发电电动机空冷器波纹管补偿器失稳原因分析及处理

赵贵前，张永杰，冯东磊，陈善贵 ，李 兵

（1.国网新源建设有限公司，北京市 100053；2.国家电投集团五凌电力有限公司山西分公司，山西省太原市 030024；3.国网新源安徽绩溪抽水蓄能有限公司，安徽省宣城市 245300）

0 引言

波纹管补偿器也叫膨胀节，由构成其工作主体的波纹管和结构件组成，在抽水蓄能电站技术供水的各种管道中都有使用，它能够补偿管道的机械变形和吸收各种机械振动，降低管道变形应力，提高管道使用寿命。波纹管补偿器连接方式分为法兰连接和焊接连接两种，直埋管道波纹管补偿器采用焊接连接方式，明敷管道采用法兰连接方式。

波纹管补偿器在抽水蓄能机组的生产供水管路中得到应用，其可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的，任何一个环节的失控都会导致波纹管补偿器寿命的缩短。在生产过程中，常见的波纹管补偿器故障主要表现在失稳，失稳的形式有平面失稳和柱状失稳两种。平面失稳是指波纹环板平面翘曲、变形、波距不均匀等变形而失效的情况；柱状失稳是波纹管轴线总体弯曲，偏离原来的直线位置，导致波纹管失效的情况。无论是哪一种失稳，都是波纹管发生了几何形状改变而失去原有平衡状态，产生形状畸变而失效。抽水蓄能电站技术供水系统管路中所用的波纹管补偿器运行基本平稳，但也有过失稳的故障情况发生。

1 波纹管补偿器失稳的情况

某抽水蓄能电站发电电动机定子设计为无下支墩结构，即定子机座下环板直接放置在定子基础上，由于定子下部空间有限，故其空冷器采用了上进/上出水方案。空冷器固定在机座外壁上，其进/出水管分列两边，一端与定子基础埋管相连，一端与空冷器水箱相连。定子机座在机组运行时会产生振动并受温度变化而膨胀或收缩，空冷器进/出水管与基础相连一端为固定端，而与空冷器水箱的一端，由于定子机座在机组运行中存在振动或位移，所以这一端将承受振动或位移所产生的外力。另外，由于空冷器的冷却水取至尾水管，进/出水管内冷却水压力较高、水流速相对较大，冷却水对管路会造成一定冲击，冷却水流速及压力的波动冲击则会加剧管路的振动。为适应定子的振动及位移，减缓空冷器冷却水的冲击，空冷器的进/出水管设置了波纹管补偿器，见图1。

图1 发电电动机空冷器波纹管补偿器布置示意图Figure 1 Schematic diagram of air cooler bellows compensator for generator-motor

在该抽水蓄能机组完成设备安装调试进入试运行期间，出现了发电电动机空冷器波纹管补偿器柱失稳现象，故障情况见图2。

图2 发电电动机空冷器波纹管补偿器发生柱失稳的故障图Figure 2 Failure diagram of column instability of generatormotor air cooler bellows compensator

2 波纹管补偿器失稳原因分析

由于该抽水蓄能机组是新安装的机组，设备在试运行，对失稳的波纹管补偿器进行了工厂质量回查，质检报告和出厂试验完整齐全；现场解体检查，设备不存在偷工减料，以次充好的情况。经过综合检查与分析，主要原因如下：

该抽水蓄能电站空冷器波纹管补偿器的结构为单式轴向型结构[1]，波纹管内没有导向筒，主要用于吸收轴向位移，而横向允许位移较小，其承受子午向综合应力较弱，环向应力也比较弱。在波纹管补偿器安装时，部分管路上下端轴向和横向存在偏差，波纹管在水流压力作用下出现扭曲损坏，即柱状失稳[2]。

由于没有导向筒，波纹管内部与外部形状一致，均为波纹形状，水压冲击较大时，波纹管易发生失稳，主要的力学因素是由于内压引起的沿径线作用的弯曲应力过大，在波峰与波谷处形成塑性铰[3]。

该抽水蓄能电站空冷器进出/水为上进/上出，管路支撑点位置较远，波纹补偿器支撑刚度较弱，不能有效限制其横向位移，也是发生柱失稳的因素。

3 波纹管补偿器失稳处理

综合以上该抽水蓄能电站发电电动机空冷器波纹管补偿器出现失稳的分析，可见其主要原因，一个是选型结构问题，另一个是安装问题，相应采取以下处理措施：

（1）为减小波纹管内部水压扰动，并提高波纹管本身的抗横向变形能力，对波纹管补偿器的结构进行改进，主要是在波纹管内部增加导流筒设计[4]，在补偿器中安装导流筒，导流筒又称导向筒，可以有效的固定方向，保护波纹管的内壁，同时波纹管增加内导流筒后其内孔直径不小于波纹管两侧连接管路内孔直径，不会对冷却水流动产生阻碍作用，见图3。

图3 更换结构的波纹管补偿器示意图Figure 3 Schematic diagram of bellows compensator for replacement structure

（2）改进波纹管补偿器安装工艺，对已安装管路进行检查，存在轴向及横向偏差较大的管路进行重新配管，保证上下管路的同心，严禁采用波纹管补偿器变形的方法来调整管道的安装超差[5]；在安装过程中，不允许焊渣飞溅到波壳表面，不允许波壳受到其他机械损伤[6]；安装完毕后，及时拆除波纹管补偿器上用作安装运输的辅助定位构件及紧固件，补偿器所有活动元件不得被外部构件卡死或限制其活动范围，保证各活动部位的正常动作[7]；水压试验时，对装有补偿器管路端部的固定管架进行加固，使管路不发生移动或转动[8]。

（3）为减小机组运行过程中的管路振动，增强管路的稳定性，空冷器进出水管增设部分固定管夹。

4 结语

波纹管补偿器的失稳，在管道试压和长期运行过程中均有可能发生。试运行期间失效的主要原因是选型和安装不符合要求造成。该抽水蓄能电站发电电动机空冷器波纹管失稳是在试运行期发生的，不存在腐蚀泄漏的可能，因此，正确地选择波纹管结构，严格按工艺要求安装，是保证抽水蓄能技术供水波纹管补偿器安全可靠性的有效措施。