戈兰滩水电站剪断销频繁断裂原因分析

云南大唐国际李仙江流域水电开发有限公司 计其祥

引言

剪断销又称破断销，带危险断面的内通孔圆柱销。是装设在水轮机导叶拐臂上用于主副拐臂力矩传递的安全保护装置，在导叶动作过程中若遇异物卡阻，导叶传动操作力将急剧增大，当应力增大到设计应力1.5倍时，剪断销剪切端面剪断，主副拐臂脱离，对导水机构起保护作用。同时，在剪断销剪断后，断裂上下部分分别随主副拐臂移动，将安装在剪断销内孔内的剪断销信号装置破断，向监控发送剪断信号并报警。

戈兰滩水电厂是李仙江干流规划的七个梯级电站的第六级，机组为哈电制造的混流立轴伞型水轮发电机组，总装机容量3×150MW，额定转速142.9r/min。自2015～2019年电厂三台机组剪断销剪断问题频繁出现，在检修中对剪断销无损检测亦多次发现裂纹，为彻底解决剪断销频繁剪断问题，公司多次组织了专业分析，进行了三个阶段的检查分析处理，每个阶段都制定具体检查措施，形成分析检查结果，并对应的开展了相关剪断销的治理工作，最终找到了剪断销剪断的原因，剪断销剪断问题得到了有效处理。

1 第一阶段检查分析处理

戈兰滩水电厂2015年3月～2017年11月共发生了5起剪断销剪断情况，三台机组均不同程度的出现了剪断问题，根据剪断销剪断事件发生时设备的状态及断裂性质开展了相关检查分析处理工作，分析处理过程如下：

异物卡阻检查：导叶端、立面间及导水传动机构间若存在异物可导致剪断销受力过大导致剪断，每次缺陷发生时均进行了检查，未见异物卡阻现象。

导叶端面间隙检查：戈兰滩水电厂导叶端面密封为黄铜带密封，黄铜带与橡胶带配合安装，形成一套密封安装于顶盖和底环过流面上，导叶关闭时挤压黄铜带，完成蜗壳内水与尾水的隔离。导叶上下端面间隙过小，易与顶盖或底环过流面产生摩擦，同时可能对黄铜带挤压力过大，发生剪切黄铜带的现象，此剪切的过程会造成导叶动作阻力增大，从而致使剪断销受力增大，超过剪断销设计剪断力时，剪断销剪断。现场对导叶端面间隙进行复测，上下间隙均匀，满足设计要求。对黄铜带与顶盖底环高差进行测量，均在设计范围内，外观检查完好无挤压情况。为防止导叶动作过程中与黄铜带发生剪切，已将剪切边进行了倒角处理。所以可排除因导叶端面间隙过小，导叶动作阻力增大导致的剪断销断裂的情况。

导叶止推装置间隙检查：导叶止推装置主要用于限制导叶向上的浮动量，间隙过小会导致导叶向上浮动时，拐臂抗磨板与止推装置产生挤压。间隙过大会导致导叶向上浮动时，导叶上端与顶盖贴合动作时产生摩擦。所以导叶止推装置间隙需适中，一般在0.1～0.3mm 间。不管间隙过大或过小均会使导叶拐臂转动过程中受到的摩擦阻力增大，从而使剪断销剪切力增大剪断。对止推端面间隙进行复测，间隙均偏设计值上限,导叶不存在卡阻或摩擦现象，可排除导叶止推装置间隙超标导致剪断销受力增大剪断情况。

控制环抗磨板及侧瓦检查：控制环抗磨板损坏，侧瓦间隙过小，均会导致控制环在动作过程中摩擦力矩增大，从而增加剪断销作用力。对控制环抗磨板进行了完好性及磨损量检查，均在合格范围内。对侧瓦间隙进行复测，间隙较均匀，未发现挤压接触情况。所以可排除因控制环阻力过大，导致剪断销剪切力增大断裂现象；接力器压紧行程检查：导叶压紧行程过大，会导致剪断销在机组停机状态一直受力。长期如此剪断销可能会出现金属疲劳，从而导致寿命减短、易断裂。对三台机组压紧行程进行测量，1号机组主、副接力器压紧行程均为10mm左右，超出标准要求的5～7mm，2、3号机组满足标准要求，对1号机组压紧行程进行了调整，满足标准要求。

