张河湾公司导叶止推环板固定螺栓断裂故障分析处理

刘 向，关 君，郭旭东

（1.国网新源控股有限公司检修分公司，北京 100068；2.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 概述

河北张河湾蓄能发电有限责任公司（以下简称“张河湾公司”）位于河北省石家庄市井陉县境内，是一座日调节纯抽水蓄能电站，主要承担河北南网系统调峰、填谷、调频、调相等任务，总装机容量为1 000 MW。电站安装4台单机容量为250 MW的混流可逆式水泵水轮机组，设计水头305 m，最大水头350 m，额定流量94.1 m3/s，额定转速333.3 r/min。

在2018年4号机组C级检修期间，检查发现其导叶上、下端面间隙及上、下抗磨板状态出现异常，通过对导叶拐臂止推装置结构的分析，判断出其可能存在问题，最终拆解后发现导叶拐臂止推装置环板固定螺栓断裂脱落这一严重缺陷并进行了处理，在此对本次检修中缺陷的发现和处理过程作简要介绍，以期为今后类似工作提供参考。

2 张河湾公司活动导叶结构特点

张河湾公司导水机构部分为法国ALSTOM公司设计并制造，导水机构由顶盖、活动导叶、底环、控制环和导叶操作机构组成。结构上活动导叶通过3根圆锥销与拐臂连接传递扭矩，进行导叶关闭、开启的操作，每个同步导叶都设置了摩擦保护装置和剪断销报警装置，详见图1，其结构特点如下：

图1 导叶及相关部件结构图

(1)机组共设置20个活动导叶，通过控制环、小连臂及拐臂进行连接和操作。其中3号、4号、13号、14号 4个导叶设置有非同步操作机构，通过非同步导叶接力器进行控制调节。

(2)在每个导叶的导叶套筒和下轴套上设置有上、中、下3个导轴承，导叶轴承使用ORKOT纤维编织结构自润滑材料，保证活动导叶转动灵活的同时，可以有效降低活动导叶的振动。

(3)在每个导叶的拐臂下部设有止推装置，分别在导叶套筒上端面和止推压环的下表面各设置有两块ORKOT纤维编织结构自润滑材料止推块，作用于拐臂止推环板，形成止推间隙以限制导叶的上浮（止推装置结构详见图2）。其中止推环板由8颗M16内六角沉头螺栓固定，止推压环由12颗M24双头螺栓把合固定，止推间隙可通过加减止推压环与导叶套筒之间的可撕垫片进行调整。

图2 止推装置局部剖面图

(4)在每个导叶底部下轴套的下方设置有一小孔，连通到底环与座环之间形成的空腔，后连接一管道导出形成了导叶排水减压的通路，用于将导叶底部的高压水排出卸压，以避免活动导叶底部形成水压导致导叶上浮。

3 导叶止推装置缺陷发现及分析过程简述

3.1 导叶止推装置缺陷的发现

在4号机组C级检修期间，对其导叶上下端面间隙进行测量，发现该机组导叶端面间隙异常，第一次测量后发现2号、10号、11号、12号、15号、16号、17号、18号、20号等多个导叶上端面间隙过小，数据详见表1，上抗磨板刮痕严重，在导水机构开、关动作一次后再次测量导叶端面间隙，发现导叶整体出现下移趋势，其中5号、12号导叶进水边下端面间隙为0，数据详见表2，结合测量数据及现场实际，判断导叶止推装置存在缺陷，提议将5号、12号导叶拐臂拆除，分解导叶止推装置检查导叶止推块情况并待进一步处理。

表1 导叶端面间隙第一次测量数据 单位：mm

表2 导叶端面间隙第二次测量数据 单位：mm

在将5号导叶拐臂拆除后发现其止推环板的8颗M16内六角固定螺栓中靠下游侧3颗螺栓发生断裂，螺帽脱落，检查发现其余螺栓中3颗螺栓已完全松动其中一根已存在明显裂纹，仅剩余2颗螺栓把合较为牢固（见图3）。在止推压环下部的两块上止推块，其中一块的3颗M8固定螺钉均断裂脱落且螺帽已研磨消失，止推块断损移位，另一块上止推块固定螺栓尚好，但止推块也已断损（见图3）；导叶套筒上部的下止推块，检查有一定程度的磨损但无损坏，基本符合止推装置存在缺陷的判断。

图3 止推装置分解后螺栓和止推块情况

3.2 缺陷原因简要分析

进一步对5号导叶止推装置呈现的止推环板固定螺栓断裂脱落的缺陷分析，观察螺栓断口形貌，判断为交变拉力造成的疲劳断口，推测该机组在运行中其导叶存在巨大上浮力，导叶拐臂随导叶一体向上移动，连接在拐臂上的止推环板受压环限位，二者之间存在巨大挤压力和摩擦力，使得止推环板固定螺栓长期受到冲击、拉伸和剪切，最终造成疲劳断裂和螺栓松动，并加剧了其他螺栓的疲劳累积导致相继断裂。

对比分析该电站3号机组在2017年A级检修期间限位块破碎的情况，推测该机组存在与3号机组相同的导叶底部排水管淤塞排水不畅的问题，导致在机组运行过程中活动导叶下端面水受压无法释放，对导叶产生巨大的反方向水推力，造成导叶上浮活动严重。

3.3 缺陷风险简要分析

根据5号导叶止推装置受损情况，推测不排除该机组其他导叶止推装置也存在类似情况，该问题如不及时解决处理，会使得螺栓失效后导叶的上浮将不受止推装置的限制，导致导叶继续上浮，运行过程中持续研磨上抗磨板，当抗磨板研磨至一定程度时会将活动导叶卡死，造成导叶摩擦装置失效、剪断销剪断及机组跳机等严重后果，考虑机组的运行安全，决定将其他导叶止推装置全部分解检查。

