灯泡贯流式机组几种典型故障案例分析

李明

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

灯泡贯流式机组几种典型故障案例分析

李明

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

摘要：灯泡贯流式机组适用水头范围广，效率高，较其他类型贯流式机组有突出的优点，因而在国内外得到广泛应用。设备运行和检修经验的不断积累，可以使设备设计和制造的工艺水平逐步提高，不断改进设备性能，增强其可靠性和稳定性。本文列举了灯泡贯流式机组检修中所遇到的几种典型故障，并介绍了其分析处理和改进的方法，其中也包含了一些新型的检修工艺和故障诊断方法，新材料的应用等，可以有效地提高检修效率和检修质量，以期对我国的水电事业发展提供实用性的借鉴和参考。

关键词：灯泡贯流式；故障；诊断

1　引言

贯流式水轮发电机组是当前一种常见反击式水轮发电机组，广泛应用于低水头大流量的水电站。机组属于卧轴结构，引水部件、转轮、排水部件都在一条轴线上，水流一贯平直通过转轮叶片的卧轴、轴流式水轮机。

灯泡贯流式机组的发电机组安装在密封的、外形酷似灯泡的壳体中，水轮机安装在灯泡的插口处，因此称这种机组为灯泡贯流式机组。这种机组发电机主轴与水轮机转轮水平连接。水流基本上轴向通过流道，轴对称流过转轮叶片，然后流出直锥形尾水管。机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内。由于灯泡贯流式机组适用水头范围广，效率高，较其他类型贯流式机组有突出的优点，因而在国内外得到广泛应用。

五凌电力有限公司经营的凌津滩、马迹塘、洪江、近尾洲等多家水电站，均采用灯泡贯流式水轮发电机组，在长期的运行和检修过程中，出现一系列故障，其分析过程和处理方法，可为同类型电站进行故障诊断和处理提供参考。

2　灯泡贯流式机组几种典型故障案例分析

2.1转轮室汽蚀及裂纹

2.1.1故障现象

在五凌电力所属的多家灯泡贯流式水电站，如凌津滩电站、东坪电站，均发现转轮室焊缝裂纹，以及转轮室内表面严重汽蚀的现象。东坪电站转轮室汽蚀最大深度达到18mm，超过了其壁厚（35mm）的50%；凌津滩电站转轮室多次出现贯穿性裂纹。这些情况已经对厂房安全构成了严重威胁。

2.1.2故障原因分析

经分析，转轮室产生汽蚀和裂纹可能是由于下列原因：

（1）转轮室材质存在缺陷，不能满足机组运行需要。

（2）机组长时间在不利工况下运行，设备振动过大，导致焊缝部位疲劳断裂。

（3）转轮室结构存在设计缺陷，导致局部应力集中产生裂纹。

（4）机组设计和模型试验不准确，机组运行中水流流态不稳，导致振动和空蚀严重。

2.1.3处理方法

（1）在转轮室汽蚀和裂纹相对不太严重的情况下，可以选择局部修补的方法进行临时性处理。具体的方法有两种可供选择。

方法一：

采用焊接和打磨的方式进行修补。修补前需要先使用汽刨或者合金磨头清除缺陷部位，并打磨出合适的焊接坡口。在施焊前往往要对本体进行加热和保温处理，以有效消除焊接变形和焊接应力。施焊以后，还需要表面进行打磨，恢复原来的表面形状。

这种方法修复工作量大，工期长，施工困难，并且有可能造成转轮室变形而使转轮叶片与转轮室之间间隙发生变化，严重时还可能导致机组无法运行。

方法二：

对于转轮室汽蚀处理，我们在部分电站应用了一种新型处理工艺，即选用高分子修复材料（如Belzona）进行修补。详细的处理步骤如下：

1）气蚀区域表面修补前处理：采用喷砂除锈法对转轮室进行除锈、除垢，使表面粗糙度不小于75μm；采用低压压缩空气将气蚀孔洞的灰尘、杂物吹扫干净；使用丙酮对表面清洗干净。

2）气蚀区域修补处理：采用Belzona1311陶瓷R金属对气蚀孔洞进行填充、修补，然后使用贝尔佐纳专用工具对表面进行刮平处理，保持表面填充厚度均匀，平整；待Belzona1311陶瓷R金属初步固化后，使用抛光机装夹R40粗砂纸对贝尔佐纳材料进行磨平；使用丙酮将表面清洗干净；采用Belzona1321陶瓷S金属对整个转轮室表面进行刷涂（厚度约0.4mm左右）。