接力器水平及平行度检查：接力器水平或平行度偏差较大，在控制导叶动作时，将会使控制环横向或轴向受力，在控制环动作过程中引起跳动或与侧瓦挤压，导致剪断销在动作过程中受轴向分力及冲击力等。将接力器活塞杆全开后用水平仪及内径千分尺检测水平及平行度，均在合格范围内，所以可排除由于接力器水平或平行度超标导致剪断销受力增大所致；接力器与控制环高差检查：接力器与控制环大耳孔处存在高差，会导致控制环在动作过程中轴向受力发生跳动，导致剪断销在动作过程中受轴向分力及冲击力等。用水准仪及水平尺对高差进行检查，虽存在高差，但已用铜垫板等对叉头连接处进行了调平，不存在轴向受力情况。

导水机构限位块间距检查：导水机构在全开及全关位置均设置有限位装置，正常情况下均有5～7mm 间距。如间距过小发生接触，就会使剪断销一直受力出现疲劳破坏寿命减短而断裂。在导叶全关及全开位置进行间距复测，间距均在设计范围内，未有接触或碰撞现象；连板水平检查：连板水平超差，会直接导致拐臂受轴向分力，从而直接加大了剪断销综合受力。用水准仪及水平尺对连板进行水平检查，均在合格范围内。与拐臂及小耳孔连接处均用铜环进行了高差调节。

2 第二阶段的检查分析处理

经过了第一阶段的排查及治理，2018年2月1号机组2号剪断销再次剪断，对2、3号机组剪断销进行排查也发现了不同程度的剪断销裂纹缺陷，综合第一阶段的排查结果，及本次三台机组剪断及裂纹情况，判断可能由导水机构受力过大、导水机构长期受冲击应力、剪断销材质选型及设计剪断力偏小所致，随即便开展了第二阶段的剪断销断裂检查分析处理。

导水机构整体受力检查：在调速系统无水建压过程中，将压力建到0.5MPa，操作导水机构动作。导水机构均动作平稳正常，可排除因活动导叶铜止水设计挤压力过大、轴套间隙过小等设计原因引起导水机构整体受力过大导致。

导叶开关机时间检查：因在开关机或调整负荷时动作较快，会导致剪断销在改变状态时，受瞬间冲击载荷较大导致产生裂纹缺陷或断裂；对开关机时间参数进行检查，均满足调保计算要求，且均偏调保计算上限值。现场调速系统采用的功率调节模式，负荷调整瞬间动作快慢与负荷调整量大小相关，但调整速率均不会超过开关机时速率。所以可排除导叶瞬间调节过快导致剪断销受冲击载荷较大产生裂纹或断裂。

表1 剪断销化学元素测试结果

剪断销质量缺陷检查：剪断销规格Φ50×145mm，材质为45钢，通过图纸计算剪断销中部缺口处最小单边保障厚度为7.25±0.1mm，硬度＜229HB，设计剪断力为334kN。因3台机使用的均为2015年更换同批次剪断销，所以对同批次随机抽取4个样品进行了外观检查、尺寸测量、材质分析、硬度分析、破断力测试。#1～#4缺口尺寸测量的最大值、最小值分别为8.0/7.1、7.8/7.1、6.3/5.9、6.2/6.0。#1～#4剪断销硬度（HB/HLD）测试结果平均值分别为222、190、216、223。#1～#4破断剪切力测试结果分别为295、286、276、297。

从外观检查V 型槽两边斜面发现加工精度不高，表面粗糙度大。有效载荷截面厚度仅7mm 左右，有效厚度较小，同一剪断销载荷截面厚度偏差较大。化学元素检测结果表明剪断销各元素成分符合35CrMo 材质，与45号钢材元素成分不符。硬度值在190～226之间，符合45号钢＜229HB 的基本要求。破断剪切力检测均小于设计值334kN。再结合检修情况，本批次剪断销均为2015年采购更换同批次，极有可能是造成3台机频繁剪断和出现裂纹的主要原因之一。

