湖南五凌哈電能效科技有限公司 王 佩

某電廠位于湖南省沅水干流上，是沅水梯級開發(fā)的重要水利樞紐工程，具有發(fā)電、防洪、航運、灌溉等綜合利用效益。電廠共安裝有6臺燈泡貫流式三相同步發(fā)電機，機組單機額定出力45MW，總裝機容量270MW，采用一級220kV 電壓等級接入系統(tǒng)。2003年12月一期5臺機組全部投產，2005年7月＃6機組投產發(fā)電。機組最小水頭8.4m，額定水頭20m，最大水頭27.3m[1-2]。2017年7月，電廠6號機組運行過程中槳葉操作油管發(fā)生斷裂。

1 事件過程

事件發(fā)生前，電廠上游水位187.05米，下游水位164.46米，220kV 線路、1-3號主變正常運行，1-6號機組并網運行，機組總負荷為180MW。其中電廠6號機組帶負荷30MW 運行時，運行人員發(fā)現(xiàn)機組調速器油泵啟動間隔時間異常縮短，且加載過程中備用泵同時啟動。電廠立刻申請對6號機停機檢查，其中停機過程中發(fā)現(xiàn)，槳葉開度達到36.5%后就不再動作。停機后嘗試手動操作槳葉，開、關操作槳葉均未動作，操作時，壓力指示顯示槳葉開、關腔操作油管無壓差，初步判斷為槳葉操作油管斷裂。后續(xù)對受油器解體檢查發(fā)現(xiàn)，機組操作油管中管第4節(jié)距下游法蘭395mm 處斷裂。

2 原因分析

結合操作油管斷裂位置，斷面情況以及相關檢測試驗，電廠操作油管斷裂的原因主要有以下幾點：

2.1 結構設計不合理

受早期加工能力限制，電廠的操作油管為三段式結構，在距操作油管上、下游法蘭395mm 處各有一道拼接焊縫，為3根不同壁厚的鋼管對焊，兩端的鋼管再分別與密封法蘭拼焊制成，這種結構設計造成了油管對接焊縫過多，存在較大的安全隱患。且變徑處焊縫為整根油管的結構最薄弱處，結構強度偏低[3]，本次斷裂位置也正好是焊縫位置。原操作油管的示意圖如圖1所示，圖中圓圈即為焊縫。

圖1 原槳葉操作油管焊接結構圖

2.2 焊接工藝不良

早期電廠對操作油管接焊縫的檢測手段主要為UT 檢測，但實踐證明，不同壁厚管道的拼接焊縫對UT 探傷有一定干擾，對焊縫缺陷難以做出準確判斷。后續(xù)電廠結合射線探傷結果分析發(fā)現(xiàn)，電廠操作油管對接焊縫的焊接工藝普遍存在缺陷，主要有以下幾點：操作油管對接焊縫為單面焊、雙面成形，焊縫背面并未完全熔合，焊縫不飽滿，存在未焊透現(xiàn)象；操作油管法蘭面外層焊縫未倒坡口，焊縫單薄，并且存在焊接缺陷。法蘭和油管的端面焊接處，有焊接應力，即使做了去應力處理，但肯定會還有殘余應力，另外焊接熱影響區(qū)域的金相組織也會有變化[4]。因此此處的內應力很難完全消除。

2.3 機組運行工況不良

電廠燈泡貫流式機組設計的最大運行水頭Hmax 為27.3m，額定水頭Hr 為20m，最小運行水頭Hmin 為8.4m，其中(Hmax-Hmin)/ Hr 達到94.5%，一般要求水頭變幅(Hmax-Hmin)/ Hr 不超過40%，過大的水頭變幅也造成機組經常運行于非最優(yōu)工況，引起電廠機組效率特性及能量特性等變差，特別是在低水頭下振動[5]。事故發(fā)生前的汛期，電廠經歷建廠以來第二大洪水，機組運行水頭已低于10m，振動及擺度增幅明顯，機組運行狀況較差。