4 缺陷处理过程简述

对于导叶底部排水管淤塞问题已于前期疏通，本文不做赘述，仅针对此次检修中机械缺陷的检查处理做简单介绍。

4.1 处理方案的制定

根据该电站导叶拐臂结构特点，必须将拐臂拆出后才能够分解导叶止推装置进行检查处理，因此位于主、副接力器下方的12号、17号导叶拐臂在不拆除两个接力器的条件下不具备拆除空间。首先针对此问题提出了将主、副两接力器拆除并抬升至一定高度后将下方拐臂拆除并处理的方案，但由于施工工期紧张且在当时的施工条件下进行接力器拆除和抬升存在较大风险且难以把控；通过进一步的现场测量和对拐臂结构的研究分析，确认将副拐臂拆除后具备将主拐臂拆除并分解止推装置检查处理的条件后，确定了分解拐臂而不拆除接力器的处理方案。

4.2 拐臂拆除过程简述

用钢丝绳缠绕活动导叶，并在两头用手拉葫芦固定在固定导叶上，拉紧手拉葫芦，保证导叶固定牢靠位置不变动。

导叶固定完成后拆除非同步导叶接力器，将每个导叶拐臂盖板、接力器及其之间调整垫片等做好标记；将主副接力器与控制环之间的大连板与销钉位置做好标记后，通过手拉葫芦调整接力器活塞杆位置将销钉和上下大连板拆出，整齐摆放到控制环上。

将控制环与拐臂连接的小连臂、偏心销、固定螺母及卡块之间的位置关系做好标记并拆除，并按导叶编号收集摆放；将各个导叶拐臂拆除后将各个拐臂部件标号按编号收集摆放；拆除拐臂时检查拐臂止推环板固定螺栓情况并统计，注意收集断丝及螺帽，将拐臂整齐摆放到控制环上，所有导叶断丝情况如下表3所示。

表3 各导叶止推环板断丝情况统计

4.3 处理及回装过程简述

将所有拆出部件检查、清扫处理：取出拐臂止推环板断丝，更换符合设计要求的8.8级M16×50螺栓并按设备厂家建议使用277高强螺栓锁固胶，按160 N·m均匀对称紧固；将止推压环送至加工厂把止推块的固定螺钉孔由M8扩至M10，并将压环切割分瓣（分瓣位置如下图4所示），以方便日后的止推压环的拆除和止推块等部件的检查，同时更换止推装置位于导叶套筒上部的下止推块及其M8固定螺钉和位于止推压环下部的上止推块和其M10固定螺钉。

图4 止推压环分瓣示意图

回装导叶拐臂并调整导叶止推间隙：在导叶轴头涂抹二硫化钼，平稳均匀回装拐臂，保证拐臂回装过程水平避免与轴头研伤；固定止推压环后，利用顶拐臂专用工具及8 t千斤顶顶起拐臂检查导叶止推间隙，并利用压环底部调整垫片调整拐臂止推间隙。

将小连板按原标记位置回装连接拐臂与控制环并打紧，更换拐臂端盖φ5.3 mmO型密封，利用导叶端头可撕垫片调整导叶端面间隙，由于该机组导叶总间隙偏大，且存在上抗磨板刮研风险，按照业主要求将总间隙按上60 %下40 %分配上端面间隙大于导叶止推间隙的原则调整，调整完成后检查立面间隙，回装拐臂与导叶连接锥销并将销钉丝堵安装并紧固，将拐臂摩擦装置拉紧螺栓拉伸紧固，回装端盖把合螺栓后安装锁片并点焊牢固。

4.4 问题及建议

目前抽蓄行业内存在不少由法国ALSTOM设计制造或仿照其设计制造的机组，这类机组的导叶止推装置结构隐蔽，设计存在缺陷，日常运维难以检查止推间隙和止推装置的状况，受结构、空间影响，确认即使如上述情况分瓣后，仍无法做到在不拆除拐臂的情况下，完全拆出止推压环检查止推装置进行检修处理。建议请设备设计单位通过强度计算，确认是否可以将止推压环更换为类似于仙游、响水涧等电站的分段式结构（如下图5所示），由两段压块固定并压住拐臂止推压环，此结构止推压环拆除方便，易于止推间隙的调整和止推块的检查更换。

图5 止推压环分块改造示意图

止推块采用了ORKOT纤维编织结构自润滑材料，该材料强度较低，受挤压碰撞后易破碎，造成止推块失效，止推间隙变大，导叶上浮研磨上抗磨板。建议更换强度更高的润滑材料或加长止推块的长度以增加摩擦面积，提高止推块的强度，保障止推块的完整性，避免止推装置失效造成导叶上浮研磨抗磨板。

5 结语

本次检修由检查发现的导叶端面间隙异常状况，经过现场检修人员的思考和对导叶拐臂结构的反复研究，判断出导叶止推装置存在较大问题，并坚持拆除拐臂进行检查，最终发现了导叶止推装置止推环板固定螺栓断裂脱落这一严重缺陷；并合理利用现场条件，认真分析拐臂与接力器的结构和空间特点，提出更高效且安全的解决办法，制订了合理的施工方案，大大缩短了所需工期，保证在有限的工期内，圆满地完成了此次消缺任务，对后续在结构类似的机组检修中，进行缺陷检查和分析处理具有较大意义。