云南大唐國際李仙江流域水電開發(fā)有限公司 計其祥

引言

剪斷銷又稱破斷銷，帶危險斷面的內(nèi)通孔圓柱銷。是裝設在水輪機導葉拐臂上用于主副拐臂力矩傳遞的安全保護裝置，在導葉動作過程中若遇異物卡阻，導葉傳動操作力將急劇增大，當應力增大到設計應力1.5倍時，剪斷銷剪切端面剪斷，主副拐臂脫離，對導水機構(gòu)起保護作用。同時，在剪斷銷剪斷后，斷裂上下部分分別隨主副拐臂移動，將安裝在剪斷銷內(nèi)孔內(nèi)的剪斷銷信號裝置破斷，向監(jiān)控發(fā)送剪斷信號并報警。

戈蘭灘水電廠是李仙江干流規(guī)劃的七個梯級電站的第六級，機組為哈電制造的混流立軸傘型水輪發(fā)電機組，總裝機容量3×150MW，額定轉(zhuǎn)速142.9r/min。自2015～2019年電廠三臺機組剪斷銷剪斷問題頻繁出現(xiàn)，在檢修中對剪斷銷無損檢測亦多次發(fā)現(xiàn)裂紋，為徹底解決剪斷銷頻繁剪斷問題，公司多次組織了專業(yè)分析，進行了三個階段的檢查分析處理，每個階段都制定具體檢查措施，形成分析檢查結(jié)果，并對應的開展了相關(guān)剪斷銷的治理工作，最終找到了剪斷銷剪斷的原因，剪斷銷剪斷問題得到了有效處理。

1 第一階段檢查分析處理

戈蘭灘水電廠2015年3月～2017年11月共發(fā)生了5起剪斷銷剪斷情況，三臺機組均不同程度的出現(xiàn)了剪斷問題，根據(jù)剪斷銷剪斷事件發(fā)生時設備的狀態(tài)及斷裂性質(zhì)開展了相關(guān)檢查分析處理工作，分析處理過程如下：

異物卡阻檢查：導葉端、立面間及導水傳動機構(gòu)間若存在異物可導致剪斷銷受力過大導致剪斷，每次缺陷發(fā)生時均進行了檢查，未見異物卡阻現(xiàn)象。

導葉端面間隙檢查：戈蘭灘水電廠導葉端面密封為黃銅帶密封，黃銅帶與橡膠帶配合安裝，形成一套密封安裝于頂蓋和底環(huán)過流面上，導葉關(guān)閉時擠壓黃銅帶，完成蝸殼內(nèi)水與尾水的隔離。導葉上下端面間隙過小，易與頂蓋或底環(huán)過流面產(chǎn)生摩擦，同時可能對黃銅帶擠壓力過大，發(fā)生剪切黃銅帶的現(xiàn)象，此剪切的過程會造成導葉動作阻力增大，從而致使剪斷銷受力增大，超過剪斷銷設計剪斷力時，剪斷銷剪斷?，F(xiàn)場對導葉端面間隙進行復測，上下間隙均勻，滿足設計要求。對黃銅帶與頂蓋底環(huán)高差進行測量，均在設計范圍內(nèi)，外觀檢查完好無擠壓情況。為防止導葉動作過程中與黃銅帶發(fā)生剪切，已將剪切邊進行了倒角處理。所以可排除因?qū)~端面間隙過小，導葉動作阻力增大導致的剪斷銷斷裂的情況。

導葉止推裝置間隙檢查：導葉止推裝置主要用于限制導葉向上的浮動量，間隙過小會導致導葉向上浮動時，拐臂抗磨板與止推裝置產(chǎn)生擠壓。間隙過大會導致導葉向上浮動時，導葉上端與頂蓋貼合動作時產(chǎn)生摩擦。所以導葉止推裝置間隙需適中，一般在0.1～0.3mm 間。不管間隙過大或過小均會使導葉拐臂轉(zhuǎn)動過程中受到的摩擦阻力增大，從而使剪斷銷剪切力增大剪斷。對止推端面間隙進行復測，間隙均偏設計值上限,導葉不存在卡阻或摩擦現(xiàn)象，可排除導葉止推裝置間隙超標導致剪斷銷受力增大剪斷情況。

控制環(huán)抗磨板及側(cè)瓦檢查：控制環(huán)抗磨板損壞，側(cè)瓦間隙過小，均會導致控制環(huán)在動作過程中摩擦力矩增大，從而增加剪斷銷作用力。對控制環(huán)抗磨板進行了完好性及磨損量檢查，均在合格范圍內(nèi)。對側(cè)瓦間隙進行復測，間隙較均勻，未發(fā)現(xiàn)擠壓接觸情況。所以可排除因控制環(huán)阻力過大，導致剪斷銷剪切力增大斷裂現(xiàn)象；接力器壓緊行程檢查：導葉壓緊行程過大，會導致剪斷銷在機組停機狀態(tài)一直受力。長期如此剪斷銷可能會出現(xiàn)金屬疲勞，從而導致壽命減短、易斷裂。對三臺機組壓緊行程進行測量，1號機組主、副接力器壓緊行程均為10mm左右，超出標準要求的5～7mm，2、3號機組滿足標準要求，對1號機組壓緊行程進行了調(diào)整，滿足標準要求。

