杨恒
（湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司 湖南长沙 410213）
摘要：对非同步导叶接力器端盖螺栓的断裂进行了失效分析。通过受力分析以及金相试验、光谱分析、硬度检查、拉伸检测等，探讨了非同步导叶接力器端盖螺栓断裂的主要原因，并结合实际运行情况提出了相应的预防措施。
关键词：非同步导叶；断裂分析；预防措施
1 背景
某抽蓄电站安装4台单机容量300MW的单级立轴混流可逆式机组，。机组在发电工况低水头并网过程中，导叶空载开度相对较大，机组转速升至额定转速时容易进入“S”不稳定区，导致转速波动很大无法保持稳定并实现并网。为解决该问题，该电站设置了一套非同步导叶装置（20个导叶，其中6个为非同步导叶），当机组转速上升至70%额定转速时，非同步导叶开启，由于导叶在较小开度时避开了“S”不稳定区，转速能稳定上升至100%额定转速成功并网，但非同步导叶开启后导水机构及顶盖振动较大，多次发生非同步导叶接力器端盖螺栓断裂问题。
2 非同步导叶接力器布置简介
以某抽蓄电站非同步导叶接力器为例，如图1所示：4号、5号、6号、14号、15号、16号为非同步导叶，其中4号、14号导叶非同步角为10°，其余4片导叶非同步角为22°，转速在70%额定转速之前，导叶一起动作；当机组转速上升至70%额定转速时，非同步导叶投入，非同步导叶的机械开度比其他导叶开度大相应的非同步角度，当导叶开度达到36%时，非同步导叶退出，20片导叶开度一致。非同步导叶的操作源由两台油泵及三个16MPa蓄能罐提供，根据水头选择投入4片或者6片非同步导叶。
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图1 非同步导叶接力器布置图
3 非同步导叶接力器端盖螺栓受力情况分析
如下图2所示，非同步导叶投入时，控制环及连板相对不动，接力器有杆腔给油，无杆腔排油，接力器活塞杆收回缸体内，导叶形成非同步角。机组并网带负荷后，导叶开度大于28%时，接力器无杆腔给油，有杆腔排油，接力器活塞杆全部伸出，非同步导叶退出，此时接力器及活塞杆形成硬连接（相当于一个连板），使导叶保持在同步状态。导叶在水力作用下，导叶开度有形成非同步角的趋势，即活塞杆有来回动作的趋势，有杆腔缸盖螺栓频繁加载、卸载，造成螺栓疲劳断裂。
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图2 非同步导叶接力器结构图
4 非同步导叶接力器端盖螺栓理化性能试验
4.1 某抽蓄电站非同步导叶接力器端盖螺栓规格为M30×2×200，材质锻钢34CrNiMo，性能等级10.9级，对该端盖螺栓拆卸取样化验，其中未断裂螺栓两个，编号为1、2号样，已断裂螺栓三个，编号为3、4、5号样。
4.2 非同步导叶接力器端盖螺栓宏观检查：对断口宏观外貌进行观察，螺栓断口形貌断口较平整、粗糙，可见闪亮小刻面，为典型的脆性断裂。在断裂螺栓边缘处发现有裂纹源如下图所示，裂纹源附近平滑，断口具有疲劳特征。从断口的宏观外貌判断，裂纹是从边缘处萌生并向内扩展，当裂纹扩展至一定尺寸后，单位面积承载的强度超过材料的抗拉极限，使得最后在终断区部位瞬间断裂。
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图3 螺栓断口
4.3 金相分析：对试样进行金相试验，金相组织为回火索氏体，组织正常（如图4、图5所示）。
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图4 未断螺栓金相组织 图5 已断螺栓金相组织
4.4 光谱分析：对试样进行光谱分析，材料成分中C和Mn元素含量不符合EZB1184-2002《合金结构锻件技术条件》成分要求（如表1所示）。材料的化学成分中C含量及各种合金元素含量的高低直接影响到零件热处理后的各项力学性能指标，其中C元素能提高零件强度，尤其是热处理性能，但随着C含量的增加，塑性和韧性下降，Mn元素能提高零件强度，并在一定程度上提高可淬性。即在淬火时增加了淬硬渗入的强度，Mn元素还能改进零件表面质量，但太多的Mn对零件延展性不利。
表1 螺栓光谱分析
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4.5 硬度检查：对试样进行硬度检查，所得硬度值符合GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》规定要求。
4.6 拉伸试验：对试样进行拉伸试验，所得平均抗拉强度、平均屈服强度、断后生产率符合GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》规定要求。
4.7 根据以上试验结果分析螺栓断裂的原因为：螺栓在长期运行过程中产生疲劳源，交变的水力因素导致疲劳源迅速扩展而断裂，螺栓材质不符合标准是断裂的主要原因。
