侯俊龍，楊明揚，盧 楠

(中國長江電力股份有限公司 湖北 宜昌 443002)

某水電站1號機布置于左岸電站，由東方電機有限公司生產(chǎn)制造，1981年7月投運。1號機水輪機基本參數(shù)如下。

水輪機型號：ZZ560-LH-1130；額定功率176 MW；額定轉(zhuǎn)速：54.6 r/min；額定水頭：18.6 m；額定流量：1 130 m3/s；轉(zhuǎn)輪直徑：11.3 m；輪轂比：0.4；最大軸向水推力：3 800 t；轉(zhuǎn)輪體高2.75 m，長和寬各為4.024 m，重量為120 t，轉(zhuǎn)輪體為球形結(jié)構(gòu)，球體直徑為4.52 m，裝有4個可轉(zhuǎn)動葉片，其轉(zhuǎn)角范圍-10°～+24°，操作葉片轉(zhuǎn)動的接力器直徑為2.85 m。

1 故障現(xiàn)象

水電站1號機于2017-11-14日至12月1日期間完成常規(guī)性C級檢修工作后處于備用狀態(tài)。在12月13日開機運行后發(fā)現(xiàn)其支持蓋垂直振動整體偏大，接近上限值(標準≯110 um)，且偶有超標情況，水平振動正常。經(jīng)查詢1號機支持蓋歷史穩(wěn)定性數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(如圖1)，在1號機停機檢修前支持蓋垂直及水平振動均正常，開機運行后垂直振動明顯增大、水平振動趨勢無明顯變化。

圖1 1號機支持蓋振動變化趨勢圖

2 故障診斷分析

2.1 支持蓋結(jié)構(gòu)及傳感器布局

水電站1號機組水輪機支持蓋結(jié)構(gòu)型式如圖2、3所示，外形尺寸Φ11 780×Φ5 000×2 670 mm，布局于頂蓋內(nèi)側(cè)，是水輪機導水機構(gòu)的重要組成部分。

圖2 1號機支持蓋三維示意圖

圖3 1號機支持蓋平面示意圖

支持蓋水平及垂直振動傳感器互成90°布置于支持蓋內(nèi)側(cè)+X和+Y方向處，傳感器型式為低頻速度傳感器[1]。

2.2 可能原因分析

1)傳感器通訊線路或系統(tǒng)軟件故障。水輪機支持蓋振動傳感器屬于在線監(jiān)測系統(tǒng)的一部分。由于在線監(jiān)測系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時，主要通過電纜，轉(zhuǎn)接端子，采集箱等元件進行傳輸，而這些電纜或者接線端子的信號線隨著長時間的運行后可能產(chǎn)生松動或者脫落，導致接觸不良，因此可能造成傳感器輸出信號異常，導致在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示值與實際值不符。另外，在線監(jiān)測系統(tǒng)在運行時需要采集、分析、存儲各種狀態(tài)量，在運行過程中可能產(chǎn)生刷新數(shù)據(jù)不及時等情況也會導致數(shù)據(jù)失真[2]。

2)傳感器異常。水輪機支持蓋振動傳感器運行環(huán)境比較復雜[3]，長時間運行后可能會導致性能異?；驌p壞。最終也會影響水輪機支持蓋真實振動值的輸出。

3)水輪機工況不佳。水輪機未在協(xié)聯(lián)工況或在振動區(qū)下運行[4]，也會導致支持蓋振動增大。

4)水輪機水下部件異常。水輪機過流部件偏差、流道偏差、導葉控制部件運動偏差、轉(zhuǎn)輪安裝高程偏差以及轉(zhuǎn)輪葉片形態(tài)異常等均有可能導致支持蓋振動異常。但由于1號機在此之前的運行狀態(tài)、穩(wěn)定性均正常，因此可以排除導葉控制部件運動偏差、轉(zhuǎn)輪安裝高程偏差等存在問題。但可能存在因機組在運行過程中出現(xiàn)的如過流部件、流道部件脫落或轉(zhuǎn)輪葉片缺失等情況。

2.3 檢查情況

2.3.1 傳感器通訊線路、系統(tǒng)及傳感器檢查

現(xiàn)場檢查傳感器線路、監(jiān)測系統(tǒng)以及傳感器電壓輸出均正常。傳感器安裝牢固、不存在接反或裝反情況。

2.3.2 水輪機工況檢查

查看和跟蹤1號機運行工況，發(fā)現(xiàn)除支持蓋垂直振動以外，導葉開度、輪葉開度協(xié)聯(lián)關系，出力以及其他穩(wěn)定性參數(shù)等均無異常。且機組均未在振動區(qū)運行過。以下列舉了1號機自支持蓋振動增大以來的4個工況點數(shù)據(jù)，見表1。