3）气蚀区域修补处理后检查：检查整个刷涂连贯性与完整性；细磨：用细砂纸对整个表面去毛刺。

以上两种临时性处理方法，其优点是成本相对较低，工作量相对较小，但其不能从根本上防止气蚀或裂纹再次发生。往往在检修后不到一年的时间内，缺陷会再次出现。

（2）解决转轮室汽蚀和裂纹的最终方法，也是最有效的方法，是对转轮室进行换型改造。下面是东坪电站转轮室改造前后的相关参数：

2）改造后转轮室技术参数：改造后的转轮室在现转轮室壁厚的基础上加厚5mm，厚度达40mm，总重量为37.5 t，上、下两瓣转轮室重量各约为18.75 t，转轮室主要材料采用Q235—B高强度结构钢，喉管段和桨叶外圆活动范围内都采用S135不锈钢制造，不锈钢段轴向长度为1 944mm，比现转轮室不锈钢段增加了894mm。

从以上对比可以看出，转轮室从壁厚、材质等方面进行了改进。改进后的转轮室运行稳定，彻底消除了产生汽蚀、裂纹的缺陷。

2.2桨叶动作异常

2.2.1故障现象

灯泡贯流式机组桨叶操作油管和油缸装配在大轴和轮毂内部，并随同大轴一起高速运转，其故障点具有隐蔽性。在设备运行和检修中，多次遇到桨叶动作缓慢或无法动作的现象，伴随这种故障，一般还会同时发生调速器液压油压力迅速下降，调速器压力油泵频繁动作的现象。

2.2.2故障原因分析

由以往对这种缺陷的处理过程，一般从下面几个方面的原因进行分析：

（1）桨叶操作油系统渗漏。这种情况一般是由操作油管路破裂引起的，也可能是由于受油器内部轴瓦间隙过大所致。判定的方法一般可根据调速器压力油消耗速度来确定，如液压油压力迅速下降，可以初步判定属于该缺陷。

（2）桨叶主配压阀拒动。这种情况一般是由于控制主配压阀的油路异常引起，例如比例伺服阀故障，或者引导阀发卡等。也有较小的可能性是由于主配阀本身卡死。

（3）桨叶反馈油管故障。可能是反馈油管与桨叶操作油缸脱离，或者反馈油管断裂。

（4）桨叶操作油管路阻塞，致油路不畅。

2.2.3处理过程和方法

（1）桨叶操作油系统渗漏检查处理。这是一项常见的故障，为排除故障点，通常采取拆除解体转轮和受油器的方法，逐步排除来查找故障点，工期较长，并且需耗费大量人力和物力资源。

2011年，中洲科技大源渡电厂0号机组出现这种现象，按照最初制订的检查处理方案，分为以下几个步骤：第一步，更换受油器浮动瓦后，装复开机试验；第二步，在更换受油器浮动瓦后，如该缺陷得不到改善，则将操作油管返厂加工并配制新瓦；同时将操作油管的摆度调整至0.10mm以内；第三步，在进行以上处理后仍不能消除缺陷时，则解体转轮，更换桨叶接力器密封。这种方案所花费工期超过50 d。

检修人员在对设备和现场情况进行分析后，采取了一种桨叶接力器、操作油管在线油压试验的方法，来查找故障点，仅用20 d时间就排除了故障。具体操作方法如下：

在不解体转轮、不拆卸操作油管、不增加试压油泵的情况下，利用调速器液压系统作为试压油源。将压力油从受油器中管注入桨叶接力器开启腔，再通过观察、测量受油器外管和内管的漏油量，来判断桨叶接力器和操作油管是否窜油和渗油，从而准确找出缺陷部位。

此次试验中，发现受油器外管的出油量为正常漏油量的30余倍，可知桨叶接力器或操作油管存在窜油现象。随后，对转轮、操作油管进行了解体检查，发现操作油管严重开裂。在更换了操作油管后，设备运行正常。

