天生橋二級(jí)電站進(jìn)水閥活門(mén)裂紋原因分析

（調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司天生橋水力發(fā)電總廠，貴州 興義 562400）

1 概述

天生橋二級(jí)電站位于貴州安龍與廣西隆林兩縣的界河南盤(pán)江上，總裝機(jī)容量為6×220MW，是國(guó)家“西電東送”的主力電廠之一，系中國(guó)南方電網(wǎng)公司應(yīng)急調(diào)峰調(diào)頻水電廠。5#-6#機(jī)組為二期工程，分別于2000年底投產(chǎn)發(fā)電。 2008年至2009年在6#機(jī)組檢查性大修中，發(fā)現(xiàn)蝶閥活門(mén)筋板存在6條裂紋，然后進(jìn)行了焊接處理，2011年和2012年機(jī)組檢修中，又發(fā)現(xiàn)相同部位產(chǎn)生裂紋，2013年檢查又發(fā)現(xiàn)了40mm厚筋板進(jìn)出水邊根部位置存在裂紋，據(jù)檢查其裂紋長(zhǎng)度達(dá)400mm。

為了找到裂紋的原因，進(jìn)行了活門(mén)固有頻率、閥體與活門(mén)振動(dòng)噪聲測(cè)試等工作，通過(guò)測(cè)試找到了原因，解決了實(shí)際問(wèn)題。

2 活門(mén)噪聲振動(dòng)測(cè)試

在水輪機(jī)的活門(mén)轉(zhuǎn)臂、蝶閥閥體和下游鋼管處適當(dāng)位置布置加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，并在蝶閥殼體處放置噪聲計(jì)，進(jìn)行噪聲測(cè)試。將采集到的振動(dòng)和噪聲信號(hào)同時(shí)輸入到信號(hào)分析儀，進(jìn)行振動(dòng)和噪聲頻譜分析。

試驗(yàn)工況為機(jī)組進(jìn)行升、降負(fù)荷試驗(yàn)，測(cè)試期間上下游水位基本保持在641.36m和440.47m左右，試驗(yàn)毛水頭約為200.89m。將負(fù)荷從0升至220MW，每次升20MW，然后從220MW降至180MW，每次降10MW，進(jìn)行升、降負(fù)荷測(cè)試，記錄測(cè)得的振動(dòng)噪聲結(jié)果。

從測(cè)試結(jié)果分析出：

（1）在190MW～200MW負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，活門(mén)轉(zhuǎn)臂、閥體、下游鋼管處振動(dòng)和閥外殼處噪聲主頻為62.50Hz；在210MW～220MW區(qū)域，主頻為73.12Hz。

（2）閥體外殼處噪聲在0MW～180MW負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域存在33.12Hz主頻，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)該主頻成分；下游引水鋼管在此負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域存在91.25Hz主頻，其它振動(dòng)測(cè)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)該主頻成分。

（3）在80MW～180MW負(fù)荷運(yùn)行區(qū)域，閥外殼處噪聲和其它測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值與其它工況相比存在明顯增大現(xiàn)象。

（4）在100MW～160MW負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，閥體外殼處出現(xiàn)明顯的噪聲增大現(xiàn)象，與閥體、活門(mén)轉(zhuǎn)臂和下游鋼管振動(dòng)增大趨勢(shì)一致，噪聲振動(dòng)能量最大工況點(diǎn)為140MW。

（5）從各工況點(diǎn)頻譜分析來(lái)看，除噪聲一直存在33.12Hz主頻、下游引水鋼管一直存在91.25Hz主頻外，閥體和活門(mén)轉(zhuǎn)臂未發(fā)現(xiàn)振動(dòng)主頻一致現(xiàn)象。在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況190MW～200MW，200MW～220MW，噪聲與振動(dòng)主頻一致，分別為62.5Hz和73.12Hz，這一主頻的產(chǎn)生應(yīng)與活門(mén)過(guò)流量有一定關(guān)系。

因此初步判斷活門(mén)裂紋的產(chǎn)生最有可能與機(jī)組經(jīng)常穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域190MW ～ 200MW 、210MW ～ 220MW時(shí)出現(xiàn)的62.5Hz 、73.12Hz噪聲和振動(dòng)主頻有關(guān)，由于該主頻與活門(mén)筋板自身固有頻率相吻合，加之長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，以致產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，從而在焊接薄弱部位產(chǎn)生裂紋，并隨之?dāng)U展。

