷 面 面 面 積AB=2×（5.4-4）×6=8.4 cm2

連板C-C斷面面面積AC=2×4.0×6.0×（5.4×5.4-4×4）/（5.4×5.4+4×4）=13.99 cm2

連板工作中承受拉力P=Pc/Z

其中：PC-接力器全作用力kg；Z-連板數(shù)Z=5。P=p×（D2-d2）π/4×5=22 902 kg

A-A斷面所受拉應(yīng)力σA=P/AA=1 167.0 kg/cm2

B-B斷面所受拉應(yīng)力σB=P/2AB=1 363.2 kg/cm2

C-C斷面所受拉應(yīng)力σC=P/AC=1 637.03 kg/cm2

連板所用材料為45號鋼

許用應(yīng)力 [σ]=σb/3=1 300 kg/cm2

從計(jì)算結(jié)果看不僅σB=1363kg/cm2＞1300kg/cm2=[σ]σC=1 637.03 kgcm2＞1 300 kg/cm2=[σ]

從計(jì)算結(jié)果看出B-B斷面以及C-C斷面的應(yīng)力數(shù)值均超過許用應(yīng)力。

4.3 主要原因

從連板的制造工藝以及應(yīng)力分析得知，造成連板頻繁斷裂的原因主要是兩點(diǎn)，第一是連板設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度不足，設(shè)計(jì)應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力，超過規(guī)范要求數(shù)值，連板不能滿足正常使用要求。第二是連板制造時(shí)未能按照圖紙加工過渡圓弧，連板的耳環(huán)與連桿之間存在應(yīng)力集中點(diǎn)，在連板使用過程中，受到交變外力作用后，連板產(chǎn)生塑性變形，變形位置發(fā)生在應(yīng)力最薄弱位置，及圖中所示的C-C斷面的位置，這與計(jì)算結(jié)果相一致，也與連板實(shí)際斷裂情況相對應(yīng)。

5 處理方法

在處理連板斷裂問題時(shí)，經(jīng)歷了三個(gè)階段，逐步形成合理、有效的最終方案。

第一階段，也是1號機(jī)組連板首次發(fā)生斷裂后的處理方案，1號機(jī)組在2012年2月發(fā)生甩負(fù)荷事故以后，生產(chǎn)廠家重新加工一批連板，并在專業(yè)人員的指導(dǎo)下，對連板進(jìn)行更換處理。在此過程中未對連板結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。

第二階段，在2016年3月，2號機(jī)組連板發(fā)生斷裂后，電站技術(shù)人員要求廠家按照設(shè)計(jì)圖紙重新加工一套連板，在此次加工過程中，強(qiáng)調(diào)了連板的過渡圓弧，將圖紙中的過渡圓弧由原來的R5變更為R10，并更換了2號機(jī)組的連板。

第三階段，在2016年4月，1號機(jī)組再次發(fā)生連板斷裂問題后，筆者針對連板頻繁發(fā)生斷裂問題，現(xiàn)場仔細(xì)察看連板結(jié)構(gòu)，斷裂部位，以及歷次斷裂的連板情況，通過原因分析，找到了連板頻繁斷裂的根本原因，針對應(yīng)力超標(biāo)問題，對連板結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，增加連板中間部位尺寸，增大連板耳環(huán)與連桿間的過渡圓弧。根據(jù)要求，再次新加工一批連板，并且在2016年檢修期，對1號機(jī)組的連板全部更換完畢。設(shè)計(jì)圖如圖5。

圖5 新設(shè)計(jì)連板圖紙

更換后的連板實(shí)物見圖6。2幅圖中左側(cè)為第二階段更換的連板平面、立面，右側(cè)為第三階段新設(shè)計(jì)制造、并更換的連板平面、立面。

圖6 改進(jìn)前后的連板實(shí)物平面、立面圖

新設(shè)計(jì)制造的導(dǎo)向鍵如圖7。

圖7 改進(jìn)前后的導(dǎo)向鍵對比實(shí)物平面圖

6 結(jié)語

軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片操作機(jī)構(gòu)中由于連板斷裂，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行異常，擺度數(shù)值增加、振動數(shù)值加大，機(jī)組負(fù)荷無法調(diào)整的問題，近年來在中小型軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組中已經(jīng)不多見。操作機(jī)構(gòu)各部件產(chǎn)生斷裂的原因與多種因素有關(guān)。如：方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、加工制造、工藝檢查、安裝調(diào)試、運(yùn)行范圍等，每一個(gè)環(huán)節(jié)都密切相關(guān)，互相影響。操作機(jī)構(gòu)一旦發(fā)生問題，將嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行。在發(fā)生問題后需要準(zhǔn)確分析原因，對癥及早處理。

新設(shè)計(jì)制造的連板、導(dǎo)向鍵以及操作架，已經(jīng)于2016年11月15日在1號機(jī)組檢修期間全部更換完畢，調(diào)試合格后，投入使用。截至目前，1號機(jī)組已經(jīng)過兩個(gè)完整的發(fā)電周期年，目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，檢查未發(fā)現(xiàn)連板、導(dǎo)向鍵及操作架有裂紋及變形問題，證明新設(shè)計(jì)制造的連板、導(dǎo)向鍵及操作架滿足實(shí)際使用的要求，改造成功。