張秉章

摘要：混流式水輪機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、制造工藝成熟的優(yōu)點(diǎn)，剪斷銷是水輪機(jī)導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的保護(hù)裝置，是水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)備，如果導(dǎo)葉間有異物卡住，相關(guān)傳動(dòng)件的操作力將急劇增大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)剪斷銷設(shè)計(jì)值時(shí)，剪斷銷首先剪斷，保護(hù)水輪機(jī)組傳動(dòng)零件不受損壞。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī);剪斷銷;剪斷;導(dǎo)葉;導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

Abstract： Francis turbine has the advantages of simple structure， high efficiency and mature manufacturing technology. Shearing pin is a protection device for the guide vane transmission mechanism of the turbine， and is an important equipment for the safe and stable operation of the turbine. If there is a foreign matter between the guide vanes， the operating force of the relevant transmission components will increase sharply. When the stress exceeds the design value of the shear pin， the shear pin will be sheared first to protect the transmission parts of the hydraulic turbine unit from damage.

0? 引言

公伯峽電站4號(hào)機(jī)組于2005年12月2日投產(chǎn)，截止2020年7月1日運(yùn)行近15年。2007年9月14日在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下其11#-22#剪斷銷剪斷;2017年6月14日在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下其6#-9#剪斷銷剪斷;2018年5月12日在機(jī)組開機(jī)過(guò)程中21#剪斷銷剪斷;2019年4月27日在開機(jī)過(guò)程中5#剪斷銷剪斷，次年3月21日在停機(jī)過(guò)程中5#剪斷銷剪斷;2020年5月12日在開機(jī)過(guò)程中15#剪斷銷剪斷;2020年5月20日，4號(hào)機(jī)組14#剪斷銷剪斷，在隨后網(wǎng)控AGC調(diào)整負(fù)荷過(guò)程中，12#、13#、15#、16#導(dǎo)葉剪斷銷剪斷，水導(dǎo)瓦溫升高，4號(hào)機(jī)組事故停機(jī)。

1? 公伯峽水電站4號(hào)機(jī)組參數(shù)

1.1 水輪機(jī)基本參數(shù)

型號(hào)：HLA801-LJ-580;最大水頭：106.6m;設(shè)計(jì)水頭： 99.3m;最小水頭：96.7m;額定流量：338.71m3/s;額定轉(zhuǎn)速：125r/min;額定功率：306MW。

1.2 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

型號(hào)：SF300.6-48/13200;額定容量：334000kVA;額定電壓：18000V;額定電流：10713A;功率因數(shù)：0.90;飛逸轉(zhuǎn)速：230r/min。

2? 剪斷銷的設(shè)計(jì)原理

剪斷銷是導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的保護(hù)裝置，如果導(dǎo)葉間有異物卡住，相關(guān)傳動(dòng)件的操作力將急劇增大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)剪斷銷設(shè)計(jì)值時(shí)，剪斷銷首先剪斷，保護(hù)其它傳動(dòng)零件不受損壞。

公伯峽電站導(dǎo)葉保護(hù)裝置為剪斷銷+摩擦裝置聯(lián)合結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)原理為導(dǎo)葉磨擦襯傳遞力矩+剪斷銷傳遞力矩≥1.5*接力器最大油壓操作力矩。異常情況（如導(dǎo)葉間夾有異物）單個(gè)導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受力矩超過(guò)接力器最大油壓操作力矩的1.5倍時(shí)，剪斷銷剪斷，此時(shí)導(dǎo)葉在磨擦襯的阻力矩的約束下，在水中不會(huì)隨意擺動(dòng)，且因在頂蓋上焊有限位塊，確保剪斷銷剪斷時(shí)導(dǎo)葉在全關(guān)與全開位置擺動(dòng)，不會(huì)反轉(zhuǎn)并與相鄰導(dǎo)葉發(fā)生碰撞，造成連鎖破壞，保證機(jī)組整個(gè)導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安全。

