某水電站1號(hào)機(jī)組支持蓋振動(dòng)增大分析及處理

侯俊龍，楊明揚(yáng)，盧 楠

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司 湖北 宜昌 443002)

某水電站1號(hào)機(jī)布置于左岸電站，由東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)制造，1981年7月投運(yùn)。1號(hào)機(jī)水輪機(jī)基本參數(shù)如下。

水輪機(jī)型號(hào)：ZZ560-LH-1130；額定功率176 MW；額定轉(zhuǎn)速：54.6 r/min；額定水頭：18.6 m；額定流量：1 130 m3/s；轉(zhuǎn)輪直徑：11.3 m；輪轂比：0.4；最大軸向水推力：3 800 t；轉(zhuǎn)輪體高2.75 m，長(zhǎng)和寬各為4.024 m，重量為120 t，轉(zhuǎn)輪體為球形結(jié)構(gòu)，球體直徑為4.52 m，裝有4個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)葉片，其轉(zhuǎn)角范圍-10°～+24°，操作葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的接力器直徑為2.85 m。

1 故障現(xiàn)象

水電站1號(hào)機(jī)于2017-11-14日至12月1日期間完成常規(guī)性C級(jí)檢修工作后處于備用狀態(tài)。在12月13日開(kāi)機(jī)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)其支持蓋垂直振動(dòng)整體偏大，接近上限值(標(biāo)準(zhǔn)≯110 um)，且偶有超標(biāo)情況，水平振動(dòng)正常。經(jīng)查詢1號(hào)機(jī)支持蓋歷史穩(wěn)定性數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(如圖1)，在1號(hào)機(jī)停機(jī)檢修前支持蓋垂直及水平振動(dòng)均正常，開(kāi)機(jī)運(yùn)行后垂直振動(dòng)明顯增大、水平振動(dòng)趨勢(shì)無(wú)明顯變化。

圖1 1號(hào)機(jī)支持蓋振動(dòng)變化趨勢(shì)圖

2 故障診斷分析

2.1 支持蓋結(jié)構(gòu)及傳感器布局

水電站1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)支持蓋結(jié)構(gòu)型式如圖2、3所示，外形尺寸Φ11 780×Φ5 000×2 670 mm，布局于頂蓋內(nèi)側(cè)，是水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的重要組成部分。

圖2 1號(hào)機(jī)支持蓋三維示意圖

圖3 1號(hào)機(jī)支持蓋平面示意圖

支持蓋水平及垂直振動(dòng)傳感器互成90°布置于支持蓋內(nèi)側(cè)+X和+Y方向處，傳感器型式為低頻速度傳感器[1]。

2.2 可能原因分析

1)傳感器通訊線路或系統(tǒng)軟件故障。水輪機(jī)支持蓋振動(dòng)傳感器屬于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分。由于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，主要通過(guò)電纜，轉(zhuǎn)接端子，采集箱等元件進(jìn)行傳輸，而這些電纜或者接線端子的信號(hào)線隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后可能產(chǎn)生松動(dòng)或者脫落，導(dǎo)致接觸不良，因此可能造成傳感器輸出信號(hào)異常，導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示值與實(shí)際值不符。另外，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要采集、分析、存儲(chǔ)各種狀態(tài)量，在運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生刷新數(shù)據(jù)不及時(shí)等情況也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真[2]。

2)傳感器異常。水輪機(jī)支持蓋振動(dòng)傳感器運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜[3]，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后可能會(huì)導(dǎo)致性能異?；驌p壞。最終也會(huì)影響水輪機(jī)支持蓋真實(shí)振動(dòng)值的輸出。

3)水輪機(jī)工況不佳。水輪機(jī)未在協(xié)聯(lián)工況或在振動(dòng)區(qū)下運(yùn)行[4]，也會(huì)導(dǎo)致支持蓋振動(dòng)增大。