閥體外殼噪聲與活門(mén)轉(zhuǎn)臂、閥體、下游引水鋼管的振動(dòng)在高負(fù)荷區(qū)出現(xiàn)了單一頻率的吻合現(xiàn)象，與卡門(mén)渦出現(xiàn)情況極為類似，因此初步懷疑為過(guò)流部件（活門(mén)）在水中產(chǎn)生卡門(mén)渦，造成過(guò)流部件疲勞破壞現(xiàn)象。

從相對(duì)振動(dòng)幅值對(duì)比來(lái)看，機(jī)組在100MW～160MW負(fù)荷區(qū)域?yàn)檎駞^(qū)， 處在這一區(qū)域時(shí)閥振動(dòng)最為強(qiáng)烈，經(jīng)常穿越這一區(qū)域?qū)铋T(mén)的疲勞壽命也是有影響的。

3 過(guò)流板件固有頻率測(cè)試

固有頻率測(cè)試主要分別針對(duì)有裂紋和無(wú)裂紋的活門(mén)40mm、60mm和90mm筋板在空氣中進(jìn)行。采用錘擊法，在各板厚筋板的相應(yīng)位置選取拾振點(diǎn)，錘擊方向與加速度傳感器的方向一致，將力信號(hào)、響應(yīng)信號(hào)輸入到信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)行頻譜分析，然后分別記錄測(cè)點(diǎn)頻率值、一階振型、二階振型、三階振型和四階振型。

活門(mén)各板件在水中固有頻率將降低，按經(jīng)驗(yàn)下降系數(shù)約為0.7～0.8。從測(cè)試結(jié)果看出，有裂紋的40mm厚筋板，在水中的一階固有頻率約為90～103Hz，無(wú)裂紋的約為102～116Hz；有裂紋側(cè)的60mm厚筋板約為127～145Hz，無(wú)裂紋側(cè)的約為127～145Hz；90mm厚蓋板約為65～88Hz，為整體彎曲振型。

通過(guò)對(duì)活門(mén)各板件固有頻率與振動(dòng)模態(tài)測(cè)試分析，綜合分析得出：

（1）活門(mén)90mm厚蓋板在空氣中一階固有頻率在93～111Hz范圍，其模態(tài)振型為彎曲振型。

（2）活門(mén)在190MW～200MW穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域噪聲與振動(dòng)主頻為62.5Hz，在210MW～220MW區(qū)域?yàn)?3.12Hz，這兩個(gè)頻率均與活門(mén)水中一階固有頻率相吻合，因此可判斷活門(mén)固有頻率與卡門(mén)渦頻率出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，并引起卡門(mén)渦振動(dòng)。

（3）從振動(dòng)和噪聲幅值與能量來(lái)看，在210MW～220MW工況時(shí)振動(dòng)與噪聲出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象，因此可判斷由主頻73.12Hz引起卡門(mén)渦共振的可能性更大。

（4）從各過(guò)流板件的出水邊形狀檢查來(lái)看，活門(mén)90mm厚蓋板出水邊厚40mm且為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其卡門(mén)渦估算頻率約為52.1～73.3 Hz，具備引起卡門(mén)渦振動(dòng)的必要條件。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)活門(mén)振動(dòng)噪聲和固有頻率測(cè)試，以及對(duì)活門(mén)的剛強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算，引起活門(mén)裂紋的主要原因如下：

（1）90mm厚蓋板固有頻率與卡門(mén)渦頻率相吻合，導(dǎo)致蓋板出水邊卡門(mén)渦共振。蓋板的彎曲振動(dòng)使筋板根部承受拉壓交變應(yīng)力，而產(chǎn)生卡門(mén)渦工況又為該機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行工況，長(zhǎng)期損傷累積導(dǎo)致疲勞破壞。

（2）機(jī)組啟停機(jī)時(shí)均需穿越不穩(wěn)定區(qū)，機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域較大，活門(mén)在此區(qū)域運(yùn)行時(shí)脈動(dòng)壓力也會(huì)使筋板產(chǎn)生疲勞損傷，以致裂紋的產(chǎn)生。

（3）檢修補(bǔ)焊時(shí)，在裂紋焊接后未完全進(jìn)行鏟磨清根與打磨圓滑過(guò)渡處理，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，易引生疲勞裂紋。

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