李明

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

燈泡貫流式機組幾種典型故障案例分析

李明

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：燈泡貫流式機組適用水頭范圍廣，效率高，較其他類型貫流式機組有突出的優(yōu)點，因而在國內(nèi)外得到廣泛應用。設備運行和檢修經(jīng)驗的不斷積累，可以使設備設計和制造的工藝水平逐步提高，不斷改進設備性能，增強其可靠性和穩(wěn)定性。本文列舉了燈泡貫流式機組檢修中所遇到的幾種典型故障，并介紹了其分析處理和改進的方法，其中也包含了一些新型的檢修工藝和故障診斷方法，新材料的應用等，可以有效地提高檢修效率和檢修質(zhì)量，以期對我國的水電事業(yè)發(fā)展提供實用性的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：燈泡貫流式；故障；診斷

1　引言

貫流式水輪發(fā)電機組是當前一種常見反擊式水輪發(fā)電機組，廣泛應用于低水頭大流量的水電站。機組屬于臥軸結(jié)構(gòu)，引水部件、轉(zhuǎn)輪、排水部件都在一條軸線上，水流一貫平直通過轉(zhuǎn)輪葉片的臥軸、軸流式水輪機。

燈泡貫流式機組的發(fā)電機組安裝在密封的、外形酷似燈泡的殼體中，水輪機安裝在燈泡的插口處，因此稱這種機組為燈泡貫流式機組。這種機組發(fā)電機主軸與水輪機轉(zhuǎn)輪水平連接。水流基本上軸向通過流道，軸對稱流過轉(zhuǎn)輪葉片，然后流出直錐形尾水管。機組的軸系支承結(jié)構(gòu)、導軸承、推力軸承都布置在燈泡體內(nèi)。由于燈泡貫流式機組適用水頭范圍廣，效率高，較其他類型貫流式機組有突出的優(yōu)點，因而在國內(nèi)外得到廣泛應用。

五凌電力有限公司經(jīng)營的凌津灘、馬跡塘、洪江、近尾洲等多家水電站，均采用燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，在長期的運行和檢修過程中，出現(xiàn)一系列故障，其分析過程和處理方法，可為同類型電站進行故障診斷和處理提供參考。

2　燈泡貫流式機組幾種典型故障案例分析

2.1轉(zhuǎn)輪室汽蝕及裂紋

2.1.1故障現(xiàn)象

在五凌電力所屬的多家燈泡貫流式水電站，如凌津灘電站、東坪電站，均發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室焊縫裂紋，以及轉(zhuǎn)輪室內(nèi)表面嚴重汽蝕的現(xiàn)象。東坪電站轉(zhuǎn)輪室汽蝕最大深度達到18mm，超過了其壁厚（35mm）的50%；凌津灘電站轉(zhuǎn)輪室多次出現(xiàn)貫穿性裂紋。這些情況已經(jīng)對廠房安全構(gòu)成了嚴重威脅。

2.1.2故障原因分析

經(jīng)分析，轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生汽蝕和裂紋可能是由于下列原因：

（1）轉(zhuǎn)輪室材質(zhì)存在缺陷，不能滿足機組運行需要。

（2）機組長時間在不利工況下運行，設備振動過大，導致焊縫部位疲勞斷裂。

（3）轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)存在設計缺陷，導致局部應力集中產(chǎn)生裂紋。

（4）機組設計和模型試驗不準確，機組運行中水流流態(tài)不穩(wěn)，導致振動和空蝕嚴重。

2.1.3處理方法

（1）在轉(zhuǎn)輪室汽蝕和裂紋相對不太嚴重的情況下，可以選擇局部修補的方法進行臨時性處理。具體的方法有兩種可供選擇。

方法一：

采用焊接和打磨的方式進行修補。修補前需要先使用汽刨或者合金磨頭清除缺陷部位，并打磨出合適的焊接坡口。在施焊前往往要對本體進行加熱和保溫處理，以有效消除焊接變形和焊接應力。施焊以后，還需要表面進行打磨，恢復原來的表面形狀。