（2）桨叶主配压阀拒动的分析处理。桨叶主配压阀拒动，一般可以从主配压阀的位置反馈信号来判断。这种情况可以用排除法来确定故障部位。具体方法如下：

1）首先检查主配压阀的开、关时间调节装置位置是否正确，确保主配压阀阀芯没有被限死。

2）在具备条件的情况下，可更换控制主配压阀的比例伺服阀（根据设备不同，也可能是伺服电机、数字阀或者其他装置），并检查控制油路是否畅通。以判定是否由于比例伺服阀故障引起。

3）在确认比例伺服阀无故障后，再检查是否由主配压阀阀芯卡阻引起。解体主配压阀，检查主配压阀阀芯在阀体内是否可以灵活滑动。

（3）桨叶反馈油管故障的判定方法比较简单。通过现场观察，如果桨叶已经动作，但其反馈油管并未动作，即可发现该缺陷。

我们在检修中发现的这类缺陷发生一般是由于螺纹连接的反馈油管连接部位分离，或者是反馈油管与反馈板脱离。在株洲航电枢纽机组检修中，针对油管螺纹连接部位脱离的问题，采取了在连接螺套和油管上钻孔并增加径向锁定螺杆的方式，来加以预防。对于反馈油管与反馈板脱离的问题，通常采用将各连接螺栓进行点焊加固的方式进行预防。

（4）操作油管路内部阻塞缺陷诊断处理。这种缺陷的一般特点如下：主配压阀动作正常，桨叶无法动作，调速器液压系统压力下降速度没有明显增加。发生这种情况，需要对操作油管路进行解体检查，以确定阻塞部位。

2.3定子线棒绝缘损坏

2.3.1故障现象

案例：某电站安装4台30MW灯泡贯流式水轮发电机组，ELIN公司制造，其中3号发电机组在2011年3月份发生一次定子接地故障，后检查发现为A相一根线棒绝缘损坏，当时采取用铜排短接甩开此故障线棒及其相邻的一根线棒（共两根）的方式进行了处理，发电机投运正常，但在随后4月份，发电机在运行时与上次故障线棒相邻的C相232线棒又发生接地故障，被迫退出运行。

2.3.2故障原因分析

（1）检查发现231与232线棒间铁芯松动，分析是由于定子铁芯硅钢片齿压板压紧属刚性压紧，存在设计缺陷，机组运行时在振动和热胀冷缩下压板发生变形，而变形后压紧力没有补偿，振动的幅度就越大，造成压板和硅钢片的间隙进一步变大。定子铁芯松动后（定子铁芯松动主要发生在铁芯槽口部位），铁芯硅钢片相互间振动摩擦，导致硅钢片表面绝缘损坏，在电场作用下形成电晕腐蚀进一步破坏绝缘层，局部形成涡流，涡流导致该处严重发热至局部烧毁，振动摩擦更加增大，对线棒的接触处形成刮擦，导致线棒表面绝缘受到破坏，致使机组线棒发生贯通性击穿接地故障造成停机。

（2）发电机内部加热器正好位于231、232线棒正上方且距离较近，停机期间投入加热器时对231与232线棒形成高温直接烘烤，导致绝缘老化。

（3）3号机组历史上发生过机组故障却无法跳开出口开关，导致转子磁极烧损，给发电机定子造成了一定的冲击，可能导致铁芯压块松动。

（4）由于灯泡贯流式机组发电机被水包裹，水温与气温存在较大温差，造成发电机内容易结露受潮。

综合多种因素最终导致231上层线棒与232下层线棒绝缘层破坏。

2.3.3处理过程和方法

（1）铁芯松动部位处理。先将发电机定子铁芯表面黑色油泥及杂质清理干净。然后根据松动情况，用环氧酚醛板配制楔片，并将楔片嵌入松动部位，用稀释的环氧漆浇灌并固化。

（2）更换损坏的线棒。新线棒下线前进行耐压20 kV，无放电和局部过热现象。新线棒下线后，打完槽楔，焊好并头装好接线后，进行绝缘电阻、直流电阻和直流耐压试验合格，进行短路和空载特性试验合格后，投入正常运行。

2.4主轴密封漏水严重

2.4.1故障现象

（1）设备基本情况

凌津滩电厂水轮机主轴工作密封为径向密封，工作密封设两道抗磨树脂密封，每道密封分为8块，密封件上开有V型槽，用弹簧抱在主轴上，抗磨树脂密封块在弹簧力的作用下，起到自补偿作用，从而保证了机组密封的有效性。

