湖南五凌哈電能效科技有限公司 王 佩

某電廠位于湖南省沅水干流上，是沅水梯級(jí)開發(fā)的重要水利樞紐工程，具有發(fā)電、防洪、航運(yùn)、灌溉等綜合利用效益。電廠共安裝有6臺(tái)燈泡貫流式三相同步發(fā)電機(jī)，機(jī)組單機(jī)額定出力45MW，總裝機(jī)容量270MW，采用一級(jí)220kV 電壓等級(jí)接入系統(tǒng)。2003年12月一期5臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，2005年7月＃6機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。機(jī)組最小水頭8.4m，額定水頭20m，最大水頭27.3m[1-2]。2017年7月，電廠6號(hào)機(jī)組運(yùn)行過程中槳葉操作油管發(fā)生斷裂。

1 事件過程

事件發(fā)生前，電廠上游水位187.05米，下游水位164.46米，220kV 線路、1-3號(hào)主變正常運(yùn)行，1-6號(hào)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，機(jī)組總負(fù)荷為180MW。其中電廠6號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷30MW 運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組調(diào)速器油泵啟動(dòng)間隔時(shí)間異?？s短，且加載過程中備用泵同時(shí)啟動(dòng)。電廠立刻申請(qǐng)對(duì)6號(hào)機(jī)停機(jī)檢查，其中停機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)，槳葉開度達(dá)到36.5%后就不再動(dòng)作。停機(jī)后嘗試手動(dòng)操作槳葉，開、關(guān)操作槳葉均未動(dòng)作，操作時(shí)，壓力指示顯示槳葉開、關(guān)腔操作油管無壓差，初步判斷為槳葉操作油管斷裂。后續(xù)對(duì)受油器解體檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)組操作油管中管第4節(jié)距下游法蘭395mm 處斷裂。

2 原因分析

結(jié)合操作油管斷裂位置，斷面情況以及相關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)，電廠操作油管斷裂的原因主要有以下幾點(diǎn)：

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

受早期加工能力限制，電廠的操作油管為三段式結(jié)構(gòu)，在距操作油管上、下游法蘭395mm 處各有一道拼接焊縫，為3根不同壁厚的鋼管對(duì)焊，兩端的鋼管再分別與密封法蘭拼焊制成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成了油管對(duì)接焊縫過多，存在較大的安全隱患。且變徑處焊縫為整根油管的結(jié)構(gòu)最薄弱處，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低[3]，本次斷裂位置也正好是焊縫位置。原操作油管的示意圖如圖1所示，圖中圓圈即為焊縫。

圖1 原槳葉操作油管焊接結(jié)構(gòu)圖

2.2 焊接工藝不良

早期電廠對(duì)操作油管接焊縫的檢測(cè)手段主要為UT 檢測(cè)，但實(shí)踐證明，不同壁厚管道的拼接焊縫對(duì)UT 探傷有一定干擾，對(duì)焊縫缺陷難以做出準(zhǔn)確判斷。后續(xù)電廠結(jié)合射線探傷結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，電廠操作油管對(duì)接焊縫的焊接工藝普遍存在缺陷，主要有以下幾點(diǎn)：操作油管對(duì)接焊縫為單面焊、雙面成形，焊縫背面并未完全熔合，焊縫不飽滿，存在未焊透現(xiàn)象；操作油管法蘭面外層焊縫未倒坡口，焊縫單薄，并且存在焊接缺陷。法蘭和油管的端面焊接處，有焊接應(yīng)力，即使做了去應(yīng)力處理，但肯定會(huì)還有殘余應(yīng)力，另外焊接熱影響區(qū)域的金相組織也會(huì)有變化[4]。因此此處的內(nèi)應(yīng)力很難完全消除。

2.3 機(jī)組運(yùn)行工況不良

電廠燈泡貫流式機(jī)組設(shè)計(jì)的最大運(yùn)行水頭Hmax 為27.3m，額定水頭Hr 為20m，最小運(yùn)行水頭Hmin 為8.4m，其中(Hmax-Hmin)/ Hr 達(dá)到94.5%，一般要求水頭變幅(Hmax-Hmin)/ Hr 不超過40%，過大的水頭變幅也造成機(jī)組經(jīng)常運(yùn)行于非最優(yōu)工況，引起電廠機(jī)組效率特性及能量特性等變差，特別是在低水頭下振動(dòng)[5]。事故發(fā)生前的汛期，電廠經(jīng)歷建廠以來第二大洪水，機(jī)組運(yùn)行水頭已低于10m，振動(dòng)及擺度增幅明顯，機(jī)組運(yùn)行狀況較差。

