馬劍瀅
(甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州730030)
水電站位于甘南藏族自治州卓尼縣縣城上游約20.1 km處的洮河干流上,距蘭州市約360 km,電站總裝機(jī)容量30 MW,安裝3臺10 MW軸流轉(zhuǎn)漿式發(fā)電機(jī)組。電站由首部樞紐、引水建筑物、發(fā)電廠房和開關(guān)站等組成,主要任務(wù)是水力發(fā)電,水庫正常蓄水位為2 604 m,引水閘頂高程2 606 m,最大壩高11.2 m,電站額定水頭25 m,設(shè)計引水流量138.6 m3/s,電站采用地面廠房布置形式,廠區(qū)主要建筑物由主廠房、副廠房、110 kV開關(guān)站、尾水建筑物等組成。尾水閘段長4.0 m,尾水平臺高程為2 579.57 m。多年平均發(fā)電量為1.357 2億kW·h,年利用小時4 524 h。
3臺機(jī)組相繼于2010年2月、7月和11月投產(chǎn)發(fā)電,1號機(jī)組最晚投產(chǎn)發(fā)電。投產(chǎn)發(fā)電以來,轉(zhuǎn)輪葉片連板、操作架導(dǎo)向鍵頻繁發(fā)生斷裂,操作架焊縫多次開裂等現(xiàn)象,后經(jīng)過持續(xù)優(yōu)化設(shè)計,改造連板、操作架導(dǎo)向鍵、操作架結(jié)構(gòu)等。在2016年檢修期間對1號機(jī)組的零部件進(jìn)行徹底更換,截至2017年11月30日經(jīng)過一個完整的運(yùn)行周期年,再未發(fā)生斷裂現(xiàn)象,目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。本文著重就轉(zhuǎn)輪葉片連板斷裂產(chǎn)生的原因以及處理方法做一詳細(xì)的闡述,供大家學(xué)習(xí)交流。操作架導(dǎo)向鍵以及操作架焊縫開裂問題另有專門文章闡述,在此不再累述。
水輪機(jī)型號:ZZA834-LJ-260
最大水頭 Hmax:30.65 m
額定水頭 Hr:25 m
最小水頭Hmin:23.48 m
額定轉(zhuǎn)速 nr:250 r/min
飛逸轉(zhuǎn)速:560 r/min
額定點效率:93.2%
最高效率≥設(shè)計值:94.35%
額定出力:10.43 MW
最大出力:12.8 MW
額定流量:45.63 m3/s
軸向水推力:最大水頭30.65 m時,水推力為140 t機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向:俯視順時針
電站3臺機(jī)組相繼于2010年陸續(xù)投產(chǎn),1號機(jī)組于2010年11月投產(chǎn)、2號機(jī)組于2011年4月投產(chǎn)、3號機(jī)組于2011年4月投產(chǎn)發(fā)電。2011年7月機(jī)組檢修發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組2個導(dǎo)向鍵斷裂;3個叉頭斷裂,一個連板斷裂;2012年2月,1號機(jī)組甩負(fù)荷后,檢查發(fā)現(xiàn)5個連板全部斷裂;2016年3月2號機(jī)組大修時檢查發(fā)現(xiàn)1個連板斷裂,2個叉頭斷裂;2016年4月,1號機(jī)組運(yùn)行異常,檢查發(fā)現(xiàn)1個連板斷裂、1個叉頭斷裂;2017年8月,2號機(jī)組檢查發(fā)現(xiàn)1個連板斷裂;圖1~4為部分?jǐn)嗔训倪B板、導(dǎo)向鍵,以及操作架焊縫開裂圖。
圖1 斷裂的連板
圖2 斷裂的操作架導(dǎo)向鍵
圖3 操作架焊縫裂紋
圖4 斷裂的叉頭
為解決上述異常斷裂問題,筆者以連板為例,從生產(chǎn)制造、應(yīng)力分析等方面對連板斷裂產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。從而提出解決問題的方法措施。導(dǎo)向鍵以及操作架等部件均作了相應(yīng)改造,分析過程在此不再累述。
觀察連板斷裂面的斷口部位,裂紋從一點開始逐步向外擴(kuò)散,對比斷裂的連板,不難發(fā)現(xiàn),連板斷裂的位置都是從連板的耳環(huán)根部開始,呈現(xiàn)逐漸向外擴(kuò)散趨勢。
檢查所有斷裂的連板,發(fā)現(xiàn)連板斷裂部位均位于耳環(huán)與連板中間拉桿連接部位,并且在過渡區(qū)域無工藝過渡圓弧。
察看廠家提供的零件圖紙,在圖中注明在耳環(huán)與連桿連接部位有R10的過渡圓弧。而實物均未有此過渡圓弧存在,證實連板實物與圖紙不符,缺少過渡圓弧。
按照《水輪機(jī)設(shè)計手冊》中,有關(guān)連板計算的相關(guān)內(nèi)容,對連板受力情況進(jìn)行計算。
接力器活塞直徑D=63 cm
接力器活塞桿d=18 cm
接力器工作油壓p=40 kg/cm2
連板A-A斷面面面積AA=5×5π/4=19.625 cm2
連 板 B-B 斷 面 面 面 積AB=2×(5.4-4)×6=8.4 cm2
連板C-C斷面面面積AC=2×4.0×6.0×(5.4×5.4-4×4)/(5.4×5.4+4×4)=13.99 cm2