4)水輪機(jī)水下部件異常。水輪機(jī)過(guò)流部件偏差、流道偏差、導(dǎo)葉控制部件運(yùn)動(dòng)偏差、轉(zhuǎn)輪安裝高程偏差以及轉(zhuǎn)輪葉片形態(tài)異常等均有可能導(dǎo)致支持蓋振動(dòng)異常。但由于1號(hào)機(jī)在此之前的運(yùn)行狀態(tài)、穩(wěn)定性均正常，因此可以排除導(dǎo)葉控制部件運(yùn)動(dòng)偏差、轉(zhuǎn)輪安裝高程偏差等存在問(wèn)題。但可能存在因機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的如過(guò)流部件、流道部件脫落或轉(zhuǎn)輪葉片缺失等情況。

2.3 檢查情況

2.3.1 傳感器通訊線路、系統(tǒng)及傳感器檢查

現(xiàn)場(chǎng)檢查傳感器線路、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及傳感器電壓輸出均正常。傳感器安裝牢固、不存在接反或裝反情況。

2.3.2 水輪機(jī)工況檢查

查看和跟蹤1號(hào)機(jī)運(yùn)行工況，發(fā)現(xiàn)除支持蓋垂直振動(dòng)以外，導(dǎo)葉開(kāi)度、輪葉開(kāi)度協(xié)聯(lián)關(guān)系，出力以及其他穩(wěn)定性參數(shù)等均無(wú)異常。且機(jī)組均未在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行過(guò)。以下列舉了1號(hào)機(jī)自支持蓋振動(dòng)增大以來(lái)的4個(gè)工況點(diǎn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 1號(hào)機(jī)自支持蓋振動(dòng)增大以來(lái)的4個(gè)工況點(diǎn)數(shù)據(jù)表

長(zhǎng)期跟蹤1號(hào)運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，自支持蓋垂直振動(dòng)增大以來(lái)，除了在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)有所降低和改善外，其他大部分垂直振動(dòng)趨勢(shì)并未隨工況的變化而有明顯的變化[5]，且振動(dòng)值基本處于上限或偶有超標(biāo)情況，以下為1號(hào)機(jī)自支持蓋垂直振動(dòng)增大后1年的支持蓋振動(dòng)趨勢(shì)概覽圖，見(jiàn)圖4。

圖4 1號(hào)機(jī)支持蓋振動(dòng)概覽圖

2.3.3 水下部件檢查

結(jié)合1號(hào)機(jī)大修，對(duì)1號(hào)機(jī)水下部件進(jìn)行詳細(xì)檢查。檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)1號(hào)葉片出水邊靠近裙邊側(cè)有約975 mm×880 mm的扇形區(qū)域葉片整體脫落缺失(見(jiàn)圖5)，距離葉片內(nèi)圓約2 180 mm，整體延伸至葉片裙邊根部，且葉片進(jìn)水邊、出水邊、葉片根部均存在不同程度的裂紋缺陷。其他水下部件如過(guò)流部件、轉(zhuǎn)輪室、流道等除了存在一定磨蝕以下，無(wú)其他異常情況。由此可初步認(rèn)為1號(hào)機(jī)1號(hào)葉片局部脫落是導(dǎo)致1號(hào)機(jī)支持蓋垂直振動(dòng)增大的根本原因。

圖5 1號(hào)機(jī)1號(hào)葉片出水邊脫落圖

3 缺陷處理

為保證1號(hào)機(jī)1號(hào)葉片脫落區(qū)域的處理效果以及葉片處理后葉型匹配性和完整性，委托機(jī)組廠家對(duì)缺失葉片區(qū)域進(jìn)行加工。結(jié)合此次機(jī)組大修對(duì)轉(zhuǎn)輪其他葉片缺陷進(jìn)行了一并處理，處理情況如下。