且由機(jī)組振動(dòng)擺度數(shù)據(jù)分析報(bào)告可知，排水環(huán)、水導(dǎo)等部位受水頭影響較大，當(dāng)機(jī)組水頭降低時(shí)，振動(dòng)、擺度等數(shù)值均會(huì)出現(xiàn)較大幅度的上升，在機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和交變應(yīng)力作用下，很大程度上加劇了操作油管的疲勞，焊接缺陷逐步向外擴(kuò)展，最終導(dǎo)致6號(hào)機(jī)組操作油管發(fā)生斷裂。

3 處理措施

3.1 操作油管改造

針對(duì)操作油管存在的問題，電廠組織對(duì)操作油管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。一是將操作油管從三段式結(jié)構(gòu)改為整管結(jié)構(gòu)，減少兩條中間對(duì)接焊縫，僅保留角焊縫，避免了對(duì)接焊縫處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低和容易造成應(yīng)力集中的問題，消除了操作油管發(fā)生斷裂的安全隱患。改造后的操作油管如圖2所示。

圖2 新槳葉操作油管結(jié)構(gòu)示意圖

同時(shí)，為徹底消除焊接工藝問題可能導(dǎo)致的焊縫強(qiáng)度偏低的問題，改造時(shí)將法蘭部位的焊接方式接改為插裝式焊接，兩管插裝部分為過盈配合，插裝部分承擔(dān)了操作油管的主要受力，從而弱化了焊縫的受力功能，進(jìn)一步提升了操作油管的結(jié)構(gòu)剛度。

3.2 操作油管安裝

基于常規(guī)UT 探傷在操作油管焊縫上應(yīng)用時(shí)準(zhǔn)確度有限的問題，電廠新操作油管安裝前統(tǒng)一采用射線探傷，徹底消除焊接工藝問題帶來的安全隱患[6]。安裝時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注操作油管的擺度，通過安裝百分表監(jiān)視，必要時(shí)對(duì)操作油管進(jìn)行調(diào)整或?qū)植扛唿c(diǎn)研磨，確保電廠操作油管擺度符合安裝說明書的要求，即外操作油管擺度≤0.07 mm、中間操作油管擺度≤0.07 mm、內(nèi)操作油管擺度≤0.10 mm。

3.3 運(yùn)行優(yōu)化研究

針對(duì)機(jī)組在低水頭下效率特性及能量特性等變差，振動(dòng)大幅上升的問題，電廠開展了大容量燈泡貫流式機(jī)組低水頭運(yùn)行工況優(yōu)化研究，采用理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式，通過對(duì)比調(diào)速器國產(chǎn)化改造機(jī)組及調(diào)速器國產(chǎn)化未改造機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析調(diào)速器國產(chǎn)化改造機(jī)組低水頭、大負(fù)荷情況下機(jī)組振動(dòng)上升、效率下降原因。并通過對(duì)國產(chǎn)調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線的優(yōu)化，抑制了協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配水力因素的影響，解決了采用其運(yùn)行工況急劇惡化的問題。

3.4 加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視

電廠通過優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，盡量避開機(jī)組振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行，降低操作油管發(fā)生疲勞斷裂的可能性。同時(shí)電廠后續(xù)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，事故發(fā)生前，機(jī)組的受油器、操作油管和水導(dǎo)的振擺均有明顯的上升的趨勢(shì)，因此運(yùn)行過程中密切關(guān)注機(jī)組振擺裝置在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，嚴(yán)格控制機(jī)組各部件振動(dòng)、擺度在允許范圍之內(nèi)，也是預(yù)防操作油管斷裂事故發(fā)生的有效手段。

綜上，槳葉操作油管是連接受油器與槳葉接力器的重要部件，通過它把受油器過來的壓力油輸送給槳葉接力器，用以操作槳葉動(dòng)作。當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，操作油管隨大軸一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)槳葉接力器行程反饋的回復(fù)管隨槳葉接力器做軸向運(yùn)動(dòng)，并在受油器端指示槳葉的轉(zhuǎn)角或行程。機(jī)組運(yùn)行中，槳葉操作油管如果發(fā)生斷裂需要停機(jī)檢修處理，機(jī)組長時(shí)間不能運(yùn)行，將造成大量的發(fā)電量損失。此外，斷裂時(shí)將導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生劇烈振動(dòng)，可能導(dǎo)致其他設(shè)備發(fā)生損壞，斷裂后壓力油泄露，還可能引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染事件。