這種方法修復工作量大，工期長，施工困難，并且有可能造成轉(zhuǎn)輪室變形而使轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室之間間隙發(fā)生變化，嚴重時還可能導致機組無法運行。

方法二：

對于轉(zhuǎn)輪室汽蝕處理，我們在部分電站應用了一種新型處理工藝，即選用高分子修復材料（如Belzona）進行修補。詳細的處理步驟如下：

1）氣蝕區(qū)域表面修補前處理：采用噴砂除銹法對轉(zhuǎn)輪室進行除銹、除垢，使表面粗糙度不小于75μm；采用低壓壓縮空氣將氣蝕孔洞的灰塵、雜物吹掃干凈；使用丙酮對表面清洗干凈。

2）氣蝕區(qū)域修補處理：采用Belzona1311陶瓷R金屬對氣蝕孔洞進行填充、修補，然后使用貝爾佐納專用工具對表面進行刮平處理，保持表面填充厚度均勻，平整；待Belzona1311陶瓷R金屬初步固化后，使用拋光機裝夾R40粗砂紙對貝爾佐納材料進行磨平；使用丙酮將表面清洗干凈；采用Belzona1321陶瓷S金屬對整個轉(zhuǎn)輪室表面進行刷涂（厚度約0.4mm左右）。

3）氣蝕區(qū)域修補處理后檢查：檢查整個刷涂連貫性與完整性；細磨：用細砂紙對整個表面去毛刺。

以上兩種臨時性處理方法，其優(yōu)點是成本相對較低，工作量相對較小，但其不能從根本上防止氣蝕或裂紋再次發(fā)生。往往在檢修后不到一年的時間內(nèi)，缺陷會再次出現(xiàn)。

（2）解決轉(zhuǎn)輪室汽蝕和裂紋的最終方法，也是最有效的方法，是對轉(zhuǎn)輪室進行換型改造。下面是東坪電站轉(zhuǎn)輪室改造前后的相關(guān)參數(shù)：

2）改造后轉(zhuǎn)輪室技術(shù)參數(shù)：改造后的轉(zhuǎn)輪室在現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室壁厚的基礎上加厚5mm，厚度達40mm，總重量為37.5 t，上、下兩瓣轉(zhuǎn)輪室重量各約為18.75 t，轉(zhuǎn)輪室主要材料采用Q235—B高強度結(jié)構(gòu)鋼，喉管段和槳葉外圓活動范圍內(nèi)都采用S135不銹鋼制造，不銹鋼段軸向長度為1 944mm，比現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室不銹鋼段增加了894mm。

從以上對比可以看出，轉(zhuǎn)輪室從壁厚、材質(zhì)等方面進行了改進。改進后的轉(zhuǎn)輪室運行穩(wěn)定，徹底消除了產(chǎn)生汽蝕、裂紋的缺陷。

2.2槳葉動作異常

2.2.1故障現(xiàn)象

燈泡貫流式機組槳葉操作油管和油缸裝配在大軸和輪轂內(nèi)部，并隨同大軸一起高速運轉(zhuǎn)，其故障點具有隱蔽性。在設備運行和檢修中，多次遇到槳葉動作緩慢或無法動作的現(xiàn)象，伴隨這種故障，一般還會同時發(fā)生調(diào)速器液壓油壓力迅速下降，調(diào)速器壓力油泵頻繁動作的現(xiàn)象。

2.2.2故障原因分析

由以往對這種缺陷的處理過程，一般從下面幾個方面的原因進行分析：

（1）槳葉操作油系統(tǒng)滲漏。這種情況一般是由操作油管路破裂引起的，也可能是由于受油器內(nèi)部軸瓦間隙過大所致。判定的方法一般可根據(jù)調(diào)速器壓力油消耗速度來確定，如液壓油壓力迅速下降，可以初步判定屬于該缺陷。

