红花水电站2号机组转轮联轴螺栓断裂分析

覃定吉

（中广核红花水电有限公司，广西 柳州545101）

1 概述

红花水电站位于广西壮族自治区柳江县境内，距上游的广西最大工业基地——柳州市25 km，是珠江流域西江水系柳江综合利用规划确定的柳江干流最下游一个梯级，是一个以发电、航运为主，兼顾灌溉、旅游、养殖的综合利用水利枢纽工程。电站共安装6台单机容量为3.8万kW灯泡贯流式机组，其中1号、3号、5号机组由四川东方电厂生产制造，2号、4号、6号机组由哈尔滨电机厂生产制造，总装机容量22.8万kW，设计多年平均发电量为9.02亿kW·h。电站采用扩大单元（2机1变）接线方式，共3台主变压器，3台主变压器容量均100 000 kVA，设置2回220 kV出线经柳州供电局的月山变电站接入南方电网。电站第1台机组于2005年10月投产发电，最后1台机组于2007年2月投产发电。

2 2号机组转轮联轴螺栓断裂前运行情况

2号水轮发电机组于2006年2月投入运行发电至今，已运行约2万h左右，2号机组从未进行过A级检修，但进行过一次B级检修，其余都是进行C级检修。2011年6月7日17:30，当时全厂6台机组都并网运行，全厂机组总出力180 MW，其中2号机组所带负荷为30 MW正常运行，当值运行人员通过中控室视频监控系统发现了2号机组主轴密封漏水较大，立即向调度值班员申请停机检查，并通知检修人员现场检查，发现2号机组水轮机转轮与大轴联接螺栓4颗连续断裂，其中3颗螺栓带有销套，另1颗未带销套。现场拆除的螺栓中与断裂螺栓相邻的有3颗螺栓检查有裂纹，并有多螺栓底部没有测长接头，还发现个别螺母断面与主轴法兰面之间有间隙。经现场查看，螺栓断裂面均在距螺母下端面约10 mm位置处，且螺栓断裂面呈窝状凹陷，螺栓断口较光滑，如图1所示。

图1

3 2号机组转轮联轴螺栓断裂原因分析

从图1的照片可见，螺栓断口较光滑，从螺栓断口的特点判断，螺栓主要是在轴向载荷作用下发生断裂，即螺栓是在拉力作用下被拉断。

根据转轮装配图的结构布置进行受力分析，螺栓只承受轴向载荷，设计图纸要求联轴螺栓伸长量为0.32 mm，经计算此时螺栓预紧力为螺栓最大工作载荷的4倍，即螺栓的预紧安全系数为4（国家标准规定控制预紧力时的安全系数不小于2），而此时螺纹强度的计算结果如下：

（1）螺栓（外螺纹）

1）螺栓材料、屈服极限σs=735 MPa；

许用拉应力：〔σ〕L=7/8σs=643.125 MPa；

许用弯曲应力：〔σ〕W=2/3σs=490 MPa；

许用剪应力：〔σ〕=2/3σsx60%=294 MPa。

2）螺栓伸长量为0.32 mm时计算应力值：

螺栓最大拉应力为：σmax=211 MPa；

螺牙弯曲应力：σw=156.5 MPa；

螺牙剪应力：τ=83.84 MPa。

（2）螺母（内螺纹）

1）螺母及转轮体材料、屈服极限及许用应力（按转轮体材料计算）：

螺母材料：锻钢35；屈服极限σs=275 MPa；

转轮体材料：ZG20SiMn；屈服极限σs= 255 MPa；

许用弯曲应力：[σ]W=2/3σs=170 MPa；

许用剪应力：[τ]=2/3σsx60%=102 MPa；

2）螺栓伸长量为0.32 mm时内螺纹计算应力值：

螺牙弯曲应力：σw=148.9 MPa；螺牙剪应力：=79.8 MPa。

由计算可见，无论从预紧安全系数，还是螺纹副本体的强度，螺栓连接都是安全可靠的。

根据对螺栓的受力及螺栓断口的形状分析，初步判断螺栓断裂的主要原因为现场安装时螺栓伸长值相对误差较大，导致联轴螺栓受力不均，同时螺栓伸长值测量误差偏大，导致使一些螺栓安装时伸长值没有达到设计要求，螺栓预紧安全系数不够，运行中在交变负荷作用下螺栓与螺母连接处出现松动。现场实际情况也证明，个别螺母断面与主轴法兰面之间出现间隙，这说明此处螺栓与螺母连接已出现松动。

