分享：巨型水轮发电机剪断销研发与质量控制
石国发,邵海波,王学鹏,李春川
(东方电气集团东方电机有限公司,德阳 618000)
摘 要:为获得设计需要的巨型水轮发电机剪断销的剪切力,得到剪切力波动受控的批量剪断 销,通过拉伸试验、冲击试验、硬度试验和剪断销剪切试验等讨论了全尺寸剪断销剪切试验的可行 性,分析了剪切试验时正常剪断和非正常剪断的剪断销材料性能差异,探究了剪断销的剪切力质量 稳定性控制方法。结果表明:控制剪断销料坯的布氏硬度波动,可实现间接控制剪断销剪切强度的 波动;通过试验总结的六步法可达到控制批量剪断销质量和剪切力波动的目的。
关键词:巨型水轮发电机;剪断销;剪切试验;剪切力;硬度
随着中国水电事业的不断发展,大型水电站已 成为水电发展的趋势[1]。随着水轮机组容量的不断 提升,机组的安全和稳定运行显得越来越重要。剪 断销是水机导水机构的受力保护装置,其作用是当 导叶间有异物卡住时保护导水机构及水轮机。剪断 销保护装置通常由剪断销及其信号器组成,其中剪 断销是用来连接导叶传动机构中的连杆和导叶臂 的,信号器则是用来监视剪断销是否剪断。正常情 况下导叶在工作过程中,剪断销有足够强度带动导 叶转动。但当导叶间有异物卡住时,导叶轴和导叶 臂不能动,而连杆在调速器及调速环带动下转动,因 此对剪断销产生剪切力。当作用力增大到正常应力 的1.5倍时,受卡导叶处剪断销被剪断,被卡住的导 叶不再做关闭动作,而其他导叶继续向关闭方向运 动,以起到避免事故扩大的作用[2-4]。 剪断销在电站运行中频繁剪断的事故时有发 生[5-7],剪断销剪断是水电厂较为严重的故障之一。 当剪断销被剪断后,一般需对压力钢管及尾水管排 水后,进入蜗壳检查导叶是否有异物卡住,会花费大 量的时间和人力,直接影响机组正常运行,造成严重 的经济损失。剪断销剪断的次数越多,损害程度越 大;剪断情况越频繁发生,对机组安全、稳定运行的 威胁也越大。 在剪断销设计和安装优良的情况下,剪断销能 否起到保护作用取决于剪断销是否能在规定的剪切 力下剪断。当剪断销本身质量有缺陷或者设计强度 不足时,也可能会由于疲劳损伤等原因而剪断[8]。 因此,进行巨型水轮机组剪断销剪切试验以及控制批量剪断销剪切力的波动是很有必要的。
1 剪切试验原理
剪断销示意图如图1所示。可见剪断销剪切力 的大小取决于剪断销剪切面外径d、内孔径d1 及材 料的剪切强度τb 等3个因素。 理论条件下,将单件剪断销看作均匀材料,材料 剪切强度可经过剪切试验直接得到,或通过力学性 能试验间接估算得到。剪切力 F 与剪切强度和剪 切面积A 的关系为 F =τb ×A =τb ×π× d 2 -d 2 1 4 (1) 由式(1)可见,在内孔径和剪切强度不变的情况 下,剪切力与剪切面外径正相关。剪断销剪切面外 径越大,则剪切力越大。
2 剪切试验现状及方案分析
2.1 试验的必要性
选 在机组设 计 剪 断 销 时,剪 断 销 设 计 剪 切 力 和 用的剪断销材料会根据水轮机组运行工况和机 组结构设计的变化而变化。选用的剪断销材料和 设计剪切力不同,剪断销的剪 切 面 外 径d 和 内 孔 径d1 均会 不 同。要 保 证 按 设 计 尺 寸 加 工 得 到 的 剪断销剪切 力 符 合 机 组 使 用 要 求,在 剪 断 销 尺 寸 设计时,一 般 情 况 下 需 要 进 行 下 面 3 个 步 骤:一, 针对选用的 材 料 进 行 力 学 性 能 试 验,估 算 剪 断 销 剪切面尺寸;二,在保持剪断销内孔径不变的情况 下,根据估算 的 剪 切 面 尺 寸 加 工 出 3 件 剪 切 面 外 径呈梯度增加的剪断销,并进行剪切试验,获得剪 断销尺寸和剪切力的相关曲线;三,根据剪断销尺 寸和剪切力 的 相 关 曲 线,选 择 符 合 设 计 剪 切 力 的 剪断销尺寸。因此剪断销剪切试验是设计剪断销 的必要步骤。 大尺寸安全销实物单面剪切试验是无法用小试 样性能试验替代的[9]。为获得剪断销在设计工作尺寸状态下的剪切力,验证前期估算的成品剪断销剪 切面外径尺寸的合理性,巨型水轮发电机组用剪断 销的尺寸(d 和d1)在进行剪断力试验时不允许尺 寸缩减。因此,有必要完成全尺寸状态下的剪断销 剪切试验。