拐臂摩擦装置受力检查：因每块导叶所受的力矩分别由导叶摩擦装置和剪断销承受。导叶摩擦装置由主拐臂末端夹套与锁紧螺栓组成，通过对锁定螺栓对夹套进行紧固从而增大主拐臂与导叶轴的摩擦力矩，因此摩擦力矩主要由摩擦装置锁定螺栓的把合力大小决定，若螺栓未按设计要求预紧（设计：1000N·m）则摩擦力变小，反之剪断销所能承受的力则变大，超出剪断销的设计剪断力则剪断销剪断。现场对剪断销锁紧螺栓紧固情况检查发现其明显松动，用扭力扳手检测，均达不到1000N·m 扭矩。因此判断导叶主拐臂末端锁紧螺栓松动扭力矩不够导致主拐臂与导叶轴间摩擦力矩减小，剪断销受力增大。也是造成3台机频繁剪断和出现裂纹的主要原因之一。

根据排查的结果明确剪断销断裂的原因为剪断销加工质量粗糙，力学性能不达标及导叶拐臂摩擦装置预紧力矩偏小，随即在2018年4月对剪断销全部进行了重新设计更换并对摩擦装置锁紧螺栓也全部进行了扭力紧固。

3 第三阶段的检查分析处理

经过了第二阶段的剪断销分析处理后，经过半年的运行观察，1号机组3号剪断销再次出现剪断情况，对三台机组其他剪断进行无损检测正常，说明前期的治理工作是有效的，综合对比往期剪断销的剪断情况，发现1号机2、3、20号导叶剪断销断裂频次较高，可能属于个性问题，随即对1号机组2、3、20号剪断销剪断问题进行了针对性专项结构分析。

顶盖与底环导叶孔同心度检查：顶盖与底环导叶孔同心度超差，会导致导叶在动作过程中憋劲，从而使导叶动作力矩增大，剪断销剪断或产生裂纹。因未大修，直接测量顶盖与底环导叶孔同心度较难，通过将连板拆卸后采用人工利用专用工具转动导叶的方法进行检查，检查发现手动可实现自由转动，未发现受力较大或憋劲等现象，可排除顶盖与底环导叶孔超差较大等现象。

导水机构结构件检查：在对导水机构结构件进行排查中发现其因制造安装等原因，2、3、20号导叶连板为定制连板，较同台机其他连板均长20mm左右，且拐臂与连板连接偏心销已无调短余量。导致在导叶关闭过程中，2、3、20号导叶最先关闭，虽较其他导叶优先量不大，但使其在带压紧时受力最大。在其他同等条件下，此剪断销受力最大，最易产生裂纹及断裂，此可能为2、3、20号剪断销较其他导叶更易产生裂纹之一。综合考虑现场，在重新调整导叶立面间隙后，经设计单位核算同意后，将2、3、20号导叶摩擦装置锁定螺栓的把合力矩增加到1200N·m，将剪断销承受力矩转移部分到抗磨装置上，从而减小剪断销受力。

剪断销销孔检查：剪断销销孔应与剪断销紧密配合。配合不紧密，在受力过程中会使剪断销承受轴线分力而受力过大产生裂纹或断裂。在无水压将剪断销拔起过程中，发现起升力较小就可将剪断销拔出。拔出后检查销孔尺寸较设计尺寸偏大，剪断销与销孔配合不紧密。此可能也为2、3、20号剪断销较其他导叶更易产生裂纹的原因之一。对其他导叶剪断销进行检查未发现类似现象。结合现场实际情况，定制一批尺寸稍大剪断销，对配合不紧密的剪断销进行了更换。

4 结语

经过上述三个阶段的检查、分析、处理，至今设备已运行三年，未再发生剪断销剪断及裂纹情况，治理情况显著，剪断销剪断问题得到了解决。