轴流式转轮连板断裂原因分析及解决办法

马剑滢

（甘肃电投大容电力有限责任公司，甘肃 兰州730030）

1 概述

水电站位于甘南藏族自治州卓尼县县城上游约20.1 km处的洮河干流上，距兰州市约360 km，电站总装机容量30 MW，安装3台10 MW轴流转浆式发电机组。电站由首部枢纽、引水建筑物、发电厂房和开关站等组成，主要任务是水力发电，水库正常蓄水位为2 604 m，引水闸顶高程2 606 m，最大坝高11.2 m，电站额定水头25 m，设计引水流量138.6 m3/s，电站采用地面厂房布置形式，厂区主要建筑物由主厂房、副厂房、110 kV开关站、尾水建筑物等组成。尾水闸段长4.0 m，尾水平台高程为2 579.57 m。多年平均发电量为1.357 2亿kW·h，年利用小时4 524 h。

3台机组相继于2010年2月、7月和11月投产发电，1号机组最晚投产发电。投产发电以来，转轮叶片连板、操作架导向键频繁发生断裂，操作架焊缝多次开裂等现象，后经过持续优化设计，改造连板、操作架导向键、操作架结构等。在2016年检修期间对1号机组的零部件进行彻底更换，截至2017年11月30日经过一个完整的运行周期年，再未发生断裂现象，目前机组运行稳定。本文着重就转轮叶片连板断裂产生的原因以及处理方法做一详细的阐述，供大家学习交流。操作架导向键以及操作架焊缝开裂问题另有专门文章阐述，在此不再累述。

2 电站参数

水轮机型号：ZZA834-LJ-260

最大水头 Hmax：30.65 m

额定水头 Hr：25 m

最小水头Hmin：23.48 m

额定转速 nr：250 r/min

飞逸转速：560 r/min

额定点效率：93.2%

最高效率≥设计值：94.35%

额定出力：10.43 MW

最大出力：12.8 MW

额定流量：45.63 m3/s

轴向水推力：最大水头30.65 m时，水推力为140 t机组旋转方向：俯视顺时针

3 现象描述

电站3台机组相继于2010年陆续投产，1号机组于2010年11月投产、2号机组于2011年4月投产、3号机组于2011年4月投产发电。2011年7月机组检修发现3号机组2个导向键断裂；3个叉头断裂，一个连板断裂；2012年2月，1号机组甩负荷后，检查发现5个连板全部断裂；2016年3月2号机组大修时检查发现1个连板断裂，2个叉头断裂；2016年4月，1号机组运行异常，检查发现1个连板断裂、1个叉头断裂；2017年8月，2号机组检查发现1个连板断裂；图1～4为部分断裂的连板、导向键，以及操作架焊缝开裂图。

图1 断裂的连板

图2 断裂的操作架导向键

图3 操作架焊缝裂纹

图4 断裂的叉头

4 原因分析

为解决上述异常断裂问题，笔者以连板为例，从生产制造、应力分析等方面对连板断裂产生的原因进行分析。从而提出解决问题的方法措施。导向键以及操作架等部件均作了相应改造，分析过程在此不再累述。