2.2 试验难点 巨型
水 轮 发 电 机 用 剪 断 销 的 设 计 剪 切 力 约 1700kN,剪切力非常大。笔者了解到东方电机有 限 公 司 及 周 边 万 能 试 验 机 的 最 大 量 程 仅 为 2000kN,仅超过剪断销设计剪切力约17.5%,且从 未测试过如此高的试验力。另外,剪切力试验必须 使用专用的剪断工装。东方电机有限公司剪断销专 用剪断工装示意图如图2所示,为拉剪切剪断销试 验工装。该剪断销工装允许使用的计算最大拉力为 1900kN,仅比设计剪切力1700kN 高出12.0%左 右,设备安全余量较小,工装提前破断的风险较大。 在不对剪断销剪切面尺寸进行比例缩减的情况下, 试验很容易造成试验设备损坏及其附属剪断工装的 断裂破坏。
2.3 可行性分析
根据上述情况 的极限剪切力必须 , 在 测 全 试 剪 巨 切 型 面 水 尺 轮 寸 发 的 电 条 机 件 用 下 剪断销 ,且只 能采用2000kN 的微控电液伺服万能试验机和剪 断工装进行剪切试验。为保证试验的顺利进行,首 先在剪断销材料达到加工成品剪断销的热处理状态 后,对该材料抽样进行一组常温力学性能试验,得到 剪断销材 料 的 规 定 塑 性 延 伸 强 度 Rp0.2、抗 拉 强 度 Rm 、断后伸长率 A、断面收缩率 Z、冲击吸收能量 KV2 和布氏硬度等力学性能参数。然后将力学性能 测试结果交付机组设计者,机组设计者根据力学性 能参数预估出实际剪断销剪切面外径d 和剪断销 内孔径d1,并按此加工剪断销剪切面尺寸。经过上 述步骤之后,笔者预估计算出该批次剪断销剪切力 不会超过1800kN,能够采用东方电机有限公司的 试验工装完成巨型水轮机组全尺寸剪断销的剪切 试验。
3 剪切试验方法
3.1 力学性能试验
3.1.1 试样制备
巨型水轮发电机用剪断销料坯材料为42CrMo 钢,热处理状态为锻后调质处理。从21件剪断销料 坯中随机抽取其中一件料坯并加工一组力学性能试 样,包括两件拉伸试样、两件 U 型冲击试样和一件 布氏硬度试样。 3.1.2 试验方法 根据 GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第 1 部 分:室 温 试 验 方 法 》的 技 术 要 求,采 用 WDW-300型微机控制电子万能试验机,测量规定 塑性延伸强度 Rp0.2、抗拉强度 Rm 、断后伸长率 A、 断面收缩率Z,电子万能试验机的量程为300kN, 测量精度为0.5%;根据 GB/T229-2007《金属材 料夏 比 摆 锤 冲 击 试 验 方 法 》的 技 术 要 求,采 用 PLT302D-3型金属摆锤自动冲击机在室温(23 ℃) 下测量冲击吸收能量;根据 GB/T231.1-2018《金 属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》的技术 要求,采 用 TH608 型 数 显 布 氏 硬 度 计 测 量 布 氏 硬度。 3.1.3 试验结果 剪断销料坯材料的力学性能试验结果如表1所 示。可知试验结果符合剪断销设计图纸对剪断销原 材料力学性能的要求。获得表1数据后,机组设计 者根据表1测得的力学性能参数,估算剪断销剪切 面外径和剪断销内孔径的预设计尺寸。
3.2 剪切试验
3.2.1 试样制备
从上述 剩 余 的 20 件 剪 断 销 料 坯 中 再 随 机 抽 取3件加工剪断销试样。剪断销试样加工尺寸为设 计估算的剪断销预设计尺寸。3件剪断销内孔径尺 寸一致,剪切面外径的预设计尺寸成梯度增加,如 表2所示。 加工后的剪断销试样示意图如图1所示,剪断 销外径D 约为110mm,设计剪切力为1700kN。 3.2.2 试验设备 试验采用微机控制电液伺服万能试验机,其量 程为2000kN,测量精度为1.0%。 试验工装采用东方电机有限公司自制的剪断 销专用剪断工装,其示意图如图2所示,图中 D 为 试 验 套 内 径,该 剪 断 工 装 的 最 大 承 拉 力 为 1900 内 kN。剪切试验 时,将 剪 断 销 放 在 两 试 验 套 ,与两试验套间隙配合。试验过程中,工装的一 端保持不动,另一端随试验机上夹具向上移动,两 试验套随之 分 离,使 其 中 的 剪 断 销 剪 切 面 受 到 拉 剪力而剪断。
