摘要：本文主要介绍了土谷塘水电站1#机组桨叶不能全开故障情况，通过对机组转轮螺栓受力分析及设计计算，对桨叶不能全开故障进行原因分析，并提出了1#机组转轮永久处理方案。
关键词：水电站；桨叶；转轮；螺栓
1.电站概况
土谷塘航电枢纽工程位于湘江衡阳市上游39公里的衡南县云集镇，是《湘江干流航道发展规划》八个梯级中开发建设的最后一级，也是交通运输部和湖南省“十二五”利用亚行贷款的重点内河建设项目，以航运为主，兼有交通、发电、灌溉和供水等水资源综合利用项目，主要建筑物包括船闸、泄水闸、电站、鱼道及相关设施。其中船闸工程为三级航道标准，设计年通过能力1420万吨，电站装机4台，总装机容量9万千瓦，设计水头为5.8m，设计最大发电量3.62亿千瓦时，项目总投资约29.54亿元，总工期50个月。作为省委、省政府建设“东方莱茵河”战略重点的基础设施项目，工程建成后，可消除湘江中游的“瓶颈”航道，使国家规划的湘江高等级航道增至为585公里，对连通长江水系，实现干支直达，江海联运，优化湖南交通运输结构，改善湘江流域环境，充分发挥水运绿色、低碳、环保、运量大、运输成本低等优势具有十分重要的战略意义。土谷塘航电枢纽船闸于2014年12月16日正式通航，首台机组（1#机组）于2015年12月23日正式并网发电。2016年10月11日四台机组全部并网发电。
土谷塘水电站水轮发电机组由东芝水电设备（杭州）有限公司生产，发电机型号为SFWG22.5—80/7980型发电机。水轮机型号为GZ（TB5012）-WP-730。
2.1#机组桨叶不能全开故障情况介绍
2018年5月6日，土谷塘水电站1#机组出现负荷加不上，桨叶开度在79%时开度无法再加大，且压油槽保压时间缩短为9分钟（正常在40分钟左右）故障现象。经停机检查，现地纯手动方式操作桨叶开关五次，每次均只能开至80%，桨叶全开全关时间分别为25.5s和23.8s，比2017年组检修时测定的34.36s和30.81s均明显偏小。
发现这一情况后，土谷塘航电枢纽分公司立即组织运行、维护人员进行分析讨论并将相关情况反馈给东芝水电设备（杭州）有限公司。东芝水电技术人员到现场进行了检查及分析，建议对1#机组流道进行排水，以便进一步检查。
2018年5月22日开始对1#机组抢修，沉放机组进尾水检修门，进行流道排水检查。5月26日在进行盘车检查桨叶根部间隙时，发现轮毂内部有金属滑落撞击声。28日经轮毂排油，拆除泄水锥后发现活塞杆与轮毂体的连接螺栓松动，脱出90mm左右，顶到接力器缸体导致桨叶不能全开。如彻底处理该故障则需1个月时间以上，考虑到湘江正处在丰水期，为尽快恢复1#机组运行，经与东芝厂家协商并请示集团公司同意，采用临时处理方案（对1#机组活塞杆与轮毂体的把合螺栓点焊进行临时固定）恢复机组运行，待枯水期机组检修时再彻底处理。
3.故障原因分析
3.1转轮活塞杆与轮毂体连接螺栓（M140×6螺栓）受力分析及设计计算
上图为土谷塘水电站机组转轮装配示图，在进行转轮体与活塞杆连接螺栓3-M140×6的计算时，仅仅考虑将桨叶接力器操作力全部由转轮体与活塞杆连接螺栓来承受，这时不考虑转轮体与上部泄水锥连接螺栓18-M48×4、上部泄水锥与活塞杆连接螺栓4-M64×4可能承受的部分水流方向的轴向力，也不考虑接力器缸运动时实际上连杆机构作用在叶片拐臂并可能传递至转轮体外轴套的水流方向轴向力。显然，以这样的方式进行3-M140×6螺栓设计计算的结果是更加安全的。另外，从上图可以看出，在桨叶开启和关闭状态时M140×6螺栓的受力情况为：在操作桨叶接力器开启桨叶时，桨叶接力器缸向上游侧（向左）移动，活塞受到向下游侧（向右）的油压操作力而使转轮体与活塞杆连接螺栓受到轴向拉伸力，即3-M140×6螺栓将受力而产生伸长；在操作桨叶接力器关闭桨叶时，桨叶接力器缸向下游侧（向右）移动，活塞受到向上游侧（向左）的油压操作力而不使转轮体与活塞杆连接螺栓受到附加轴向力，即此时活塞杆因活塞受到的向上游侧的作用力，此时作用在3-M140×6螺栓上的力为0，由此引起的螺栓伸长量为0。
根据上述原理，可进行转轮与活塞杆连接螺栓3-M140×6×870的设计计算，计算说明详述如下：
