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抽水蓄能机组小导叶接力器端盖螺栓运维研究杨恒

发表时间：2020/1/3 来源：《云南电业》2019年8期作者：杨恒

[导读] 对非同步导叶接力器端盖螺栓的断裂进行了失效分析。

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。

        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。

        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。

             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