3.2.3 试验方法
确认 设 备 和 剪 断 工 装 状 态 正 常 后,分 别 对 1~3号剪断销进行拉剪-单剪试验,测量剪断销的 最大剪切力。 1,2号剪断销正常剪断,3号剪断销在试验过程 中并未剪断,而是剪断销工装破断。 由于工装破断,3号剪断销未完成试验,因此加 工了4号剪断销(剪切面外径d=73.49mm),并重 新加工了一套剪断销工装以继续完成试验。 剪切试验结果如表3所示,可知1,2号剪断销 剪切力接近设计剪切力,而3号剪断销剪切力高于 1号和2号剪断销的约110kN。
3.2.4 试验结果分析
在该试验中,剪断销的剪切面外径增加量 Δd 占剪断销剪切面外径d 的比列很小。如2号剪断销 相对1号剪断销的增幅仅为100%× Δ d d =100%× 0.5 73.5 =0.68%,增幅很小,即当剪断销剪切面外径的 增加量 Δd 较小时,剪切力增加量 ΔF 较小。 分析表3中3件剪断销剪切面外径及剪切力的 变化可以发现,在剪切面外径增加0.5 mm 的情况 下,2号剪断销剪切力相对于1号的增幅为25kN, 3号剪 断 销 剪 切 力 相 对 于 2 号 的 增 幅 至 少 为 110kN,远超理论值。3件剪断销内孔径一致,而在 剪切面外径增量相同的情况下,剪刀力的增幅差距 却很大,由此根据式(1)可推断1号、2号和3号剪 断销材料强度不一致,即τb 不同。
3.3 硬度测试
由于剪断销已经剪断,不再方便进行剪切强度 试验。出于对料坯尺寸和试验成本等因素的考虑, 企业也不可能对每件剪断销进行剪切试验。根据经 验可知,材料强度越高,其硬度也越高[10-11]。因此 用巨型水轮发电机剪断销端部表面布氏硬度来间接 反映剪断销材料的剪切强度。 根据 GB/T17394.1-2014《金属材料 里氏硬 度试验 第1部分:试验方法》的技术要求,采用配备 D型探头的 TH160型里氏硬度计对上述1~4号剪 断销进行硬度测试。有文献表明,检测面经百叶轮 打磨后的里氏硬度试验结果与抛光状态的差值很 小[12],因此,该剪断销表面采用百叶轮打磨至表面 粗糙度Ra 不大于1.6μm。测试结果由硬度计直接 将里氏硬度转换为布氏硬度,多次硬度测试结果平 均值如表4所示。同时,将4件剪断销各加工一件 布氏硬度试样,根据 GB/T231.1-2018的技术要 求,测试其硬度,结果如表4所示。 表4 各剪断销布氏硬度测试结果 Tab 4 Brinellhardnesstestresultsofshearpins 试样编号 1 2 3 4 布氏硬度/HBHLD 316 325 344 361 布氏硬度/HBW 318 324 347 359 可以看出,1号和2号剪断销之间硬度差距很 小,为9 HBHLD,6 HBW;3号剪断销端部表面的 布氏 硬 度 比 1 号 和 2 号 的 高 出 约 20 HBHLD, 25HBW,差距较大;4号剪断销端部表面的布氏硬 度更高,与1号和2号剪断销的差距也更大。
3.4 剪切试验和硬度测试结果分析
根据上述剪切试验结果和硬度测试结果,综合 分析后得出以下结论和推论。 (1)在现有仅支持1900kN 的剪断销工装和 试验机条件下,增补的4号剪断销无法顺利完成试 验。为避免再次破坏剪断工装,造成寿命周期成本 浪费,应立即停止进行该剪切试验。 (2)大尺寸超高剪切力的剪断销剪切试验成本 高,设备破损风险大。在保证实际试验结果有效性 和剪断销剪切力均匀性受控的情况下,若能征得设 计者和客户的同意,适当地减小剪断销剪切试验的 剪切面尺寸,能降低超高剪切力剪断销在剪切试验 过程中对试验机设备和试验工装造成的压力,提高 剪切面尺寸的确认速度和试验效率。 (3)对比表3和表4数据可以看出,1号和2号 剪断销之间硬度差距较小,剪断销剪切力差距也较 小;3号剪断销与1号和2号剪断销之间硬度的差 距较大,剪切力的差距也较大。硬度越高的剪断销, 剪切力也越高,说明剪断销剪切力与硬度之间存在 一定的相关性。 为此,选用不同硬度的42CrMo钢材料,加工成 试样进行剪切试验,试验结果如图3所示。可见随 着材料硬度的增加,材料的剪切强度也随之增加。 根据式(1),在剪切面尺寸保持不变的情况下,剪切 强度增加,剪切力也会随之增加。 可以通过剪断销的布氏硬度来间接反映剪断销 剪切强度,进而反映剪切力的水平。因此,可以通过 控制剪断销的布氏硬度波动来间接控制剪断销的剪 切强度波动,实现对剪断销剪切强度均匀性和剪切 力波动性的控制。
