浅析公伯峡水电站导水机构剪断销频繁剪断原因分析与故障排除

张秉章

摘要：混流式水轮机具有结构简单、效率高、制造工艺成熟的优点，剪断销是水轮机导叶传动机构的保护装置，是水轮机安全稳定运行的重要设备，如果导叶间有异物卡住，相关传动件的操作力将急剧增大，当应力超过剪断销设计值时，剪断销首先剪断，保护水轮机组传动零件不受损坏。

关键词：混流式水轮机;剪断销;剪断;导叶;导水机构

Abstract： Francis turbine has the advantages of simple structure， high efficiency and mature manufacturing technology. Shearing pin is a protection device for the guide vane transmission mechanism of the turbine， and is an important equipment for the safe and stable operation of the turbine. If there is a foreign matter between the guide vanes， the operating force of the relevant transmission components will increase sharply. When the stress exceeds the design value of the shear pin， the shear pin will be sheared first to protect the transmission parts of the hydraulic turbine unit from damage.

0  引言

公伯峡电站4号机组于2005年12月2日投产，截止2020年7月1日运行近15年。2007年9月14日在机组运行状态下其11#-22#剪断销剪断;2017年6月14日在机组运行状态下其6#-9#剪断销剪断;2018年5月12日在机组开机过程中21#剪断销剪断;2019年4月27日在开机过程中5#剪断销剪断，次年3月21日在停机过程中5#剪断销剪断;2020年5月12日在开机过程中15#剪断销剪断;2020年5月20日，4号机组14#剪断销剪断，在随后网控AGC调整负荷过程中，12#、13#、15#、16#导叶剪断销剪断，水导瓦温升高，4号机组事故停机。

1  公伯峡水电站4号机组参数

1.1 水轮机基本参数

型号：HLA801-LJ-580;最大水头：106.6m;设计水头： 99.3m;最小水头：96.7m;额定流量：338.71m3/s;额定转速：125r/min;额定功率：306MW。

1.2 发电机基本参数

型号：SF300.6-48/13200;额定容量：334000kVA;额定电压：18000V;额定电流：10713A;功率因数：0.90;飞逸转速：230r/min。

2  剪断销的设计原理

剪断销是导叶传动机构的保护装置，如果导叶间有异物卡住，相关传动件的操作力将急剧增大，当应力超过剪断销设计值时，剪断销首先剪断，保护其它传动零件不受损坏。

公伯峡电站导叶保护装置为剪断销+摩擦装置联合结构。其设计原理为导叶磨擦衬传递力矩+剪断销传递力矩≥1.5*接力器最大油压操作力矩。异常情况（如导叶间夹有异物）单个导叶传动机构承受力矩超过接力器最大油压操作力矩的1.5倍时，剪断销剪断，此时导叶在磨擦衬的阻力矩的约束下，在水中不会随意摆动，且因在顶盖上焊有限位块，确保剪断销剪断时导叶在全关与全开位置摆动，不会反转并与相邻导叶发生碰撞，造成连锁破坏，保证机组整个导叶传动机构安全。

公伯峡机组单个导叶所承受的最大操作力矩（6.3MPa工作油压）为197km·m，摩擦装置紧固螺栓伸长值0.54mm，对应预紧力矩6500N·m，能够传递的摩擦力矩118.2kN·m，剪断销剪断力382.882kN时，剪断销传动力矩172.4kN·m，剪断销剪断力414.69kN时，剪断销传动力矩186.6kN·m，其保护装置安全系数为1.48-1.55。复核计算结果可以看出，公伯峡电站机组导水机构导叶保护装置的设计是合理的。

3  剪断销频繁剪断原因分析

从剪断销剪断发生频次看，剪断事故主要发生在近两年，可以初步判断剪断销频繁剪断的原因和设备的设计制造关系不大。分析原因如下：①剪断销采购质量问题;②剪断销过载，磨擦装置未受力;③剪斷销承受弯矩;④连杆不水平;⑤检查连杆销和偏心销轴瓦等配合运动部件磨损严重;⑥控制环压板有间隙;⑦两个接力器高程水平;⑧检查接力器与控制环连接板水平;⑨控制环导向侧瓦磨损严重;⑩两个接力器开关机是否同步;{11}导叶传动机构螺栓紧固情况;{12}剪断销损伤。