5 预防措施
5.1 根据机组运行强度，加强特巡及隐蔽部位巡视力度，确保机组缺陷消除于萌芽状态。
5.2 螺栓存在超标缺陷或断裂时应进行试验分析，当缺陷是由原材料质量或制造工艺引发时，应对同批次螺栓抽样10%且不少于1根进行全面检测，发现不合格应对该批次螺栓全部更换。同时建议列入技术监督项目，结合机组检修对螺栓进行无损检测，并结合螺栓使用时长及检测结果定期进行更换。
5.3 对接力器结构优化，将接力器无杆腔缸盖与缸体设计为整体如下图所示，取消螺栓连接，消除螺栓断裂隐患。
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图6 原非同步导叶接力器剖面图 图7 改进后的非同步导叶接力器
参考文献：
［1］宋维锡.《金属学》.冶金工业出版社，2008
（上接第110页）
备隐患整治专项行动。一是宣传用户设备隐患专项整治工作的必要性和强制性，从经济角度向企业“算账”解释，故障出门后的设备维修、加装分界断路器、停电停产以及各方法律责任追究的成本损失，讲解“捡了芝麻，丢了西瓜”惨痛教训；二是向企业宣传供电分局结合线路停电协调组织施工力量快速处理隔离开关、跌落式开关和避雷器隐患的工作方案，节约用户带电作业的高昂成本；三是商会、经济联合社或工业园区若可以集结一定数量企业统一更换，可协调施工单位适当价格优惠。
3.2.3联动施工单位
一是壮大力量，向社会宣传用户设备隐患专项整治行动，吸引更多有资质有实力的施工单位参与到行动当中。二是以价换量，用电检查收集到的企业设备更换需求将提供给参与行动的施工单位，以协调施工单位尽量降低施工价格，提升企业参与整治行动的积极性。三是统一指挥，参与施工单位必须服从供电分局的统一指挥，按时接受信息、现场勘查、编制方案、办好工作票、组织好队伍，为“三快”行动做好充足的准备。
3.3促整改
3.3.1用电检查。一是根据计划停电线路提前一个月以上开展用电检查，重点检查隔离开关、跌落式开关和避雷器三类隐患，发出用电检查整改通知，宣传、引导企业参与专项整治行动，收集企业更换需求，汇总后通报至参与行动的施工单位。
3.3.2行动布置。线路停电前一周，组织施工单位统计、布置工作任务，协助施工单位办理有关施工手续，安排供电人员与施工单位搭配现场验收，特别注意的是审查各施工单位的抢修队伍力量是否能够满足在该次停电时间内完成任务。
3.3.3三快行动，即“快速到位、快速检测、快速更换”。线路停电当日，施工单位携带仪表仪器快速到达施工现场，快速对隔离开关、跌落式开关和避雷器三类设备进行现场检测，并向企业经办人现场展示结果，快速更换隐患设备。
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3.4实施关键点：
3.4.1获取政策支持。一是获得“若违反则处罚”的强有力行政手段；二是便于“自上而下”的纵向政策宣传、问题协调及舆论解释。
3.4.2赢取用户认同。一是价格要合理，检测免费，不更换设备不收费，“以价换量”的方式实现多方共赢。二是树立服务体验的先行榜样，轻松解除众多企业对整治行动的疑惑；三是便于“1+N”的横向快速扩大宣传推广，以及问题协调。据统计，商会、经济联合社和工业园区的专变用户达总专变户数的60%以上，获得其支持不仅收获隐患整改成果，还能为推动往后的设备代维打下重要基础。
3.4.3统筹能力要强。一是用电检查整改通知书派发和宣传引导的效率要高，收集的信息要及时汇总发布，保障在线路停电时有足够多的隐患对象可操作。二是审查施工队伍力量要足够大，确保按时按质量完成任务，避免失信客户。
4 成效
4.1隐患整治成效
“联动+三快”行动从2018年第二季度末开始实行至年底，结合计划停电开展专项行动24次，共更换了用户隐患隔离开关、跌落式开关和避雷器等124套，涉及186户，强制停电督促整改更换12户，新增设备代维166户。2018年自行动开展以来，因隔离开关、跌落式开关和避雷器三类设备隐患造成故障出门事件的数量明显比2017年同期大大减少。
4.2联动共赢成果
参与“联动+三快”工作模式的各方也均可共享成果效益，实现共赢：
4.2.1安监分局通过联动扩大了其统筹的安全隐患整改规模，共同分享整改业绩成果。
4.2.2企业以最优惠的价钱最快的效率享受设备的检测、更换，既不影响生产，又避免风险。
4.2.3施工单位既新增业务，而且节约了营销开支，甚至通过这次合作提升了声誉，为其获得企业代维业务打下基础。
5 结论
实践证明，“联动+三快”的工作模式能有效地解决用户设备隐患治理的多种难题，有效防范了用户故障出门，赢得了一定的社会效益和企业管理效益，具有较好的推广价值。
论文作者:杨恒
论文发表刊物:《云南电业》2019年8期
论文发表时间:2020/1/3
标签：螺栓论文; 金相论文; 隐患论文; 施工单位论文; 转速论文; 机组论文; 断口论文; 《云南电业》2019年8期论文;