迪仕林電站機(jī)組抬機(jī)與轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分析

張建軍

（國網(wǎng)東北分部綠源水電檢修公司，遼寧 丹東 118000）

1 電站基本情況

幼發(fā)拉底河是中東地區(qū)較大的、水量較為充沛的河流之一，它發(fā)源于土耳其的亞美尼亞高地，由北向南流經(jīng)敘利亞轉(zhuǎn)東流入伊拉克。迪仕林（TISHRIN）水電站位于敘利亞阿拉伯共和國境內(nèi)北部的幼發(fā)拉底河上，距土耳其邊境75 km。工程樞紐主要由河床土壩和帶泄水底孔的廠房建筑物組成，泄水道布置較有特點，是在蝸殼下面，并把尾水管錐體部分包住，其末端出口平行尾水肘管并在其上面通過。電站裝設(shè)6臺立軸半傘式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號為SF105－66/12800，水輪機(jī)型號為ZZ440a－LH－750，單機(jī)容量105 MW。該電站土建部分由俄羅斯設(shè)計施工，機(jī)電部分為中方設(shè)計制造及安裝，1999年12月電站首臺機(jī)組投入運行，2000年9月，受四川省機(jī)械設(shè)備進(jìn)出口公司委托，太平灣電廠派駐赴敘專業(yè)人員指導(dǎo)電站的維護(hù)管理，2002年11月，6臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

2 存在問題

2.1 抬機(jī)現(xiàn)象

迪仕林電站設(shè)計有調(diào)相功能，調(diào)相系統(tǒng)由2臺4 MPa及1臺0.8 MPa空氣壓縮機(jī)組成。調(diào)相運行時，先行打開4 MPa供氣管路閥門，由氣罐向轉(zhuǎn)輪室供氣壓水至轉(zhuǎn)輪以下后（供氣時間為240 s），啟動0.8 MPa氣機(jī)向轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)氣。當(dāng)水位上返至一定高度，再次打開4 MPa供氣閥門將水位壓下(300 s)。電站先期投運做調(diào)相試運行時，機(jī)組由空載轉(zhuǎn)入調(diào)相關(guān)閉導(dǎo)葉后，轉(zhuǎn)輪室充氣壓水，但由于機(jī)組在水中調(diào)相運行時間過長，產(chǎn)生極大的上升推力，瞬間就造成了抬機(jī)，致使集電環(huán)碳刷脫出刷座而短路停機(jī)。在抬機(jī)后的機(jī)組檢查中，發(fā)現(xiàn)碳刷及刷握有損壞、滑環(huán)燒傷，轉(zhuǎn)子勵磁引線有被定子擋風(fēng)板刮劃損壞的跡象（勵磁引線與擋風(fēng)板間距離約30 mm）。在后續(xù)轉(zhuǎn)輪的檢查中，也發(fā)現(xiàn)頂蓋中錐底部圓周均布的樹脂防護(hù)抗磨板，沿旋轉(zhuǎn)方向已被轉(zhuǎn)輪研磨堆起（轉(zhuǎn)輪體上端面與中錐底部的抗磨板間隔為25 mm）。從以上跡象分析，判斷轉(zhuǎn)子抬機(jī)量已達(dá)30 mm以上。此后，電站機(jī)組取消了調(diào)相功能，但在機(jī)組自動開停機(jī)過程中由于監(jiān)控系統(tǒng)故障，常常使機(jī)組進(jìn)入調(diào)相工況導(dǎo)致抬機(jī)。資料記載2002年6月14日，4號機(jī)正常開機(jī)并網(wǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)顯示有功P為－3.5 MW, 無功Q為5 MVar，但還未等監(jiān)控系統(tǒng)自動加載，隨即出現(xiàn)勵磁系統(tǒng)故障、電氣事故等報警，機(jī)組事故停機(jī)，同時現(xiàn)場值班員看見集電環(huán)碳刷打火，停機(jī)后檢查轉(zhuǎn)子勵磁引線絕緣已被擋風(fēng)板劃破，即已發(fā)生抬機(jī)。目前，各臺機(jī)組的轉(zhuǎn)子勵磁引線均有劃痕，損傷程度不一，還有的機(jī)組因永磁機(jī)花鍵過長，發(fā)生抬機(jī)時旋轉(zhuǎn)軸上串將萬向聯(lián)軸節(jié)頂碎。