3.5 巨 批
型 量 水 剪 轮 断 发 销 电 硬 机 度 剪 试 断 验 销材料截面尺寸较大,外 径约为110mm。同一炉批次锻造和热处理的剪断 销实际上存在着热处理的不均匀性和材料的不均匀 性,导致不同根剪断销材料之间的硬度和强度存在 较大差异。随机抽取了16件剪断销料坯进行硬度 测试, 可 结 见 果 该 如 批 表 次 5 剪 所 断 示 销 。 之间硬度确实存在较大的 差异,最大 相 差 129 HBHLD,整 批 材 料 的 硬 度 波动明显。材料硬度的剧烈波动将造成剪断销剪切 强度的剧烈波动,导致剪断销剪切力的剧烈波动。 剪断销剪切力的剧烈波动将直接影响剪断销试验 的完成情况,影 响 成 品 剪 断 销 剪 切 面 加 工 尺 寸 选 择的合理性,进 而 影 响 剪 断 销 在 机 组 中 使 用 的 安 全性和可靠性。
3.6 最终试验方案———控制硬度均匀性
为了控制批量剪断销剪切力的均匀性,获得剪 切力波动性合适的批量剪断销,剪断销的一致性检 验是有必要的。在实际生产过程中,受检验成本及 剪断销尺寸等因素影响,相较于对每件剪断销进行 常温力学性能试验或剪切试验,在材料尺寸和质量 满足硬度测试标准的条件下,对每件剪断销进行硬 度测试是可以实现的,而且具有便捷和可操性等优 点。作者研究的巨型水轮发电机剪断销尺寸符合里 氏硬度检测标准 GB/T17394.1-2014对 D 型探头 的要求,可以进行剪断销硬度测试。 实际操作时,应首先调整和固化剪断销材料的 锻造和热处理工艺,保证剪断销料坯的热处理均匀 性和硬度均匀性,严格控制热处理质量。当材料达 到设计使用的热处理状态和材料性能后,将剪断销 的端部平面打磨至 Ra 不大于1.6μm 即可进行硬 度测试。对该批次材料进行重新热处理后,实测16 件剪断销料坯的硬度,结果如表6所示。
可 见 重 新 热 处 理 后 实 际 硬 度 波 动 差 为 70HBHLD。为了使剪断销硬度波动更小,选择加 工时,可以剔除硬度与平均值271HBHLD 差距较 大的试样8,16两件料坯,再加工剪断销。 根据上述硬度测试结果,随机选取一件剪断销 进行力学性能试验,并重新预估剪断销内孔径尺寸 和剪断销剪切面外径后,再次加工3件剪断销进行 全尺寸剪切试验。3件编号分别为7,1,2的剪断销均成功剪断,试验结果如表7所示
可见通过批量剪断销布氏硬度测试,从中挑选 出布氏硬度波动较小的剪断销,控制剪断销料坯的 布氏硬度均匀性,可以实现控制剪断销剪切力的波 动性和均匀性,为最后成品剪断销尺寸的确认提供 了保障,并达到了控制批量剪断销剪切力和质量的 目地。
4 结论
通过上述分析和试验,可以采用控制批量剪断 销材料的布氏硬度波动来控制剪断销剪切力的波 动,具体有以下几个步骤。 (1)严格控制剪断销材料的锻造和热处理质 量,为控制批量料坯的硬度均匀提供保障。 (2)在剪断销材料经热处理后,对剪断销材料 进行力学性能试验,判断材料性能与使用要求的符 合性,确定剪断销硬度波动性控制范围。 (3)对剪断销进行批量硬度测试,并按硬度波 动性要求挑选剪断销,进行硬度均匀性控制。 (4)根据剪断销材料力学性能试验结果,初步 确定剪断销剪切面加工尺寸。 (5)从挑选出的剪断销料坯中选出3件,加工 剪切试样,并进行剪切试验。 (6)通过剪切试验结果,确定最终剪断销剪切 面加工尺寸。 结合当前剪切试验条件,采用上述6个步骤,通 过控制批量剪断销布氏硬度波动的方式实现了控制 剪断销剪切力波动,从而实现了对成品剪断销质量 的控制,基本满足了巨型水轮机剪断销的试验和使 用要求.实际运行结果稳定、可靠，具有非常高的便利性、可靠性、经济性。
来源：材料与测试网