接力器水平及平行度檢查：接力器水平或平行度偏差較大，在控制導葉動作時，將會使控制環(huán)橫向或軸向受力，在控制環(huán)動作過程中引起跳動或與側(cè)瓦擠壓，導致剪斷銷在動作過程中受軸向分力及沖擊力等。將接力器活塞桿全開后用水平儀及內(nèi)徑千分尺檢測水平及平行度，均在合格范圍內(nèi)，所以可排除由于接力器水平或平行度超標導致剪斷銷受力增大所致；接力器與控制環(huán)高差檢查：接力器與控制環(huán)大耳孔處存在高差，會導致控制環(huán)在動作過程中軸向受力發(fā)生跳動，導致剪斷銷在動作過程中受軸向分力及沖擊力等。用水準儀及水平尺對高差進行檢查，雖存在高差，但已用銅墊板等對叉頭連接處進行了調(diào)平，不存在軸向受力情況。

導水機構(gòu)限位塊間距檢查：導水機構(gòu)在全開及全關(guān)位置均設置有限位裝置，正常情況下均有5～7mm 間距。如間距過小發(fā)生接觸，就會使剪斷銷一直受力出現(xiàn)疲勞破壞壽命減短而斷裂。在導葉全關(guān)及全開位置進行間距復測，間距均在設計范圍內(nèi)，未有接觸或碰撞現(xiàn)象；連板水平檢查：連板水平超差，會直接導致拐臂受軸向分力，從而直接加大了剪斷銷綜合受力。用水準儀及水平尺對連板進行水平檢查，均在合格范圍內(nèi)。與拐臂及小耳孔連接處均用銅環(huán)進行了高差調(diào)節(jié)。

2 第二階段的檢查分析處理

經(jīng)過了第一階段的排查及治理，2018年2月1號機組2號剪斷銷再次剪斷，對2、3號機組剪斷銷進行排查也發(fā)現(xiàn)了不同程度的剪斷銷裂紋缺陷，綜合第一階段的排查結(jié)果，及本次三臺機組剪斷及裂紋情況，判斷可能由導水機構(gòu)受力過大、導水機構(gòu)長期受沖擊應力、剪斷銷材質(zhì)選型及設計剪斷力偏小所致，隨即便開展了第二階段的剪斷銷斷裂檢查分析處理。

導水機構(gòu)整體受力檢查：在調(diào)速系統(tǒng)無水建壓過程中，將壓力建到0.5MPa，操作導水機構(gòu)動作。導水機構(gòu)均動作平穩(wěn)正常，可排除因活動導葉銅止水設計擠壓力過大、軸套間隙過小等設計原因引起導水機構(gòu)整體受力過大導致。

導葉開關(guān)機時間檢查：因在開關(guān)機或調(diào)整負荷時動作較快，會導致剪斷銷在改變狀態(tài)時，受瞬間沖擊載荷較大導致產(chǎn)生裂紋缺陷或斷裂；對開關(guān)機時間參數(shù)進行檢查，均滿足調(diào)保計算要求，且均偏調(diào)保計算上限值?，F(xiàn)場調(diào)速系統(tǒng)采用的功率調(diào)節(jié)模式，負荷調(diào)整瞬間動作快慢與負荷調(diào)整量大小相關(guān)，但調(diào)整速率均不會超過開關(guān)機時速率。所以可排除導葉瞬間調(diào)節(jié)過快導致剪斷銷受沖擊載荷較大產(chǎn)生裂紋或斷裂。

表1 剪斷銷化學元素測試結(jié)果

剪斷銷質(zhì)量缺陷檢查：剪斷銷規(guī)格Φ50×145mm，材質(zhì)為45鋼，通過圖紙計算剪斷銷中部缺口處最小單邊保障厚度為7.25±0.1mm，硬度＜229HB，設計剪斷力為334kN。因3臺機使用的均為2015年更換同批次剪斷銷，所以對同批次隨機抽取4個樣品進行了外觀檢查、尺寸測量、材質(zhì)分析、硬度分析、破斷力測試。#1～#4缺口尺寸測量的最大值、最小值分別為8.0/7.1、7.8/7.1、6.3/5.9、6.2/6.0。#1～#4剪斷銷硬度（HB/HLD）測試結(jié)果平均值分別為222、190、216、223。#1～#4破斷剪切力測試結(jié)果分別為295、286、276、297。

從外觀檢查V 型槽兩邊斜面發(fā)現(xiàn)加工精度不高，表面粗糙度大。有效載荷截面厚度僅7mm 左右，有效厚度較小，同一剪斷銷載荷截面厚度偏差較大?；瘜W元素檢測結(jié)果表明剪斷銷各元素成分符合35CrMo 材質(zhì)，與45號鋼材元素成分不符。硬度值在190～226之間，符合45號鋼＜229HB 的基本要求。破斷剪切力檢測均小于設計值334kN。再結(jié)合檢修情況，本批次剪斷銷均為2015年采購更換同批次，極有可能是造成3臺機頻繁剪斷和出現(xiàn)裂紋的主要原因之一。