（2）槳葉主配壓閥拒動。這種情況一般是由于控制主配壓閥的油路異常引起，例如比例伺服閥故障，或者引導閥發(fā)卡等。也有較小的可能性是由于主配閥本身卡死。

（3）槳葉反饋油管故障?？赡苁欠答佊凸芘c槳葉操作油缸脫離，或者反饋油管斷裂。

（4）槳葉操作油管路阻塞，致油路不暢。

2.2.3處理過程和方法

（1）槳葉操作油系統(tǒng)滲漏檢查處理。這是一項常見的故障，為排除故障點，通常采取拆除解體轉(zhuǎn)輪和受油器的方法，逐步排除來查找故障點，工期較長，并且需耗費大量人力和物力資源。

2011年，中洲科技大源渡電廠0號機組出現(xiàn)這種現(xiàn)象，按照最初制訂的檢查處理方案，分為以下幾個步驟：第一步，更換受油器浮動瓦后，裝復開機試驗；第二步，在更換受油器浮動瓦后，如該缺陷得不到改善，則將操作油管返廠加工并配制新瓦；同時將操作油管的擺度調(diào)整至0.10mm以內(nèi)；第三步，在進行以上處理后仍不能消除缺陷時，則解體轉(zhuǎn)輪，更換槳葉接力器密封。這種方案所花費工期超過50 d。

檢修人員在對設備和現(xiàn)場情況進行分析后，采取了一種槳葉接力器、操作油管在線油壓試驗的方法，來查找故障點，僅用20 d時間就排除了故障。具體操作方法如下：

在不解體轉(zhuǎn)輪、不拆卸操作油管、不增加試壓油泵的情況下，利用調(diào)速器液壓系統(tǒng)作為試壓油源。將壓力油從受油器中管注入槳葉接力器開啟腔，再通過觀察、測量受油器外管和內(nèi)管的漏油量，來判斷槳葉接力器和操作油管是否竄油和滲油，從而準確找出缺陷部位。

此次試驗中，發(fā)現(xiàn)受油器外管的出油量為正常漏油量的30余倍，可知槳葉接力器或操作油管存在竄油現(xiàn)象。隨后，對轉(zhuǎn)輪、操作油管進行了解體檢查，發(fā)現(xiàn)操作油管嚴重開裂。在更換了操作油管后，設備運行正常。

（2）槳葉主配壓閥拒動的分析處理。槳葉主配壓閥拒動，一般可以從主配壓閥的位置反饋信號來判斷。這種情況可以用排除法來確定故障部位。具體方法如下：

1）首先檢查主配壓閥的開、關(guān)時間調(diào)節(jié)裝置位置是否正確，確保主配壓閥閥芯沒有被限死。

2）在具備條件的情況下，可更換控制主配壓閥的比例伺服閥（根據(jù)設備不同，也可能是伺服電機、數(shù)字閥或者其他裝置），并檢查控制油路是否暢通。以判定是否由于比例伺服閥故障引起。

3）在確認比例伺服閥無故障后，再檢查是否由主配壓閥閥芯卡阻引起。解體主配壓閥，檢查主配壓閥閥芯在閥體內(nèi)是否可以靈活滑動。

（3）槳葉反饋油管故障的判定方法比較簡單。通過現(xiàn)場觀察，如果槳葉已經(jīng)動作，但其反饋油管并未動作，即可發(fā)現(xiàn)該缺陷。

我們在檢修中發(fā)現(xiàn)的這類缺陷發(fā)生一般是由于螺紋連接的反饋油管連接部位分離，或者是反饋油管與反饋板脫離。在株洲航電樞紐機組檢修中，針對油管螺紋連接部位脫離的問題，采取了在連接螺套和油管上鉆孔并增加徑向鎖定螺桿的方式，來加以預防。對于反饋油管與反饋板脫離的問題，通常采用將各連接螺栓進行點焊加固的方式進行預防。

（4）操作油管路內(nèi)部阻塞缺陷診斷處理。這種缺陷的一般特點如下：主配壓閥動作正常，槳葉無法動作，調(diào)速器液壓系統(tǒng)壓力下降速度沒有明顯增加。發(fā)生這種情況，需要對操作油管路進行解體檢查，以確定阻塞部位。