4.1 生产制造原因

观察连板断裂面的断口部位，裂纹从一点开始逐步向外扩散，对比断裂的连板，不难发现，连板断裂的位置都是从连板的耳环根部开始，呈现逐渐向外扩散趋势。

检查所有断裂的连板，发现连板断裂部位均位于耳环与连板中间拉杆连接部位，并且在过渡区域无工艺过渡圆弧。

察看厂家提供的零件图纸，在图中注明在耳环与连杆连接部位有R10的过渡圆弧。而实物均未有此过渡圆弧存在，证实连板实物与图纸不符，缺少过渡圆弧。

4.2 应力分析

按照《水轮机设计手册》中，有关连板计算的相关内容，对连板受力情况进行计算。

接力器活塞直径D=63 cm

接力器活塞杆d=18 cm

接力器工作油压p=40 kg/cm2

连板A-A断面面面积AA=5×5π/4=19.625 cm2

连 板 B-B 断 面 面 面 积AB=2×（5.4-4）×6=8.4 cm2

连板C-C断面面面积AC=2×4.0×6.0×（5.4×5.4-4×4）/（5.4×5.4+4×4）=13.99 cm2

连板工作中承受拉力P=Pc/Z

其中：PC-接力器全作用力kg；Z-连板数Z=5。P=p×（D2-d2）π/4×5=22 902 kg

A-A断面所受拉应力σA=P/AA=1 167.0 kg/cm2

B-B断面所受拉应力σB=P/2AB=1 363.2 kg/cm2

C-C断面所受拉应力σC=P/AC=1 637.03 kg/cm2

连板所用材料为45号钢

许用应力 [σ]=σb/3=1 300 kg/cm2

从计算结果看不仅σB=1363kg/cm2＞1300kg/cm2=[σ]σC=1 637.03 kgcm2＞1 300 kg/cm2=[σ]

从计算结果看出B-B断面以及C-C断面的应力数值均超过许用应力。

4.3 主要原因

从连板的制造工艺以及应力分析得知，造成连板频繁断裂的原因主要是两点，第一是连板设计时强度不足，设计应力大于材料的许用应力，超过规范要求数值，连板不能满足正常使用要求。第二是连板制造时未能按照图纸加工过渡圆弧，连板的耳环与连杆之间存在应力集中点，在连板使用过程中，受到交变外力作用后，连板产生塑性变形，变形位置发生在应力最薄弱位置，及图中所示的C-C断面的位置，这与计算结果相一致，也与连板实际断裂情况相对应。

5 处理方法

在处理连板断裂问题时，经历了三个阶段，逐步形成合理、有效的最终方案。

第一阶段，也是1号机组连板首次发生断裂后的处理方案，1号机组在2012年2月发生甩负荷事故以后，生产厂家重新加工一批连板，并在专业人员的指导下，对连板进行更换处理。在此过程中未对连板结构进行修改。

第二阶段，在2016年3月，2号机组连板发生断裂后，电站技术人员要求厂家按照设计图纸重新加工一套连板，在此次加工过程中，强调了连板的过渡圆弧，将图纸中的过渡圆弧由原来的R5变更为R10，并更换了2号机组的连板。

第三阶段，在2016年4月，1号机组再次发生连板断裂问题后，笔者针对连板频繁发生断裂问题，现场仔细察看连板结构，断裂部位，以及历次断裂的连板情况，通过原因分析，找到了连板频繁断裂的根本原因，针对应力超标问题，对连板结构进一步优化，增加连板中间部位尺寸，增大连板耳环与连杆间的过渡圆弧。根据要求，再次新加工一批连板，并且在2016年检修期，对1号机组的连板全部更换完毕。设计图如图5。

图5 新设计连板图纸

更换后的连板实物见图6。2幅图中左侧为第二阶段更换的连板平面、立面，右侧为第三阶段新设计制造、并更换的连板平面、立面。

图6 改进前后的连板实物平面、立面图

新设计制造的导向键如图7。

图7 改进前后的导向键对比实物平面图

6 结语

轴流转浆式机组转轮叶片操作机构中由于连板断裂，导致机组运行异常，摆度数值增加、振动数值加大，机组负荷无法调整的问题，近年来在中小型轴流转浆式机组中已经不多见。操作机构各部件产生断裂的原因与多种因素有关。如：方案选择、结构设计、材料选用、加工制造、工艺检查、安装调试、运行范围等，每一个环节都密切相关，互相影响。操作机构一旦发生问题，将严重影响电站的安全运行。在发生问题后需要准确分析原因，对症及早处理。

新设计制造的连板、导向键以及操作架，已经于2016年11月15日在1号机组检修期间全部更换完毕，调试合格后，投入使用。截至目前，1号机组已经过两个完整的发电周期年，目前机组运行稳定，检查未发现连板、导向键及操作架有裂纹及变形问题，证明新设计制造的连板、导向键及操作架满足实际使用的要求，改造成功。