公伯峽機(jī)組單個(gè)導(dǎo)葉所承受的最大操作力矩（6.3MPa工作油壓）為197km·m，摩擦裝置緊固螺栓伸長(zhǎng)值0.54mm，對(duì)應(yīng)預(yù)緊力矩6500N·m，能夠傳遞的摩擦力矩118.2kN·m，剪斷銷剪斷力382.882kN時(shí)，剪斷銷傳動(dòng)力矩172.4kN·m，剪斷銷剪斷力414.69kN時(shí)，剪斷銷傳動(dòng)力矩186.6kN·m，其保護(hù)裝置安全系數(shù)為1.48-1.55。復(fù)核計(jì)算結(jié)果可以看出，公伯峽電站機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)是合理的。

3? 剪斷銷頻繁剪斷原因分析

從剪斷銷剪斷發(fā)生頻次看，剪斷事故主要發(fā)生在近兩年，可以初步判斷剪斷銷頻繁剪斷的原因和設(shè)備的設(shè)計(jì)制造關(guān)系不大。分析原因如下：①剪斷銷采購(gòu)質(zhì)量問(wèn)題;②剪斷銷過(guò)載，磨擦裝置未受力;③剪斷銷承受彎矩;④連桿不水平;⑤檢查連桿銷和偏心銷軸瓦等配合運(yùn)動(dòng)部件磨損嚴(yán)重;⑥控制環(huán)壓板有間隙;⑦兩個(gè)接力器高程水平;⑧檢查接力器與控制環(huán)連接板水平;⑨控制環(huán)導(dǎo)向側(cè)瓦磨損嚴(yán)重;⑩兩個(gè)接力器開關(guān)機(jī)是否同步;{11}導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)螺栓緊固情況;{12}剪斷銷損傷。

4? 剪斷銷的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

對(duì)4#機(jī)組剪斷銷頻繁剪斷的現(xiàn)象，計(jì)劃從兩方面入手進(jìn)行改進(jìn)：

①改進(jìn)剪斷缺口，將原始設(shè)計(jì)的“V”型剪斷缺口（見圖1），改為“U”型剪斷缺口（見圖2），且將缺口圓角表面粗糙度由原始設(shè)計(jì)的1.6提高至0.8（見圖3），增強(qiáng)其抗疲勞的能力。

②增大剪斷銷的剪切力，將剪切力由382.882-414.69kN，增大為414.69-456.16kN，對(duì)應(yīng)的剪斷銷的剪切力矩為186.6-205.27kN·m，剪切力矩是接力器操作力矩的0.95-1.04倍，相比原始設(shè)計(jì)剪斷銷剪切力矩不到接力器操作力矩的一倍，更為合理。

③在剪斷銷頭部增加了M36的拔起螺孔，拆卸更方便。

5? 公伯峽電站4號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修中針對(duì)剪斷銷頻繁剪斷檢修措施

結(jié)合4號(hào)機(jī)組狀況，多次組織專家就剪斷銷頻繁剪斷原因分析，并開展A級(jí)檢修準(zhǔn)備會(huì)，明確了檢修工期、項(xiàng)目、目標(biāo)、方案等，針對(duì)剪斷銷剪斷計(jì)劃?rùn)z查處理方案如下：

①剪斷銷采購(gòu)質(zhì)量問(wèn)題。剪斷銷從設(shè)計(jì)原理上是破斷保護(hù)件，其破斷缺口圓角和粗糙度與疲勞壽命有關(guān)。對(duì)采購(gòu)的剪斷銷備品和殘件送天津進(jìn)行測(cè)試。

