大源渡水电站3号机组浆叶操作油管螺栓断裂处理与分析

2017-07-31任方

水电站机电技术 2017年6期

关键词：调速器桨叶轮毂

任方

（湖南省水运建设投资集团有限公司大源渡航电枢纽分公司，湖南衡阳421000）

大源渡水电站3号机组浆叶操作油管螺栓断裂处理与分析

任方

（湖南省水运建设投资集团有限公司大源渡航电枢纽分公司，湖南衡阳421000）

简要介绍了大源渡水电站3号机组浆叶操作油管连接法兰螺栓断裂的检查处理情况，根据检查情况全面分析了造成浆叶操作油管连接法兰螺栓断裂的原因及运行维护方面暴露出的问题，并针对存在的问题提出了整改与防范措施。

浆叶操作油管；连接法兰螺栓；断裂；处理与分析；整改与防范

1 概述

大源渡航电枢纽位于湖南省衡山和衡东两县交界处的湘江干流上，距衡山县城12 km，是由湖南省水运建设投资集团有限公司（原湖南湘江航运建设开发有限公司）建设的国家“九五”重点工程，也是湖南省交通系统办电的首个试点工程，工程总投资约21亿元人民币，枢纽主体工程包括大坝、水电站、船闸、弧门泄水闸（23孔）及坝顶公路桥等建筑。电站初期共装有4台单机容量为30 MW的灯泡贯流式机组，机组设备全部从奥地利ELIN公司、奥地利MCE公司、德国SULZER公司引进，1998年12月，首台机组并网发电，1999年10月，1号～4号机组全部投入运行。2008年08月新增一台由广东韶关众力发电设备有限公司生产的容量为10 MW的灯泡贯流式机组（0号），电站总装机容量达到130 MW。

2 事故简介

2.1 电气一次主接线介绍

大源渡水电站装有4台30MW、1台10MW灯泡贯流式机组，5台机组分别经2台双绕组750MVA主变压器（1号B、2号B）以110kV电压等级接入系统，发变组采用扩大单元接线；110kV系统采用单母线分段接线，以3条出线并入衡阳电网，并留有1条备用线路；发电机端10.5 kVⅡ段母线上接有1台隔离变向近区配电室供电，近区负荷包括弧门、船闸及生活区用电等；近区配电室另接有1条系统倒送线路作为保安电源；电站还装有1台275 kW柴油发电机供厂用重要负荷。

2.2 事故前运行方式

上游水位为50.03 m（正常蓄水位为黄海高程50.00 m），下游水位为43.21 m，0号机处于C修状态，1号机处于B修状态，2号机（13.3MW）、3号（13.8MW）、4号机（12.6 MW）并网运行，2号机经1号B由大巾线、湛大线向系统供电，3、4号机经2号B由大炉线向系统供电，110 kV母线分段运行，主变高压侧开关510、520及110 kV出线开关502、504、506均在“合上”位置，110 kV母联开关500在“热备用”位置，厂用运行方式为1CB带厂用I段、2CB带厂用II、III段，近区负荷由3、4号机经近区隔离变3号B供电，弧门总开度为8.5 m。

2.3 事故经过

2015年12月24日04:20，运行人员监盘发现3号机调速器补给油泵一直供油，上位机频繁发号3号机调速器油压过低及调速器1号、2号油泵启动信号，经现地检查发现调速器机械柜内阀组存在较大油流声，调速器控制方式中导浆叶均为比例阀控制，尝试将3号机负荷由13.3 MW调整至15.5 MW时，导叶正常动作，但浆叶基本不动作。05∶42，维护人员现地检查后初步判断浆叶有反馈信号但无法操作可能系浆叶比例阀有问题，需停机后处理。现地将浆叶控制方式切换至“机手动”后，调速器油压稳定，未再频繁发3号机调速器油压过低及调速器1号、2号油泵启动信号。

09∶20运行人员向调度申请停3号机处理浆叶比例阀故障。10∶14，停3号机过程中，发“逆功率保护32T”信号，机组甩负荷停机。另经检查发现轮毂油箱有油溢出至地面。