4  剪断销的设计优化方案

对4#机组剪断销频繁剪断的现象，计划从两方面入手进行改进：

①改进剪断缺口，将原始设计的“V”型剪断缺口（见图1），改为“U”型剪断缺口（见图2），且将缺口圆角表面粗糙度由原始设计的1.6提高至0.8（见图3），增强其抗疲劳的能力。

②增大剪断销的剪切力，将剪切力由382.882-414.69kN，增大为414.69-456.16kN，对应的剪断销的剪切力矩为186.6-205.27kN·m，剪切力矩是接力器操作力矩的0.95-1.04倍，相比原始设计剪断销剪切力矩不到接力器操作力矩的一倍，更为合理。

③在剪断销头部增加了M36的拔起螺孔，拆卸更方便。

5  公伯峡电站4号机组A级检修中针对剪断销频繁剪断检修措施

结合4号机组状况，多次组织专家就剪断销频繁剪断原因分析，并开展A级检修准备会，明确了检修工期、项目、目标、方案等，针对剪断销剪断计划检查处理方案如下：

①剪断销采购质量问题。剪断销从设计原理上是破断保护件，其破断缺口圆角和粗糙度与疲劳寿命有关。对采购的剪断销备品和残件送天津进行测试。

②剪断销过载。若摩擦装置紧固螺栓松动，没有达到设计的预紧力值，导致了所有操作力矩全部或大部分由剪断销承受，剪断销承受开、關方向的交变冲击力，长时间工作导致疲劳破坏。与水轮机生产厂家沟通，对剪断销摩擦装置紧固螺栓重新设计，计划从目前的扭矩扳手预紧螺栓更换为拉伸扳手预紧螺栓，确保预紧力达到设计要求。

③导叶变形造成过载。在机组检修时先对所有的导叶进行全行程力矩测试，检查导叶轴线是否有弯曲变形，检查与套筒配合是否有卡涩。

④剪断销承受弯矩。剪断销的剪切直径是按照承受纯剪切力设计计算的，但由于制造、安装或运行磨损等原因，从连杆传递过来的操作力不再与连接板水平，导致在剪断销上产生附加弯矩，对此进行排查和修正。

⑤连杆不水平。可以通过配车连杆销的垫片使连杆达到水平。

⑥检查连杆销和偏心销轴瓦磨损情况。若磨损严重应及时更换以保证连杆运行平稳。

⑦检查控制环压板间隙。间隙应控制在0.5mm左右。

⑧检查两个接力器高程是否水平。可以通过调整接力器背部把合螺栓达到水平。

⑨检查接力器与控制环连接板水平。由相关技术公司用水准仪进行测量，精度可控制在0.1mm，对存在的缺陷可以通过控制环连接板下面的两侧垫片达到水平。

⑩检查控制环导向侧瓦磨损情况。若磨损严重应及时更换，避免控制环跳动。

{11}检查两个接力器关闭是否同步。可以通过调整活塞杆与推拉杆接头的旋合长度，保证两个接力器活塞与缸盖应同时接触，使控制环受力均衡平稳。

{12}检查导叶传动机构螺栓紧固情况。导叶传动机构所有螺栓应按图纸或标准要求可靠紧固，并有防松措施。

{13}对已安装投运的剪断销，在每次检修时，对剪断销剪切位置进行PT探伤，出现问题的剪断销需及时更换。

{14}在A检修过程中对导水机构进行预装，测量顶盖、底环、座环同心度、水平度。

{15}对分解的导叶轴进行全部用靠尺透光检查，若有变形的导叶送至重型机械厂在机床上进行测量变形尺寸。

{16}由于4号机组中导叶上、中、下轴套经过15年的磨损，在检修过程中需全部更换。

6  结束语

提高水轮机的各部件稳定性贯穿于水轮机水力设计、结构设计、制造、安装、运行的整个过程中，为了保证水轮机组的运行质量，必须使水轮机导水机构各部件设计、加工、检修更加符合水电站安全运行的规范标准，从而提高水电站的安全生产效率，实现水电站经济效益和社会效益的双收。在公伯峡4号机组没有规律性剪断销剪断事件中剖析其原因，对于现场中不能确定造成剪断销剪断事件可提供一定的参考依据。

参考文献：

[1]GB-T5864-2003，水轮发电机组安装技术规范[S].

[2]Q/GBX 10001-2019，水轮机发电机技术规程[S].青海黄河水电公司公伯峡发电分公司.

[3]Q/GBX 10002-2019，水轮机技术规程[S].青海黄河水电公司公伯峡发电分公司.

[4]GB 8564-88，水轮发电机组安装技术规范[S].