2.3定子線棒絕緣損壞

2.3.1故障現(xiàn)象

案例：某電站安裝4臺30MW燈泡貫流式水輪發(fā)電機組，ELIN公司制造，其中3號發(fā)電機組在2011年3月份發(fā)生一次定子接地故障，后檢查發(fā)現(xiàn)為A相一根線棒絕緣損壞，當時采取用銅排短接甩開此故障線棒及其相鄰的一根線棒（共兩根）的方式進行了處理，發(fā)電機投運正常，但在隨后4月份，發(fā)電機在運行時與上次故障線棒相鄰的C相232線棒又發(fā)生接地故障，被迫退出運行。

2.3.2故障原因分析

（1）檢查發(fā)現(xiàn)231與232線棒間鐵芯松動，分析是由于定子鐵芯硅鋼片齒壓板壓緊屬剛性壓緊，存在設計缺陷，機組運行時在振動和熱脹冷縮下壓板發(fā)生變形，而變形后壓緊力沒有補償，振動的幅度就越大，造成壓板和硅鋼片的間隙進一步變大。定子鐵芯松動后（定子鐵芯松動主要發(fā)生在鐵芯槽口部位），鐵芯硅鋼片相互間振動摩擦，導致硅鋼片表面絕緣損壞，在電場作用下形成電暈腐蝕進一步破壞絕緣層，局部形成渦流，渦流導致該處嚴重發(fā)熱至局部燒毀，振動摩擦更加增大，對線棒的接觸處形成刮擦，導致線棒表面絕緣受到破壞，致使機組線棒發(fā)生貫通性擊穿接地故障造成停機。

（2）發(fā)電機內(nèi)部加熱器正好位于231、232線棒正上方且距離較近，停機期間投入加熱器時對231與232線棒形成高溫直接烘烤，導致絕緣老化。

（3）3號機組歷史上發(fā)生過機組故障卻無法跳開出口開關(guān)，導致轉(zhuǎn)子磁極燒損，給發(fā)電機定子造成了一定的沖擊，可能導致鐵芯壓塊松動。

（4）由于燈泡貫流式機組發(fā)電機被水包裹，水溫與氣溫存在較大溫差，造成發(fā)電機內(nèi)容易結(jié)露受潮。

綜合多種因素最終導致231上層線棒與232下層線棒絕緣層破壞。

2.3.3處理過程和方法

（1）鐵芯松動部位處理。先將發(fā)電機定子鐵芯表面黑色油泥及雜質(zhì)清理干凈。然后根據(jù)松動情況，用環(huán)氧酚醛板配制楔片，并將楔片嵌入松動部位，用稀釋的環(huán)氧漆澆灌并固化。

（2）更換損壞的線棒。新線棒下線前進行耐壓20 kV，無放電和局部過熱現(xiàn)象。新線棒下線后，打完槽楔，焊好并頭裝好接線后，進行絕緣電阻、直流電阻和直流耐壓試驗合格，進行短路和空載特性試驗合格后，投入正常運行。

2.4主軸密封漏水嚴重

2.4.1故障現(xiàn)象

（1）設備基本情況

凌津灘電廠水輪機主軸工作密封為徑向密封，工作密封設兩道抗磨樹脂密封，每道密封分為8塊，密封件上開有V型槽，用彈簧抱在主軸上，抗磨樹脂密封塊在彈簧力的作用下，起到自補償作用，從而保證了機組密封的有效性。

（2）發(fā)生的故障情況

機組運行一段時間后，主軸密封漏水量明顯增大，檢查發(fā)現(xiàn)密封塊磨損嚴重，對密封塊進行更換，但更換后其仍然會快速磨損，致漏水量再度增大。

2.4.2故障原因分析

經(jīng)過對主軸密封解體檢查，發(fā)現(xiàn)水輪機主軸密封襯套磨損較為嚴重，導致與其直接接觸的密封塊也迅速磨損。據(jù)統(tǒng)計分析，平均每運行4 000 h，主軸密封襯套磨損約1mm。