連板工作中承受拉力P=Pc/Z
其中:PC-接力器全作用力kg;Z-連板數(shù)Z=5。P=p×(D2-d2)π/4×5=22 902 kg
A-A斷面所受拉應(yīng)力σA=P/AA=1 167.0 kg/cm2
B-B斷面所受拉應(yīng)力σB=P/2AB=1 363.2 kg/cm2
C-C斷面所受拉應(yīng)力σC=P/AC=1 637.03 kg/cm2
連板所用材料為45號鋼
許用應(yīng)力 [σ]=σb/3=1 300 kg/cm2
從計算結(jié)果看不僅σB=1363kg/cm2>1300kg/cm2=[σ]σC=1 637.03 kgcm2>1 300 kg/cm2=[σ]
從計算結(jié)果看出B-B斷面以及C-C斷面的應(yīng)力數(shù)值均超過許用應(yīng)力。
從連板的制造工藝以及應(yīng)力分析得知,造成連板頻繁斷裂的原因主要是兩點,第一是連板設(shè)計時強(qiáng)度不足,設(shè)計應(yīng)力大于材料的許用應(yīng)力,超過規(guī)范要求數(shù)值,連板不能滿足正常使用要求。第二是連板制造時未能按照圖紙加工過渡圓弧,連板的耳環(huán)與連桿之間存在應(yīng)力集中點,在連板使用過程中,受到交變外力作用后,連板產(chǎn)生塑性變形,變形位置發(fā)生在應(yīng)力最薄弱位置,及圖中所示的C-C斷面的位置,這與計算結(jié)果相一致,也與連板實際斷裂情況相對應(yīng)。
在處理連板斷裂問題時,經(jīng)歷了三個階段,逐步形成合理、有效的最終方案。
第一階段,也是1號機(jī)組連板首次發(fā)生斷裂后的處理方案,1號機(jī)組在2012年2月發(fā)生甩負(fù)荷事故以后,生產(chǎn)廠家重新加工一批連板,并在專業(yè)人員的指導(dǎo)下,對連板進(jìn)行更換處理。在此過程中未對連板結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。
第二階段,在2016年3月,2號機(jī)組連板發(fā)生斷裂后,電站技術(shù)人員要求廠家按照設(shè)計圖紙重新加工一套連板,在此次加工過程中,強(qiáng)調(diào)了連板的過渡圓弧,將圖紙中的過渡圓弧由原來的R5變更為R10,并更換了2號機(jī)組的連板。
第三階段,在2016年4月,1號機(jī)組再次發(fā)生連板斷裂問題后,筆者針對連板頻繁發(fā)生斷裂問題,現(xiàn)場仔細(xì)察看連板結(jié)構(gòu),斷裂部位,以及歷次斷裂的連板情況,通過原因分析,找到了連板頻繁斷裂的根本原因,針對應(yīng)力超標(biāo)問題,對連板結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,增加連板中間部位尺寸,增大連板耳環(huán)與連桿間的過渡圓弧。根據(jù)要求,再次新加工一批連板,并且在2016年檢修期,對1號機(jī)組的連板全部更換完畢。設(shè)計圖如圖5。
圖5 新設(shè)計連板圖紙
更換后的連板實物見圖6。2幅圖中左側(cè)為第二階段更換的連板平面、立面,右側(cè)為第三階段新設(shè)計制造、并更換的連板平面、立面。
圖6 改進(jìn)前后的連板實物平面、立面圖
新設(shè)計制造的導(dǎo)向鍵如圖7。
圖7 改進(jìn)前后的導(dǎo)向鍵對比實物平面圖
軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片操作機(jī)構(gòu)中由于連板斷裂,導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行異常,擺度數(shù)值增加、振動數(shù)值加大,機(jī)組負(fù)荷無法調(diào)整的問題,近年來在中小型軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組中已經(jīng)不多見。操作機(jī)構(gòu)各部件產(chǎn)生斷裂的原因與多種因素有關(guān)。如:方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、加工制造、工藝檢查、安裝調(diào)試、運(yùn)行范圍等,每一個環(huán)節(jié)都密切相關(guān),互相影響。操作機(jī)構(gòu)一旦發(fā)生問題,將嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行。在發(fā)生問題后需要準(zhǔn)確分析原因,對癥及早處理。
新設(shè)計制造的連板、導(dǎo)向鍵以及操作架,已經(jīng)于2016年11月15日在1號機(jī)組檢修期間全部更換完畢,調(diào)試合格后,投入使用。截至目前,1號機(jī)組已經(jīng)過兩個完整的發(fā)電周期年,目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,檢查未發(fā)現(xiàn)連板、導(dǎo)向鍵及操作架有裂紋及變形問題,證明新設(shè)計制造的連板、導(dǎo)向鍵及操作架滿足實際使用的要求,改造成功。