水电站混流式机组剪断销剪断原因分析及处理

杜明远，侯 强

（四川久隆水电开发有限公司，四川 成都 610000）

1 概述

某水电站位于四川省甘孜藏族自治州九龙县境内，为河流“一库两级”梯级开发方案中自上而下的第二梯级。电站设计引用流量30.9 m3/s，额定水头412 m，装设2 台由杭州力源发电设备有限公司设计制造，单机容量为55 MW 的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量110 MW。

电站机组自2010 年10 月投运以来，运行期间一直存在导叶剪断销动作剪断的问题，一定程度上影响到电站机组的安全稳定运行。

2 运行情况及原因分析

2.1 机组导叶结构情况

该水电站水轮发电机组设计活动导叶23 个，导叶传动机构由导叶拐臂（导叶摩擦装置、剪断销）、导叶连板、调速环组成。导叶传动机构保护装置是由导叶摩擦装置与剪断销交叉布置[1]，其中导叶剪断销11 个，摩擦装置12 个，具体结构见图1。

图1 机组导叶布置图

2.2 剪断销设计变更情况

2013 年电站向水轮机设计厂家发函提出剪断销易剪断，且剪断销剪断时导叶位置不固定，检查发现剪断销动作时各导叶的灵活度不一致，经厂家分析得出结论为剪断销疲劳剪断，经核算将剪断销设计剪切力提升至1.5 倍，即62 kN。

更换调整剪切力的剪断销后，机组剪断销仍然出现剪断的情况，2016 年经咨询设计厂家再次将导叶剪断销剪切力调整至1.65 倍，即68 kN。

2.3 剪断销动作剪断情况

据统计，该水电站2 台机组剪断销剪断在2019年2 月~2022 年3 月期间剪断频次尤为频繁，共计17 次，均为运行过程中导叶开关时剪断，通过拆卸下来的剪断销断口分析，所有剪断销都有旧的疲劳剪断痕迹，最后断裂时的截面均不是全截面，发现旧痕迹最大的剪断销占整个截面的4/5 左右，表明剪断销并不是一次性应力剪断，而是存在长期应力疲劳，并且每一次剪断的剪断销均无规律，重复现象极少，剪断销断面情况见图2。

图2 剪断销断面照片

2.4 剪断销剪断[2]综合原因分析

（1）导叶间有杂物（如木块、树枝），导叶在开、关过程中将剪断销剪断；

（2）导叶连板，上、中、下轴套安装时倾斜度过大,水平度不满足要求，导致导叶动作时力矩过大剪断；

（3）导叶上、下端面间隙不合格,导致导叶卡阻造成剪断；

（4）剪断销使用时间较长或操作频繁,使剪断销产生应力疲劳剪断；

（5）剪断销质量不符合要求，剪切力未达到设计要求。

3 结合现场检查情况分析

（1）电站在每次剪断销剪断后进行处理时发现，对应导叶实际位置在水流冲击下已达到全开状态，并且单人能利用工器具转动导叶，剪断销更换完成后导叶开关正常，结合开关导叶都有剪断销剪断的情况，说明导叶间存在异物卡塞的情况可能性较小。

（2）机组检修期间对导叶接力器、控制环、连板的安装情况进行复测，发现传动机构各部件安装均满足规范要求。

（3）2 台机组导叶端面间隙值满足设计要求，且每次对机组导水机构检查时未发现机组顶盖、底环抗磨面与导叶端面有明显的摩擦和拉伤现象。虽然部分导叶存在轻微倾斜情况，但从多年的导水机构检修和日常维护检查情况来看，导叶剪断销没有因导叶倾斜或者导叶套筒偏心，造成该导叶剪断销重复频繁剪断的情况。

（4）目前电站机组长期处于流域AGC 控制、一次调频投入，调速器动作频次较以往频繁，加上之前导叶剪断销更换周期不定，剪断销为机械应力零件，强度会因使用年限和动作频次产生疲劳，是剪断销剪断的一个主要原因。2023 年6 月，电站将运行约1 年的导叶剪断销抽样外送进行剪切力试验校核，发现使用后的剪断销剪切力比设计剪切力减小约10 kN，也进一步印证了机械疲劳导致剪切力下降的观点。

（5）剪断销的质量检查具有隐蔽性，在常规检查中难以发现。2021 年7 月电站将新购的1.65 倍的剪断销抽样进行外送做剪切力实验，发现样品的剪切力最大的为30.5 kN，最小的仅只有12 kN，远小于剪断销的设计剪切力68 kN。剪断销质量不合格也是频繁剪断的一个原因。

结论：经过总结多年的日常运维和检修情况，电站对以上可能原因进行了对比分析，最终得出结论为：2019 年2 月~2022 年3 月近3 年的时间内，电站采购的剪断销未达到设计应力要求，其剪切力未严格按照原水轮发电机厂家要求进行设计和加工，加上剪断销在过长的使用周期范围内出现应力疲劳、强度下降，从而出现无规律的随机动作剪断的情况，是剪断销剪断的主要原因。

4 改进措施

（1）采购剪断销时，要求厂家提供剪切力试验报告，必要时抽样送第三方检测，确保剪断销剪切力符合要求。

（2）针对剪断销剪切力疲劳下降的情况，制定每年检修周期对剪断销进行更换的计划，确保剪切力达到设计值要求。

（3）机组检修期，须严格对机组导叶连板、连板轴套、导叶轴套、控制环、接力器以及导叶端面间隙的数据情况进行测量复核，防止因安装不规范，导致导叶动作应力过大。

（4）检修期复核机组调速器压紧行程，确保调速器压紧行程不超规范要求，避免机组停机关闭导叶时，接力器油压操作力矩过大，造成剪断销应力疲劳。

（5）在运行期对导水机构进行检查时，使用塞尺对活动导叶端面间隙进行测量复核，发现底环和顶盖抗磨面存在高点、毛刺的时候，须进行打磨处理，对端面间隙不符合规范要求的，必须进行调整。

（6）及时对大坝隧洞进口拦污栅进行清理，防止漂浮物从拦污栅进入蜗壳及导叶,发现拦污栅栅条有损坏时应及时进行修复，避免机组运行中杂物进入流道，造成导叶卡阻。

通过以上改进措施，电站从2022 年检修期后，机组安全稳定运行，至今未出现过剪断销剪断的情况。

5 结语

该水电站剪断销非正常剪断分析处理时间线较长，也是通过多年摸索、排查，在这过程中也总结和吸取了许多的经验，这类问题发生的原因有很多，具体情况必须具体分析，该水电站剪断销这个问题能够得到彻底处理，可为同类电站提供一些解决问题的思路和办法，提供一个成功的参考示例。