拐臂摩擦裝置受力檢查：因每塊導葉所受的力矩分別由導葉摩擦裝置和剪斷銷承受。導葉摩擦裝置由主拐臂末端夾套與鎖緊螺栓組成，通過對鎖定螺栓對夾套進行緊固從而增大主拐臂與導葉軸的摩擦力矩，因此摩擦力矩主要由摩擦裝置鎖定螺栓的把合力大小決定，若螺栓未按設計要求預緊（設計：1000N·m）則摩擦力變小，反之剪斷銷所能承受的力則變大，超出剪斷銷的設計剪斷力則剪斷銷剪斷?，F(xiàn)場對剪斷銷鎖緊螺栓緊固情況檢查發(fā)現(xiàn)其明顯松動，用扭力扳手檢測，均達不到1000N·m 扭矩。因此判斷導葉主拐臂末端鎖緊螺栓松動扭力矩不夠?qū)е轮鞴毡叟c導葉軸間摩擦力矩減小，剪斷銷受力增大。也是造成3臺機頻繁剪斷和出現(xiàn)裂紋的主要原因之一。

根據(jù)排查的結(jié)果明確剪斷銷斷裂的原因為剪斷銷加工質(zhì)量粗糙，力學性能不達標及導葉拐臂摩擦裝置預緊力矩偏小，隨即在2018年4月對剪斷銷全部進行了重新設計更換并對摩擦裝置鎖緊螺栓也全部進行了扭力緊固。

3 第三階段的檢查分析處理

經(jīng)過了第二階段的剪斷銷分析處理后，經(jīng)過半年的運行觀察，1號機組3號剪斷銷再次出現(xiàn)剪斷情況，對三臺機組其他剪斷進行無損檢測正常，說明前期的治理工作是有效的，綜合對比往期剪斷銷的剪斷情況，發(fā)現(xiàn)1號機2、3、20號導葉剪斷銷斷裂頻次較高，可能屬于個性問題，隨即對1號機組2、3、20號剪斷銷剪斷問題進行了針對性專項結(jié)構(gòu)分析。

頂蓋與底環(huán)導葉孔同心度檢查：頂蓋與底環(huán)導葉孔同心度超差，會導致導葉在動作過程中憋勁，從而使導葉動作力矩增大，剪斷銷剪斷或產(chǎn)生裂紋。因未大修，直接測量頂蓋與底環(huán)導葉孔同心度較難，通過將連板拆卸后采用人工利用專用工具轉(zhuǎn)動導葉的方法進行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)手動可實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動，未發(fā)現(xiàn)受力較大或憋勁等現(xiàn)象，可排除頂蓋與底環(huán)導葉孔超差較大等現(xiàn)象。

導水機構(gòu)結(jié)構(gòu)件檢查：在對導水機構(gòu)結(jié)構(gòu)件進行排查中發(fā)現(xiàn)其因制造安裝等原因，2、3、20號導葉連板為定制連板，較同臺機其他連板均長20mm左右，且拐臂與連板連接偏心銷已無調(diào)短余量。導致在導葉關(guān)閉過程中，2、3、20號導葉最先關(guān)閉，雖較其他導葉優(yōu)先量不大，但使其在帶壓緊時受力最大。在其他同等條件下，此剪斷銷受力最大，最易產(chǎn)生裂紋及斷裂，此可能為2、3、20號剪斷銷較其他導葉更易產(chǎn)生裂紋之一。綜合考慮現(xiàn)場，在重新調(diào)整導葉立面間隙后，經(jīng)設計單位核算同意后，將2、3、20號導葉摩擦裝置鎖定螺栓的把合力矩增加到1200N·m，將剪斷銷承受力矩轉(zhuǎn)移部分到抗磨裝置上，從而減小剪斷銷受力。

剪斷銷銷孔檢查：剪斷銷銷孔應與剪斷銷緊密配合。配合不緊密，在受力過程中會使剪斷銷承受軸線分力而受力過大產(chǎn)生裂紋或斷裂。在無水壓將剪斷銷拔起過程中，發(fā)現(xiàn)起升力較小就可將剪斷銷拔出。拔出后檢查銷孔尺寸較設計尺寸偏大，剪斷銷與銷孔配合不緊密。此可能也為2、3、20號剪斷銷較其他導葉更易產(chǎn)生裂紋的原因之一。對其他導葉剪斷銷進行檢查未發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，定制一批尺寸稍大剪斷銷，對配合不緊密的剪斷銷進行了更換。

4 結(jié)語

經(jīng)過上述三個階段的檢查、分析、處理，至今設備已運行三年，未再發(fā)生剪斷銷剪斷及裂紋情況，治理情況顯著，剪斷銷剪斷問題得到了解決。