以上计算结果及相关说明可以看出，机组厂家东芝水电所设计的螺栓、螺母是合适的，能满足机组各运行状态下的受力要求，设计是合适的。该类似设计计算方法已成功应用于东芝水电已有灯泡贯流机转轮体与活塞杆连接螺栓设计中。
3.2工厂安装及相关情况介绍
1#机桨叶故障发生后，机组厂家东芝水电对1#~4#机M140×6螺栓的工厂安装及相关情况进行了细致的调查，结果表明：
1）所有M140×6螺栓机械性能及化学成分均满足设计要求。
2）设计要求M140×6螺栓采用液压拉伸测量伸长量的方法进行螺栓预紧，实际安装时采用电加热测量螺母转角的方式进行螺栓预紧。电加热方式也是东芝水电目前的灯泡贯流机组的转轮体与活塞杆连接螺栓预紧的常用方法，其设计人员认可此螺栓预紧方法。
3）检查厂内的M140×6螺栓原始安装记录，未发现明显异常情况。
4）土谷塘水电站1#机组出现了一个M140×6螺栓脱出约90mm的故障，经过再次调查确认这在机组厂家东芝水电所有灯泡机组中还是首次，其它电站机组都未出现过。
3.2螺栓脱出原因分析
根据现场出现的故障情况分析，设计要求采用液压拉伸器预紧螺栓，并采用直接测量螺栓伸长量的预紧方法对螺栓预紧；而当时M140×6液压拉伸工具已发货至土谷塘水电站，因此机组厂家东芝水电采用了原常用的电加热器加热，并测量螺母转角的方法预紧。尽管理论上两种方法均可，但控制的精度可能会存在差异，主要采用螺母转角方法时初始螺母角度的确定可能因操作人员实际经验有异。
从螺栓螺母较松的情况看，机组厂家东芝水电认为可能是该螺栓在工厂预紧时控制不到位，桨叶接力器反复操作，螺栓受到拉伸长较大，导致螺栓连接出现松动情况。
4 处理方案
根据东芝水电设备（杭州）有限公司出具的永久处理方案，主要步骤如下：
1）首先将转轮吊装至现场安装间，并拆出转轮中的轮毂供油管，再利用转轮翻身工具，将转轮翻身至上泄水锥侧朝上的状态。
2）利用电磨或者风动铣刀去除作为临时方案固定用的焊点（止动块、螺母与螺杆），利用液压拉伸器对M140×6螺杆进行拉伸（由于此螺杆螺母点焊后可能无法退出，可进行破坏拆除），同时检查其余两只螺栓有无松动情况，并拆出这两只螺栓。
3）更换1件活塞杆把合螺栓螺母，进行3只M140×6螺栓回装：利用液压拉伸器按图力矩进行对3只M140×6螺杆进行拉伸（3只螺栓均预先装好测长杆），到位后利用塞尺检查活塞杆与装轮体之间的间隙不得超标，止动块利用氩弧焊进行点焊，清除转轮内腔杂物。
4）清整接力器缸，缸体上O型密封圈事先组装好，涂抹凡士林固定。行车吊住接力器缸利用手拉葫芦调平，缓慢对准活塞杆并与装轮体处平行状态。待上述作业结束后利用千斤顶顶住桨叶反向用力把缸体拉入转轮体，（此作业过程要三只千斤顶同步进行，不得出现偏差，并对缸体套入活塞杆的过程进行全程监控，防止O型密封被剪切）缸体内利用面粉进行二次清洁，确保内腔无杂物后涂抹润滑油吊装活塞对准十字线（原活塞密封不拆除）入缸体内，依次组装卡环—活塞杆轴套---接力器缸盖。
5）接力器缸充油，进行密封检查，观察密封漏油情况，无异常泄漏情况则进行下一步作业。接力器缸密封装配时就特别注意：所装密封圈必须完好，装配时必须避免损伤。
6）先组装上部泄水锥，再组装下部泄水锥及泄水锥盖。组装完毕后，先按转轮装配中的技术要求第4条进行叶片密封试验。
7）进行转轮体和泄水锥压力试验（密封试验）。
5 结束语
土谷塘水电站1#机组转轮体与活塞杆连接螺栓松动导致桨叶不能全开故障，系土谷塘水电站正式投产发电以来出现的一次比较重大的设备故障，对机组安全稳定及经济运行工作都产生了一定的影响。本次故障系东芝水电生产的所有灯泡机组中的首例。发现这一故障后，东芝水电高度重视，多次组织专题技术讨论会进行分析，并派技术人员来现场指导故障处理工作。2018年10月25日，1#机组检修工作全部完成并顺利投产发电，彻底消除了设备安全隐患。2#、3#、4#机组转轮体与活塞杆连接螺栓也将按照1#机组永久处理方案进行处理，充分做到“举一反三”、“防范于未然”。
论文作者:刘兴斌,张程辉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/3
标签：螺栓论文; 桨叶论文; 机组论文; 转轮论文; 活塞杆论文; 东芝论文; 湘江论文; 《电力设备》2019年第1期论文;