且由機組振動擺度數(shù)據(jù)分析報告可知，排水環(huán)、水導等部位受水頭影響較大，當機組水頭降低時，振動、擺度等數(shù)值均會出現(xiàn)較大幅度的上升，在機組運行過程中產生的振動和交變應力作用下，很大程度上加劇了操作油管的疲勞，焊接缺陷逐步向外擴展，最終導致6號機組操作油管發(fā)生斷裂。

3 處理措施

3.1 操作油管改造

針對操作油管存在的問題，電廠組織對操作油管結構進行優(yōu)化。一是將操作油管從三段式結構改為整管結構，減少兩條中間對接焊縫，僅保留角焊縫，避免了對接焊縫處結構強度偏低和容易造成應力集中的問題，消除了操作油管發(fā)生斷裂的安全隱患。改造后的操作油管如圖2所示。

圖2 新槳葉操作油管結構示意圖

同時，為徹底消除焊接工藝問題可能導致的焊縫強度偏低的問題，改造時將法蘭部位的焊接方式接改為插裝式焊接，兩管插裝部分為過盈配合，插裝部分承擔了操作油管的主要受力，從而弱化了焊縫的受力功能，進一步提升了操作油管的結構剛度。

3.2 操作油管安裝

基于常規(guī)UT 探傷在操作油管焊縫上應用時準確度有限的問題，電廠新操作油管安裝前統(tǒng)一采用射線探傷，徹底消除焊接工藝問題帶來的安全隱患[6]。安裝時，應重點關注操作油管的擺度，通過安裝百分表監(jiān)視，必要時對操作油管進行調整或對局部高點研磨，確保電廠操作油管擺度符合安裝說明書的要求，即外操作油管擺度≤0.07 mm、中間操作油管擺度≤0.07 mm、內操作油管擺度≤0.10 mm。

3.3 運行優(yōu)化研究

針對機組在低水頭下效率特性及能量特性等變差，振動大幅上升的問題，電廠開展了大容量燈泡貫流式機組低水頭運行工況優(yōu)化研究，采用理論計算與現(xiàn)場試驗相結合的方式，通過對比調速器國產化改造機組及調速器國產化未改造機組運行數(shù)據(jù)，分析調速器國產化改造機組低水頭、大負荷情況下機組振動上升、效率下降原因。并通過對國產調速器協(xié)聯(lián)關系曲線的優(yōu)化，抑制了協(xié)聯(lián)關系不匹配水力因素的影響，解決了采用其運行工況急劇惡化的問題。

3.4 加強運行監(jiān)視

電廠通過優(yōu)化機組運行方式，盡量避開機組振動區(qū)域運行，降低操作油管發(fā)生疲勞斷裂的可能性。同時電廠后續(xù)對監(jiān)控數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，事故發(fā)生前，機組的受油器、操作油管和水導的振擺均有明顯的上升的趨勢，因此運行過程中密切關注機組振擺裝置在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，并定期對數(shù)據(jù)進行分析，嚴格控制機組各部件振動、擺度在允許范圍之內，也是預防操作油管斷裂事故發(fā)生的有效手段。

綜上，槳葉操作油管是連接受油器與槳葉接力器的重要部件，通過它把受油器過來的壓力油輸送給槳葉接力器，用以操作槳葉動作。當水輪機運轉時，操作油管隨大軸一起旋轉，同時槳葉接力器行程反饋的回復管隨槳葉接力器做軸向運動，并在受油器端指示槳葉的轉角或行程。機組運行中，槳葉操作油管如果發(fā)生斷裂需要停機檢修處理，機組長時間不能運行，將造成大量的發(fā)電量損失。此外，斷裂時將導致機組發(fā)生劇烈振動，可能導致其他設備發(fā)生損壞，斷裂后壓力油泄露，還可能引發(fā)嚴重的環(huán)境污染事件。