表1 1號機自支持蓋振動增大以來的4個工況點數(shù)據(jù)表

長期跟蹤1號運行情況發(fā)現(xiàn)，自支持蓋垂直振動增大以來，除了在低負荷運行時有所降低和改善外，其他大部分垂直振動趨勢并未隨工況的變化而有明顯的變化[5]，且振動值基本處于上限或偶有超標情況，以下為1號機自支持蓋垂直振動增大后1年的支持蓋振動趨勢概覽圖，見圖4。

圖4 1號機支持蓋振動概覽圖

2.3.3 水下部件檢查

結(jié)合1號機大修，對1號機水下部件進行詳細檢查。檢查發(fā)現(xiàn)1號機1號葉片出水邊靠近裙邊側(cè)有約975 mm×880 mm的扇形區(qū)域葉片整體脫落缺失(見圖5)，距離葉片內(nèi)圓約2 180 mm，整體延伸至葉片裙邊根部，且葉片進水邊、出水邊、葉片根部均存在不同程度的裂紋缺陷。其他水下部件如過流部件、轉(zhuǎn)輪室、流道等除了存在一定磨蝕以下，無其他異常情況。由此可初步認為1號機1號葉片局部脫落是導致1號機支持蓋垂直振動增大的根本原因。

圖5 1號機1號葉片出水邊脫落圖

3 缺陷處理

為保證1號機1號葉片脫落區(qū)域的處理效果以及葉片處理后葉型匹配性和完整性，委托機組廠家對缺失葉片區(qū)域進行加工。結(jié)合此次機組大修對轉(zhuǎn)輪其他葉片缺陷進行了一并處理，處理情況如下。

1)1號葉片脫落部位缺陷處理?，F(xiàn)場測量葉片脫落區(qū)域接口處型線尺寸，在2號葉片同一位置處描繪出脫落部分模型，確定鑲塊模型尺寸；對原斷口位置進行吹割打磨處理，打磨深度約5 mm；裝焊鑲塊，調(diào)整好鑲塊位置，焊前采用烤槍預熱，多層多道焊接，清根焊透，每一次焊接前檢查焊縫表面質(zhì)量；焊后打磨，焊接位置處圓滑過渡，無突變；PT和超聲波探傷檢查，無裂紋等缺陷，主要處理過程詳見圖6～圖11。

圖6 確定模型尺寸圖

圖10 PT探傷圖

圖11 超聲波探傷圖

2)對1號葉片及其他葉片裂紋區(qū)域進行處理。葉片裂紋主要為：1號葉片進水邊長約170 mm的貫穿性裂紋，1號葉片出水邊正面長360 mm、背面長470 mm的貫穿性裂紋，1號葉片根部背面R角兩處長約70 mm的裂紋；2號葉片進水邊長約30 mm的貫穿性裂紋。

對裂紋處進行清理，PT探傷，確定葉片裂紋源頭后，在源端鉆止裂孔，防止吹刨時裂紋擴展；先從葉片下部吹刨葉片厚度的1/2，進行補焊，再從葉片正面進行吹刨補焊；焊接及處理工藝與葉片脫落區(qū)域處理工藝基本一致。

3)對葉片氣蝕區(qū)域進行補焊打磨，葉片光滑過渡。

4 處理評價

1號機1號葉片缺陷處理后，機組按計劃進行了開機，開機運行后跟蹤查看1號機穩(wěn)定性情況，發(fā)現(xiàn)支持蓋垂直振動有所減少及改善，變化趨勢如圖12所示。對比處理前后支持蓋垂直振動基本由95～115 um減少至72～85 um，降幅為26%～35%。其他穩(wěn)定性數(shù)據(jù)均正常。此次處理達到了預期效果，同時也找到了支持蓋垂直振動增大的根本原因。

圖12 1號機支持蓋垂直振動趨勢變化圖

5 結(jié) 語

通過對某水電站1號機支持蓋振動增大原因進行了分析。根據(jù)可能存在的原因進行了一系列檢查，最終檢查發(fā)現(xiàn)1號機1號轉(zhuǎn)輪葉片局部存在缺失，明確了支持蓋振動增大并偶發(fā)超標的原因。利用機組檢修機會對缺失部位進行了修復處理，解決了1號機支持蓋振動增大及超標缺陷。

結(jié)合此次缺陷分析檢查及處理，針對后續(xù)其他同類型設備的運行及維護提出了以下兩點建議：

1)充分考慮機組水下部件運行環(huán)境和運行狀態(tài)的復雜性。結(jié)合機組水下部件運行壽命及檢修周期，定期對水下部件進行仔細檢查和處理。確保機組安全穩(wěn)定。

2)針對機組在運行過程中如支持蓋振動等穩(wěn)定性指標出現(xiàn)惡化時，應立即停機進行檢查。避免機組相關部件造成不可預估的損失。

該缺陷的分析、檢查及處理的思路和方法可為其他同類型水電機組存在的類似問題提供借鑒和參考。