2.2 葉片裂紋

2004年2月，電站在對4號機(jī)進(jìn)行計劃檢修時，首次檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，并對其進(jìn)行了處理。至2006年2月6號機(jī)檢修時，全部6臺機(jī)轉(zhuǎn)輪均檢查出有葉片裂紋。裂紋的位置多是在葉片出水邊，即葉片小頭且靠向轉(zhuǎn)輪室，裂紋的程度從幾百毫米至1 m余長不等，出現(xiàn)在葉片的正面或背面，有的為穿透裂紋，并有錯縫上翹現(xiàn)象（如圖1為1號機(jī)5號葉片裂紋）。從歷年檢修記錄來看，每次的機(jī)組檢修裂紋處理是最為耗費工時的一項作業(yè)。根據(jù)具體的裂紋程度，先在裂紋兩端分別鉆止延孔，再用專用工具打出焊接坡口。對單面裂紋，深度較淺的開“V”型坡口即可，較深的開“U”型坡口，若為穿透型裂紋，則采用雙面打坡口，上部坡口深度占2/3左右。施焊時一般選用與母材性質(zhì)相近、干燥的焊條（敘方用的是俄羅斯產(chǎn)ЭA-395/9-Φ4.0不銹鋼焊條），用小電流短弧焊，對較深的坡口采用鑲邊焊。要求焊接平整、光滑，無夾渣、氣孔，為減小焊縫應(yīng)力，還要及時對焊道施行錘擊。若有條件，裂紋補(bǔ)焊后，應(yīng)在100 ℃左右溫度下保溫一段時間，再緩慢冷卻下來。最后用砂輪機(jī)將高出部分磨平、磨光。但是，在此后機(jī)組的陸續(xù)檢修中，還是不斷發(fā)現(xiàn)有葉片裂紋（目前唯有6號機(jī)還沒第2次檢查出裂紋），其中有重復(fù)出現(xiàn)的，而5號機(jī)4號葉片還發(fā)生邊角掉落1塊（200 mm×250 mm）并伴有延伸裂紋?，F(xiàn)將各機(jī)組葉片裂紋情況列于表1。

統(tǒng)計顯示，全部6臺機(jī)投產(chǎn)僅4年后，先后總計共有30片次發(fā)生裂紋，其中重復(fù)發(fā)生的為9片。該電站轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)是由6個葉片組成，也就是說裂紋葉片數(shù)目近2/3 。其中尤屬2號機(jī)問題嚴(yán)重，全部轉(zhuǎn)輪葉片均有裂紋產(chǎn)生。

3 原因分析

如前所述，造成該電站機(jī)組產(chǎn)生抬機(jī)的根本原因是機(jī)組在調(diào)相工況運行所致，當(dāng)然在機(jī)組“事故”甩負(fù)荷時，不否認(rèn)反水錘產(chǎn)生抬機(jī)推力，但沒有出現(xiàn)大的抬機(jī)量。此后，電站機(jī)組已取消調(diào)相功能。那么機(jī)組開停機(jī)過程中為何會出現(xiàn)調(diào)相現(xiàn)象呢？其根本原因是監(jiān)控系統(tǒng)不穩(wěn)定，時常出現(xiàn)死機(jī)或控制流程中斷，機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)后不能自動加載并轉(zhuǎn)入調(diào)相工況。停機(jī)時又往往因監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷幅度過大，調(diào)速器未能及時反饋，此時機(jī)組還未解列，導(dǎo)致從系統(tǒng)吸收有功而進(jìn)入調(diào)相。而機(jī)組調(diào)相運行的深度決定了抬機(jī)量的大小，輕則躲過事故，抬機(jī)嚴(yán)重則事故停機(jī)。

迪仕林電站機(jī)組計算機(jī)監(jiān)控設(shè)備為國內(nèi)第一代產(chǎn)品，投入運行以來就存在很多問題。2005年，電站曾對工控機(jī)進(jìn)行了更換，但由于信號采集模塊與工控機(jī)不匹配，時常出現(xiàn)上述提到的死機(jī)或信號傳輸中斷，更有經(jīng)常發(fā)生誤采集諸如事故低油壓這樣的信號，造成事故電磁閥動作使運行中的機(jī)組甩負(fù)荷（電站投運以來機(jī)組“事故”甩負(fù)荷情況見表2）。在電站設(shè)計中，設(shè)計院明確給出了機(jī)組吸出高度為－6 m，但由于水工建筑物的設(shè)計施工及下游薩烏拉電站實際蓄水等原因，造成實際吸出高度約－15 m左右，機(jī)組投運以來真空破壞閥從未檢修調(diào)試過，也未曾發(fā)現(xiàn)其有過動作補(bǔ)氣（曾對6臺機(jī)組由空載至停機(jī)過程做過監(jiān)視，有些機(jī)組頂蓋內(nèi)出現(xiàn)了一定的真空度）。在機(jī)組事故停機(jī)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)快速關(guān)閉時，尾水管內(nèi)水壓急劇下降，強(qiáng)烈的反水錘作用于葉片，是造成葉片裂紋的主要原因。表2是摘自2001年至2008年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，有73臺次之多“事故”甩負(fù)荷，可以說是非常罕見。其次，設(shè)備加工會存在一些內(nèi)在缺陷，如鑄造工藝不良產(chǎn)生的缺陷和鑄造應(yīng)力，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理殘存的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，運行中的水流脈動作用力產(chǎn)生的材料疲勞應(yīng)力等也加速了葉片的疲勞破壞，而機(jī)組頻繁發(fā)生的“事故”甩負(fù)荷，更加劇了葉片裂紋的產(chǎn)生。資料記載，在處理葉片裂紋過程中，就曾發(fā)現(xiàn)葉片本體有氣泡及夾渣現(xiàn)象，且從打磨出的末狀來看材質(zhì)較軟（葉片材質(zhì)為ZG0Cr13Ni6Mo不銹鋼），反映出裂紋的產(chǎn)生確有一定的質(zhì)量原因。另外，機(jī)組運行一般所帶負(fù)荷均在80 MW左右，最高也很少超過95 MW，運行水頭一般在22 m ，遠(yuǎn)低于設(shè)計水頭，且上游水質(zhì)常年較好，從未過載運行。葉片發(fā)生裂紋對電站的安全運行危害極大，可怕的是，一旦發(fā)生大塊葉片掉落，運行中的機(jī)組會因失衡而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動引發(fā)擴(kuò)大性事故，因此應(yīng)注意檢查，及早發(fā)現(xiàn)，及時處理。