3 事故处理过程

3.1 阀组故障排查

2015年12月24日12:41，维护人员开具工作票对3号机浆叶比例阀组和数字阀组进行解体，检查后未发现异常情况，回装后操作浆叶时，用压力表监测浆叶开启腔、关闭腔的油压，发现无论浆叶在开启还是关闭时，两腔油压均相同，由此推断3号机浆叶操作油管、受油器或桨叶接力器油缸可能存在串油从而导致浆叶无法操作，必须将3号机进入检修状态并对上述部位进行详细检查。

2015年12月25日，维护人员开具“3号机水轮发电机组检修”第一种工作票，3号机进入抢修状态，计划检修时间为2015年12月25日08:00至2016年1月31日18:00。

3.2 浆叶操作油管串油排查

2016年1月2日，电站组织检修单位对3号机浆叶操作油管串油进行排查，拆出浆叶操作油管后发现：操作油管第一节与第二节之间的连接法兰处8个螺栓中的3个已部分旋出、一个已不见、4个已断裂成8节（其中4节仍在螺孔内，另4节已不见），操作油管第一节与第二节已基本脱开；操作油管支撑密封部位（位于轮毂与大轴连接处）的8道焊缝裂开了3道。由此，可基本确定3号机浆叶无法操作系因操作油管连接法兰螺栓断裂导致桨叶操作油管发生了串油所致。操作油管第一节与第二节连接法兰部位见图1。

3.3 螺栓查找

图1 3号机浆叶操作油管第一节与第二节连接部位

发现浆叶操作油管连接法兰螺栓断裂的情况后，电站立即组织人员对不见的一个螺栓及4节断裂螺栓进行查找，由专业人员用内窥镜对3号机轮毂、大轴及受油器内部进行逐一检查，发现有3个断裂的螺栓头和一个旋出的完整螺栓掉落在大轴与轮毂连接处的空腔内，通过使用磁性抓取器将其全部取出。至此，仅有一个断裂的螺栓头（为内六角螺栓头，与螺栓杆齐根断裂，螺栓头直径约为16 mm，高约10 mm）未找到，为了找到该螺栓头，电站又组织人员对调速器油系统、压力油管路、滤油机、大轴与轮毂连接处的空腔、受油器以及大轴内腔等位置又进行了逐一排查，但都未能找到。由于轮毂及桨叶接力器油缸未解体，内窥镜及磁性抓取器都难以进入查找。见图2、图3。

图2 找到的3号机浆叶操作油管连接法兰断裂螺栓

图3 3号机轮毂结构图

3.4 未找到的螺栓头可能去向

除去其它已排查部位，未找到的螺栓头可能掉入以下位置（见图4箭头所指位置）：

（1）由于其它螺栓均在大轴与轮毂连接处的空腔内找到，未找到的螺栓头很可能掉入到该空腔处的平压槽内，该平压槽宽约12 mm，磁性抓取器无法进入，此处积油无法排尽，内窥镜也无法看清。

图4 可能落入位置

（2）可能随操作油管抽出时通过浆叶接力器油缸进油孔（直径约50 mm）落入油缸关闭腔内。

（3）可能随操作油管抽出时掉入泄水锥后通过泄水锥筋板上的孔落入轮毂内。

3.5 未找到的螺栓头对机组运行的影响

根据推断的螺栓头可能去向来看，必须对3号机轮毂进行解体检修才可能找到失踪的螺栓头，电站组织相关人员进行了深入讨论和分析后，认为如果不对3号机轮毂进行解体检修找出失踪的螺栓头，将3号机投入运行，可能存在以下影响：

（1）如果该螺栓头掉入大轴与轮毂连接处空腔内的平压槽内，对机组安全运行无影响。

（2）如果该螺栓头掉入浆叶接力器油缸内，可能影响桨叶接力器全开、全关位置行程，对机组安全运行无大影响。但如果该螺栓头正好卡在桨叶接力器油缸与活塞端部结合处，则可能对油缸缸壁产生刮擦，擦痕过大会导致桨叶接力器开启腔与关闭腔串油，从而导致桨叶无法操作、机组无法安全运行。