1)1號(hào)葉片脫落部位缺陷處理?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量葉片脫落區(qū)域接口處型線尺寸，在2號(hào)葉片同一位置處描繪出脫落部分模型，確定鑲塊模型尺寸；對(duì)原斷口位置進(jìn)行吹割打磨處理，打磨深度約5 mm；裝焊鑲塊，調(diào)整好鑲塊位置，焊前采用烤槍預(yù)熱，多層多道焊接，清根焊透，每一次焊接前檢查焊縫表面質(zhì)量；焊后打磨，焊接位置處圓滑過(guò)渡，無(wú)突變；PT和超聲波探傷檢查，無(wú)裂紋等缺陷，主要處理過(guò)程詳見(jiàn)圖6～圖11。

圖6 確定模型尺寸圖

圖10 PT探傷圖

圖11 超聲波探傷圖

2)對(duì)1號(hào)葉片及其他葉片裂紋區(qū)域進(jìn)行處理。葉片裂紋主要為：1號(hào)葉片進(jìn)水邊長(zhǎng)約170 mm的貫穿性裂紋，1號(hào)葉片出水邊正面長(zhǎng)360 mm、背面長(zhǎng)470 mm的貫穿性裂紋，1號(hào)葉片根部背面R角兩處長(zhǎng)約70 mm的裂紋；2號(hào)葉片進(jìn)水邊長(zhǎng)約30 mm的貫穿性裂紋。

對(duì)裂紋處進(jìn)行清理，PT探傷，確定葉片裂紋源頭后，在源端鉆止裂孔，防止吹刨時(shí)裂紋擴(kuò)展；先從葉片下部吹刨葉片厚度的1/2，進(jìn)行補(bǔ)焊，再?gòu)娜~片正面進(jìn)行吹刨補(bǔ)焊；焊接及處理工藝與葉片脫落區(qū)域處理工藝基本一致。

3)對(duì)葉片氣蝕區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)焊打磨，葉片光滑過(guò)渡。

4 處理評(píng)價(jià)

1號(hào)機(jī)1號(hào)葉片缺陷處理后，機(jī)組按計(jì)劃進(jìn)行了開(kāi)機(jī)，開(kāi)機(jī)運(yùn)行后跟蹤查看1號(hào)機(jī)穩(wěn)定性情況，發(fā)現(xiàn)支持蓋垂直振動(dòng)有所減少及改善，變化趨勢(shì)如圖12所示。對(duì)比處理前后支持蓋垂直振動(dòng)基本由95～115 um減少至72～85 um，降幅為26%～35%。其他穩(wěn)定性數(shù)據(jù)均正常。此次處理達(dá)到了預(yù)期效果，同時(shí)也找到了支持蓋垂直振動(dòng)增大的根本原因。

圖12 1號(hào)機(jī)支持蓋垂直振動(dòng)趨勢(shì)變化圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某水電站1號(hào)機(jī)支持蓋振動(dòng)增大原因進(jìn)行了分析。根據(jù)可能存在的原因進(jìn)行了一系列檢查，最終檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)1號(hào)轉(zhuǎn)輪葉片局部存在缺失，明確了支持蓋振動(dòng)增大并偶發(fā)超標(biāo)的原因。利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)對(duì)缺失部位進(jìn)行了修復(fù)處理，解決了1號(hào)機(jī)支持蓋振動(dòng)增大及超標(biāo)缺陷。

結(jié)合此次缺陷分析檢查及處理，針對(duì)后續(xù)其他同類型設(shè)備的運(yùn)行及維護(hù)提出了以下兩點(diǎn)建議：

1)充分考慮機(jī)組水下部件運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性。結(jié)合機(jī)組水下部件運(yùn)行壽命及檢修周期，定期對(duì)水下部件進(jìn)行仔細(xì)檢查和處理。確保機(jī)組安全穩(wěn)定。

2)針對(duì)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中如支持蓋振動(dòng)等穩(wěn)定性指標(biāo)出現(xiàn)惡化時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行檢查。避免機(jī)組相關(guān)部件造成不可預(yù)估的損失。

該缺陷的分析、檢查及處理的思路和方法可為其他同類型水電機(jī)組存在的類似問(wèn)題提供借鑒和參考。