4 防范與解決

在中方保存的資料中，記載了發(fā)現(xiàn)迪仕林電站機(jī)組輪葉裂紋后，水科院人員曾于2005年底對2號機(jī)進(jìn)行過葉片應(yīng)力試驗；2006年6月，受敘方GOLD和GOED的邀請，JV的工程師Mr. Mirkovic和Mr. Hersel也曾對迪仕林電站進(jìn)行過現(xiàn)場檢查，但均沒有實質(zhì)性結(jié)論報告及解決方案。鑒于迪仕林電站機(jī)組這種狀況，太平灣電廠歷屆專家組，采取了許多防范機(jī)組調(diào)相的安全措施，做了大量葉片裂紋處理的工藝指導(dǎo)及質(zhì)量把關(guān)工作，所幸未發(fā)生因此帶來的更加嚴(yán)重的事故。

（1）目前，開機(jī)時通過監(jiān)視機(jī)旁盤功給顯示正確，機(jī)組并網(wǎng)電壓、頻率均正常，合上出口開關(guān)后，由手動加載調(diào)整負(fù)荷；停機(jī)時，同樣為避免監(jiān)控系統(tǒng)的過調(diào)或誤調(diào)使機(jī)組進(jìn)入調(diào)相，先由監(jiān)控系統(tǒng)下空載令將負(fù)荷減至空載，解開出口開關(guān)后，再手動將導(dǎo)葉完全關(guān)閉。同時，為保證監(jiān)控系統(tǒng)的正常，由二次專業(yè)人員每天上班后先對計算機(jī)進(jìn)行1次重啟動。

（2）已將各機(jī)組集電環(huán)碳刷架安裝位置上移，即盡量使碳刷接觸于滑環(huán)上部，以留出抬機(jī)發(fā)生時的竄動量，防止滑環(huán)及碳刷的損傷。

（3）現(xiàn)正通過逐臺機(jī)組的檢修，逐一檢查轉(zhuǎn)子勵磁引線損壞程度，并松開線夾，將引線高度下調(diào)（可大致降低10 mm，即引線與擋風(fēng)板距離可保證在40 mm左右），再重新處理好引線絕緣。

（4）現(xiàn)設(shè)想在機(jī)組出口增設(shè)功率方向限制裝置，直接作用于機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)下限制導(dǎo)葉關(guān)閉幅度。此方案在研究中，一旦成功將從根本上避免抬機(jī)事故的發(fā)生。

（5）為確切掌握機(jī)組抬機(jī)發(fā)生時的抬機(jī)量，以利于制定合理的機(jī)組檢查檢修方案，電站設(shè)計制作了抬機(jī)監(jiān)測裝置，用于跟蹤機(jī)組抬機(jī)狀況。

（6）在機(jī)組檢修中，對真空破壞閥進(jìn)行分解檢修及動作定值校驗，如若開啟真空度選擇偏高，應(yīng)予以調(diào)整，確保其能正常動作，及時消除轉(zhuǎn)輪室內(nèi)真空以減小水錘壓力。

5 結(jié)束語

迪仕林電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況令人堪憂，也是最大的設(shè)備隱患，不但設(shè)備安全運行難以保障，也極大地增加了運行操作及維護(hù)檢修人員的責(zé)任以及工作量。先進(jìn)的計算機(jī)監(jiān)控，本應(yīng)給機(jī)組帶來可靠的控制和保護(hù)，但恰恰由于它的不穩(wěn)定，電站屢屢發(fā)生調(diào)相運行及“事故”甩負(fù)荷，成了機(jī)組安全運行的“罪魁禍?zhǔn)住?，因此盡早對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，是解決問題的關(guān)鍵。