（3）如果该螺栓头掉入轮毂内，对机组安全运行无影响。

考虑到该螺栓头正好卡在桨叶接力器油缸与活塞端部结合处的可能性较小，且即使该螺栓头正好卡在桨叶接力器油缸与活塞端部结合处对油缸缸壁产生刮擦，擦痕短时间内也不会增大到导致桨叶接力器开启腔与关闭腔串油，3号机可以运行到2016年下半年电站水域枯水期时进行检修，再查找失踪的螺栓头，并对上述擦痕进行处理。

同时，由于电站水域正处于冬汛期，入库流量持续较大，且春汛可能提前到来，此时将3号机转入检修，也将损失较大的发电量。

综合以上影响，电站决定尽快回装3号机桨叶操作油管，恢复机组运行。

3.6 恢复机组运行前采取的应对措施

（1）将3号机桨叶操作油管连接法兰螺栓全部进行更换，并按要求涂抹螺纹锁固胶进行加固。

（2）对操作油管支撑密封部位（位于轮毂与大轴连接处）裂开的3道焊缝进行修补。

（3）调整浆叶接力器全开、全关行程限制值，减小16 mm（失踪的螺栓头直径值），以避免螺栓头在油缸内发生挤压，影响桨叶接力器动作行程。

（4）尽量减少3号机开停次数及负荷调整次数，避免桨叶开度大范围调整，做好桨叶开、关腔油压及调速器油泵打压时间和间隔的监控及记录。

（5）尽快做好3号机轮毂解体检修准备工作，保证3号机在枯水期能顺利实施检修，以便查找失踪的螺栓头，并对桨叶接力器油缸中可能产生的擦痕进行处理。

2016年1月10日15:00，电站在恢复3号机桨叶操作油管并操作桨叶未发现异常现象后将3号机投入运行，截至出稿，3号机运行正常。

4 螺栓断裂力学分析

在静置状态下，桨叶操作油管内部充满油，为受到均匀重力荷载的固定长管，由两端固定点和中间连接法兰作支撑，可作为简支梁结构进行分析，其力学模型图及剪力图如图5、图6。

图5 桨叶操作油管力学模型图

图6 桨叶操作油管剪力图

从剪力图可以看出，第一节与第二节的连接处受剪切力最大，而此次3号机桨叶操作油管连接法兰螺栓断裂的正是该位置的螺栓。

在机组运行过程中，除重力荷载外，桨叶操作油管还可能受到以下外力：

（1）机组启停时由于惯性产生的环向剪切力；

（2）浆叶接力器操作时油压产生的冲击荷载；

（3）机组周期性振摆力；

（4）机组旋转产生的离心力。

以上重力荷载和外力荷载产生的破坏作用集中反映在相对薄弱的区域，即桨叶操作油管连接法兰螺栓处和中管支撑密封部位，长时间的破坏效应的累积，导致螺栓产生疲劳断裂，另因部分螺栓的螺纹锁固胶老化，导致螺栓松动旋出，使余下螺栓受力加大且不均衡，更加剧了螺栓疲劳断裂的进程。同时，长时间的破坏效应的累积，加上原焊缝质量可能存在问题，操作油管支撑密封部位的8道焊缝也裂开了3道。

5 轮毂油箱溢油分析

由于浆叶接力器油缸两端装有抗磨铜套，而铜套与活塞杆之间没有设置密封，为间隙配合，因此在操作浆叶时，桨叶接力器开启腔与关闭腔的油分别通过间隙处渗到轮毂内，并通过泄水锥内的浆叶行程反馈管经受油器流到轮毂油箱内。轮毂油箱油位高时，多余的油会从轮毂油箱溢油管溢回到调速器回油箱。

机组正常运行过程中，浆叶调整时间较短，渗到轮毂内的油较少。此次事故过程中，由于桨叶操作油管串油，桨叶无法操作，浆叶行程一直未变，而桨叶的调整指令则一直存在（前后持续了2 h左右，直到将浆叶控制方式切换至“机手动”运行方式后才停止），调速器回油箱1号、2号油泵均频繁启动向桨叶操作油管、接力器供油，也就一直有油从浆叶接力器油缸渗到轮毂内，导致调速器回油箱油位低报警，轮毂油箱油位不断上升，而轮毂油箱溢油管溢油速度跟不上轮毂油箱油位上升速度，直至轮毂油箱油满而溢出。