2.4.3處理過程與方法

由于襯套的更換比較困難，采取了對襯套修補的方法，以減緩對密封塊的磨損。

傳統(tǒng)的處理工藝是采取焊接修補的方法，使用手工氬弧焊進行補焊，焊縫高于母材基面1mm左右后進行修磨、拋光，直至達到設計要求。此方法時間長，工藝復雜，費時費工，主軸及襯套變形不易控制，且焊接時容易形成環(huán)形短路軸電流，燒壞軸承。

在凌津灘電廠主軸密封襯套修補過程中，我們使用了BELZONA 1111(超級金屬)這種新型材料，將高分子重反應聚合物與硅鋼合金混合并以此基礎，構(gòu)成由兩種原料組成的粘接修補系統(tǒng)。極大地提高了工作效率，也起到了較好的效果。

將貝爾佐納超級金屬的硬度與主軸密封襯套的硬度進行對比，發(fā)現(xiàn)這種材料可以滿足設備運行需要，并具有較好的抗磨性能和抗沖擊性。

其具體的修補過程如下：

（1）首先將待修補的基體表面進行粗糙化處理：將磨損處沿徑向打磨出深4mm、寬80mm的溝槽，然后在溝槽的表面進行粗糙化處理，即用鏨子或尖沖打出細密印痕，以便增大修復材料與基體的接觸面積，增強粘合力。

（2）用貝爾佐納清洗劑9111對處理后的表面進行清潔。

（3）將超級金屬修復材料雙組份按一定比例混合并調(diào)勻，敷涂在待修復的表面上。

（4）待固化達到一定強度后再用砂布將表面打磨光滑并達到規(guī)定尺寸。

2.4.4修復后的主軸密封投入運行后的效果

主軸密封修復后，機組正常運行2年時間，未發(fā)現(xiàn)主軸密封漏水量有明顯增加，修復表面磨損情況較原來有了大幅度改善。

2.5機組軸承潤滑油流量不足致開機困難

2.5.1故障現(xiàn)象

案例：某電站燈泡貫流式機組單機容量10MW。機組發(fā)導軸瓦為兩半圓組成的筒式結(jié)構(gòu)烏金瓦，在機組運行期間多次出現(xiàn)由于發(fā)導軸承潤滑油流量不足而無法開機。

2.5.2原因分析

（1）經(jīng)分析導致發(fā)導軸承油流中斷的主要原因是由于發(fā)導瓦內(nèi)部設計不合理，導致油流不暢。

（2）由于軸承潤滑油是由高位油箱自流供給，在冬季，油箱中潤滑油油溫過低，油流粘度大，而軸承高位油箱高程較低，導致潤滑油流量偏小。

（3）高壓頂起油管路阻塞，使大軸頂起高度不夠，也對潤滑油流量形成一定影響。

2.5.3處理方法

機組檢修期間，設備制造廠家對發(fā)導瓦瓦面曲線進行重新設計和改進，并在導瓦出油邊刮出寬100mm，深2mm的排油槽，將進油口處加工成斜面，并增加了排油孔，從而改進油流狀態(tài)（見圖1）；檢修人員對高壓油頂起管路進行疏通；在機組開機前0.5 h開啟油箱內(nèi)加熱器，使油溫升高到20℃左

圖1　導軸承加工正面剖視圖

右，開機后機組油流正常，故障得到有效處理。

3　結(jié)語

燈泡貫流式機組目前已在國內(nèi)得到廣泛應用，設備運行和檢修經(jīng)驗的不斷積累，可以使設備設計和制造的工藝水平逐步提高，不斷改進設備性能，增強其可靠性和穩(wěn)定性。本文列舉了燈泡貫流式機組檢修中所遇到的幾種典型故障，并介紹了其分析處理和改進的方法，其中也包含了一些新型的檢修工藝和故障診斷方法，新材料的應用等，可以有效地提高檢修效率和檢修質(zhì)量，以期對我國的水電事業(yè)發(fā)展提供實用性的借鑒和參考。

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中圖分類號：TK733+.8

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）08-0045-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.013

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：李明（1978-），男，工程師，從事水電檢修管理工作。