（2）发生的故障情况

机组运行一段时间后，主轴密封漏水量明显增大，检查发现密封块磨损严重，对密封块进行更换，但更换后其仍然会快速磨损，致漏水量再度增大。

2.4.2故障原因分析

经过对主轴密封解体检查，发现水轮机主轴密封衬套磨损较为严重，导致与其直接接触的密封块也迅速磨损。据统计分析，平均每运行4 000 h，主轴密封衬套磨损约1mm。

2.4.3处理过程与方法

由于衬套的更换比较困难，采取了对衬套修补的方法，以减缓对密封块的磨损。

传统的处理工艺是采取焊接修补的方法，使用手工氩弧焊进行补焊，焊缝高于母材基面1mm左右后进行修磨、抛光，直至达到设计要求。此方法时间长，工艺复杂，费时费工，主轴及衬套变形不易控制，且焊接时容易形成环形短路轴电流，烧坏轴承。

在凌津滩电厂主轴密封衬套修补过程中，我们使用了BELZONA 1111(超级金属)这种新型材料，将高分子重反应聚合物与硅钢合金混合并以此基础，构成由两种原料组成的粘接修补系统。极大地提高了工作效率，也起到了较好的效果。

将贝尔佐纳超级金属的硬度与主轴密封衬套的硬度进行对比，发现这种材料可以满足设备运行需要，并具有较好的抗磨性能和抗冲击性。

其具体的修补过程如下：

（1）首先将待修补的基体表面进行粗糙化处理：将磨损处沿径向打磨出深4mm、宽80mm的沟槽，然后在沟槽的表面进行粗糙化处理，即用錾子或尖冲打出细密印痕，以便增大修复材料与基体的接触面积，增强粘合力。

（2）用贝尔佐纳清洗剂9111对处理后的表面进行清洁。

（3）将超级金属修复材料双组份按一定比例混合并调匀，敷涂在待修复的表面上。

（4）待固化达到一定强度后再用砂布将表面打磨光滑并达到规定尺寸。

2.4.4修复后的主轴密封投入运行后的效果

主轴密封修复后，机组正常运行2年时间，未发现主轴密封漏水量有明显增加，修复表面磨损情况较原来有了大幅度改善。

2.5机组轴承润滑油流量不足致开机困难

2.5.1故障现象

案例：某电站灯泡贯流式机组单机容量10MW。机组发导轴瓦为两半圆组成的筒式结构乌金瓦，在机组运行期间多次出现由于发导轴承润滑油流量不足而无法开机。

2.5.2原因分析

（1）经分析导致发导轴承油流中断的主要原因是由于发导瓦内部设计不合理，导致油流不畅。

（2）由于轴承润滑油是由高位油箱自流供给，在冬季，油箱中润滑油油温过低，油流粘度大，而轴承高位油箱高程较低，导致润滑油流量偏小。

（3）高压顶起油管路阻塞，使大轴顶起高度不够，也对润滑油流量形成一定影响。

2.5.3处理方法

机组检修期间，设备制造厂家对发导瓦瓦面曲线进行重新设计和改进，并在导瓦出油边刮出宽100mm，深2mm的排油槽，将进油口处加工成斜面，并增加了排油孔，从而改进油流状态（见图1）；检修人员对高压油顶起管路进行疏通；在机组开机前0.5 h开启油箱内加热器，使油温升高到20℃左

图1　导轴承加工正面剖视图

右，开机后机组油流正常，故障得到有效处理。

3　结语

灯泡贯流式机组目前已在国内得到广泛应用，设备运行和检修经验的不断积累，可以使设备设计和制造的工艺水平逐步提高，不断改进设备性能，增强其可靠性和稳定性。本文列举了灯泡贯流式机组检修中所遇到的几种典型故障，并介绍了其分析处理和改进的方法，其中也包含了一些新型的检修工艺和故障诊断方法，新材料的应用等，可以有效地提高检修效率和检修质量，以期对我国的水电事业发展提供实用性的借鉴和参考。

参考文献：

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[5]SD 288-88水轮发电组推力轴承导轴承安装调整工艺导则[S].

[6]DL/T 5420-2009水轮发电机定子现场装配工艺导则[S].

中图分类号：TK733+.8

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）08-0045-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.013

收稿日期：2015-05-04

作者简介：李明（1978-），男，工程师，从事水电检修管理工作。