②剪斷銷過(guò)載。若摩擦裝置緊固螺栓松動(dòng)，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)緊力值，導(dǎo)致了所有操作力矩全部或大部分由剪斷銷承受，剪斷銷承受開、關(guān)方向的交變沖擊力，長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致疲勞破壞。與水輪機(jī)生產(chǎn)廠家溝通，對(duì)剪斷銷摩擦裝置緊固螺栓重新設(shè)計(jì)，計(jì)劃從目前的扭矩扳手預(yù)緊螺栓更換為拉伸扳手預(yù)緊螺栓，確保預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

③導(dǎo)葉變形造成過(guò)載。在機(jī)組檢修時(shí)先對(duì)所有的導(dǎo)葉進(jìn)行全行程力矩測(cè)試，檢查導(dǎo)葉軸線是否有彎曲變形，檢查與套筒配合是否有卡澀。

④剪斷銷承受彎矩。剪斷銷的剪切直徑是按照承受純剪切力設(shè)計(jì)計(jì)算的，但由于制造、安裝或運(yùn)行磨損等原因，從連桿傳遞過(guò)來(lái)的操作力不再與連接板水平，導(dǎo)致在剪斷銷上產(chǎn)生附加彎矩，對(duì)此進(jìn)行排查和修正。

⑤連桿不水平?？梢酝ㄟ^(guò)配車連桿銷的墊片使連桿達(dá)到水平。

⑥檢查連桿銷和偏心銷軸瓦磨損情況。若磨損嚴(yán)重應(yīng)及時(shí)更換以保證連桿運(yùn)行平穩(wěn)。

⑦檢查控制環(huán)壓板間隙。間隙應(yīng)控制在0.5mm左右。

⑧檢查兩個(gè)接力器高程是否水平?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整接力器背部把合螺栓達(dá)到水平。

⑨檢查接力器與控制環(huán)連接板水平。由相關(guān)技術(shù)公司用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，精度可控制在0.1mm，對(duì)存在的缺陷可以通過(guò)控制環(huán)連接板下面的兩側(cè)墊片達(dá)到水平。

⑩檢查控制環(huán)導(dǎo)向側(cè)瓦磨損情況。若磨損嚴(yán)重應(yīng)及時(shí)更換，避免控制環(huán)跳動(dòng)。

{11}檢查兩個(gè)接力器關(guān)閉是否同步?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整活塞桿與推拉桿接頭的旋合長(zhǎng)度，保證兩個(gè)接力器活塞與缸蓋應(yīng)同時(shí)接觸，使控制環(huán)受力均衡平穩(wěn)。

{12}檢查導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)螺栓緊固情況。導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所有螺栓應(yīng)按圖紙或標(biāo)準(zhǔn)要求可靠緊固，并有防松措施。

{13}對(duì)已安裝投運(yùn)的剪斷銷，在每次檢修時(shí)，對(duì)剪斷銷剪切位置進(jìn)行PT探傷，出現(xiàn)問(wèn)題的剪斷銷需及時(shí)更換。

{14}在A檢修過(guò)程中對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)裝，測(cè)量頂蓋、底環(huán)、座環(huán)同心度、水平度。

{15}對(duì)分解的導(dǎo)葉軸進(jìn)行全部用靠尺透光檢查，若有變形的導(dǎo)葉送至重型機(jī)械廠在機(jī)床上進(jìn)行測(cè)量變形尺寸。

{16}由于4號(hào)機(jī)組中導(dǎo)葉上、中、下軸套經(jīng)過(guò)15年的磨損，在檢修過(guò)程中需全部更換。

6? 結(jié)束語(yǔ)

提高水輪機(jī)的各部件穩(wěn)定性貫穿于水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，為了保證水輪機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量，必須使水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各部件設(shè)計(jì)、加工、檢修更加符合水電站安全運(yùn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，從而提高水電站的安全生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)水電站經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙收。在公伯峽4號(hào)機(jī)組沒(méi)有規(guī)律性剪斷銷剪斷事件中剖析其原因，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)中不能確定造成剪斷銷剪斷事件可提供一定的參考依據(jù)。

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