灯泡贯流式机组桨叶操作油管防断裂问题研究

湖南五凌哈电能效科技有限公司 王 佩

某电厂位于湖南省沅水干流上，是沅水梯级开发的重要水利枢纽工程，具有发电、防洪、航运、灌溉等综合利用效益。电厂共安装有6台灯泡贯流式三相同步发电机，机组单机额定出力45MW，总装机容量270MW，采用一级220kV 电压等级接入系统。2003年12月一期5台机组全部投产，2005年7月＃6机组投产发电。机组最小水头8.4m，额定水头20m，最大水头27.3m[1-2]。2017年7月，电厂6号机组运行过程中桨叶操作油管发生断裂。

1 事件过程

事件发生前，电厂上游水位187.05米，下游水位164.46米，220kV 线路、1-3号主变正常运行，1-6号机组并网运行，机组总负荷为180MW。其中电厂6号机组带负荷30MW 运行时，运行人员发现机组调速器油泵启动间隔时间异常缩短，且加载过程中备用泵同时启动。电厂立刻申请对6号机停机检查，其中停机过程中发现，桨叶开度达到36.5%后就不再动作。停机后尝试手动操作桨叶，开、关操作桨叶均未动作，操作时，压力指示显示桨叶开、关腔操作油管无压差，初步判断为桨叶操作油管断裂。后续对受油器解体检查发现，机组操作油管中管第4节距下游法兰395mm 处断裂。

2 原因分析

结合操作油管断裂位置，断面情况以及相关检测试验，电厂操作油管断裂的原因主要有以下几点：

2.1 结构设计不合理

受早期加工能力限制，电厂的操作油管为三段式结构，在距操作油管上、下游法兰395mm 处各有一道拼接焊缝，为3根不同壁厚的钢管对焊，两端的钢管再分别与密封法兰拼焊制成，这种结构设计造成了油管对接焊缝过多，存在较大的安全隐患。且变径处焊缝为整根油管的结构最薄弱处，结构强度偏低[3]，本次断裂位置也正好是焊缝位置。原操作油管的示意图如图1所示，图中圆圈即为焊缝。

图1 原桨叶操作油管焊接结构图

2.2 焊接工艺不良

早期电厂对操作油管接焊缝的检测手段主要为UT 检测，但实践证明，不同壁厚管道的拼接焊缝对UT 探伤有一定干扰，对焊缝缺陷难以做出准确判断。后续电厂结合射线探伤结果分析发现，电厂操作油管对接焊缝的焊接工艺普遍存在缺陷，主要有以下几点：操作油管对接焊缝为单面焊、双面成形，焊缝背面并未完全熔合，焊缝不饱满，存在未焊透现象；操作油管法兰面外层焊缝未倒坡口，焊缝单薄，并且存在焊接缺陷。法兰和油管的端面焊接处，有焊接应力，即使做了去应力处理，但肯定会还有残余应力，另外焊接热影响区域的金相组织也会有变化[4]。因此此处的内应力很难完全消除。

2.3 机组运行工况不良

电厂灯泡贯流式机组设计的最大运行水头Hmax 为27.3m，额定水头Hr 为20m，最小运行水头Hmin 为8.4m，其中(Hmax-Hmin)/ Hr 达到94.5%，一般要求水头变幅(Hmax-Hmin)/ Hr 不超过40%，过大的水头变幅也造成机组经常运行于非最优工况，引起电厂机组效率特性及能量特性等变差，特别是在低水头下振动[5]。事故发生前的汛期，电厂经历建厂以来第二大洪水，机组运行水头已低于10m，振动及摆度增幅明显，机组运行状况较差。

且由机组振动摆度数据分析报告可知，排水环、水导等部位受水头影响较大，当机组水头降低时，振动、摆度等数值均会出现较大幅度的上升，在机组运行过程中产生的振动和交变应力作用下，很大程度上加剧了操作油管的疲劳，焊接缺陷逐步向外扩展，最终导致6号机组操作油管发生断裂。

3 处理措施

3.1 操作油管改造

针对操作油管存在的问题，电厂组织对操作油管结构进行优化。一是将操作油管从三段式结构改为整管结构，减少两条中间对接焊缝，仅保留角焊缝，避免了对接焊缝处结构强度偏低和容易造成应力集中的问题，消除了操作油管发生断裂的安全隐患。改造后的操作油管如图2所示。

图2 新桨叶操作油管结构示意图

同时，为彻底消除焊接工艺问题可能导致的焊缝强度偏低的问题，改造时将法兰部位的焊接方式接改为插装式焊接，两管插装部分为过盈配合，插装部分承担了操作油管的主要受力，从而弱化了焊缝的受力功能，进一步提升了操作油管的结构刚度。

3.2 操作油管安装

基于常规UT 探伤在操作油管焊缝上应用时准确度有限的问题，电厂新操作油管安装前统一采用射线探伤，彻底消除焊接工艺问题带来的安全隐患[6]。安装时，应重点关注操作油管的摆度，通过安装百分表监视，必要时对操作油管进行调整或对局部高点研磨，确保电厂操作油管摆度符合安装说明书的要求，即外操作油管摆度≤0.07 mm、中间操作油管摆度≤0.07 mm、内操作油管摆度≤0.10 mm。

3.3 运行优化研究

针对机组在低水头下效率特性及能量特性等变差，振动大幅上升的问题，电厂开展了大容量灯泡贯流式机组低水头运行工况优化研究，采用理论计算与现场试验相结合的方式，通过对比调速器国产化改造机组及调速器国产化未改造机组运行数据，分析调速器国产化改造机组低水头、大负荷情况下机组振动上升、效率下降原因。并通过对国产调速器协联关系曲线的优化，抑制了协联关系不匹配水力因素的影响，解决了采用其运行工况急剧恶化的问题。

3.4 加强运行监视

电厂通过优化机组运行方式，尽量避开机组振动区域运行，降低操作油管发生疲劳断裂的可能性。同时电厂后续对监控数据分析发现，事故发生前，机组的受油器、操作油管和水导的振摆均有明显的上升的趋势，因此运行过程中密切关注机组振摆装置在线监测数据，并定期对数据进行分析，严格控制机组各部件振动、摆度在允许范围之内，也是预防操作油管断裂事故发生的有效手段。

综上，桨叶操作油管是连接受油器与桨叶接力器的重要部件，通过它把受油器过来的压力油输送给桨叶接力器，用以操作桨叶动作。当水轮机运转时，操作油管随大轴一起旋转，同时桨叶接力器行程反馈的回复管随桨叶接力器做轴向运动，并在受油器端指示桨叶的转角或行程。机组运行中，桨叶操作油管如果发生断裂需要停机检修处理，机组长时间不能运行，将造成大量的发电量损失。此外，断裂时将导致机组发生剧烈振动，可能导致其他设备发生损坏，断裂后压力油泄露，还可能引发严重的环境污染事件。