当螺栓与螺母连接处出现松动后，螺栓在轴向变载荷作用下会慢慢萌发裂纹，随着裂纹的扩展，螺栓发生断裂。当第一个螺栓断裂后，相邻螺栓载荷会增加，并相继出现裂纹，直至断裂。鉴于其余未断裂的螺栓由于运行中的受力不均及拆装过程中的破坏，螺栓均有不同程度的损伤。

4 转轮与大轴连接螺栓断裂处理经过

（1）落实2号机组安全措施，分别对4号、6号机组转轮连接螺栓进行检查；

（2）派检修维护人员落2号机组进水口检修闸门以及尾水检修闸门；

（3）排空2号机组流道水，进入流道对桨叶间隙进行测量；

（4）拆除2号机组的水导侧主轴密封、管路及拆卸被剪断螺栓；

（5）清洗螺栓及转轮螺牙，并对螺牙进行修复；

（6）对其余螺栓逐个拆卸进行探伤检查，并逐个进行回装；

（7）对螺栓进行加热伸长预紧；

（8）回装主轴密封及管路；

（9）机组空转试运行试验及机组并网运行。

整个处理过程一共用了9 d 24 h 3班抢修，因为处于洪水期，此次故障共造成电量损失约500万kW·h，直接造成经济损失28万元。

5 故障处理暴露问题

（1）在机组原安装及检修过程中，安装质量存在一定问题，螺栓内孔应有堵头封住，但在拆卸过程中大部分未封堵，也就是说，部分装了堵头的可以测量伸长值，未装堵头的螺栓伸长值无法测量，安装质量存在问题。

（2）机组一些关键事故备件无库存，需完善备件管理。

（3）机组未装在线监测系统，如振动、摆度、位移等数据未能及时提供给运行人员，运行人员不能依据可靠数据做出及时、准确机组故障判断。由于红花电厂人员少，设备台数多，有必要增加机组在线监测系统。

（4）电厂坝顶门机仅1台，有3套抓梁。如果此次故障扩大，存在水淹厂房危险，假设门机安装的是泄水闸检修门抓梁（防汛用），要落前流道检修闸门，更换抓梁就需2 h，加上落闸门2 h，共需4 h，就严重影响水淹厂房的抢修进度。

（5）尾水闸门门库高程底，如在汛期，在下游水位超过门库高程时，淹没尾水闸门平台，尾水闸门无法解除锁定，起不到快速闸门作用。

6 采取的预防措施及建议

（1）为保证2号机组今后能够长期安全稳定运行，已将2号机组水轮机转轮与主轴连接处的16套螺栓与螺母全部进行更换；

（2）新的螺栓安装、预紧后，要求螺栓冷却到室内温度后其伸长值应不小于设计值，同时安装后所有螺栓伸长值误差应不超过螺栓伸长值的10%；

（3）保证机组在额定水头范围内运行，尽量使得机组在最优工况下运行，避免机组长时间处于振动区运行；

（4）建议增加机组在线监测系统，如振动、摆度、位移等数据实时监测，为运行人员提供可靠数据做出机组故障判断，避免或减少故障的发生；

（5）加强安装外协单位的安装质量的监管力度；

（6）加强备品备件管理，加大资金投入，机组一些关键备件需采购，特别是采购周期长的关键备件需有库存；

（7）在年度检修期间，加强对其余5台机组转轮与大轴连接螺栓的检测，特别是4号、6号机组的检查；

（8）由于红花电厂机组台数较多，按照规定需2台坝顶门机，包含落机组闸门、泄水闸门、船闸检修闸门及设备吊装。在机组需快速落下闸门时，1台坝顶门机无法满足要求，建议增购1台坝顶门机；

（9）完善红花电厂水淹厂房应急预案，是否考虑增加廊道抽水备用水泵库存。

7 值得总结的经验

在此次故障发生前，运行人员及检修人员巡视到位，缺陷发现及时、准确，采取处理措施得当，避免了水淹厂房事故；故障发生后，公司总经理部领导高度重视，及时到达现场协调组织相关人员进行处理，立即联系相关单位，此次处理响应速度快，组织措施得力；工业电视系统在此次故障发现过程中发挥了重大作用，避免了故障扩大；检修外协施工队伍响应速度快，作为一个电厂需要一支响应速度快、能解决问题的外协队伍；公司运行检修人员吃苦能力强，连续作战能力强，从故障发生到处理，连续加班加点，无人抱怨，是一支能战斗、能打胜仗的队伍；为了缩短故障处理时间，机组尽快投入运行，对螺栓备件采用特事特办的方式进行采购管理，派专业技术人员到厂家进行质量、工期监管，保证在最短时间内备件到达现场。