巨型水轮发电机剪断销研发与质量控制

2021-03-18石国发邵海波王学鹏李春川

理化检验(物理分册) 2021年1期

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)

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。

图1 剪断销示意图Fig.1 Diagram of shear pin

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

(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

在机组设计剪断销时，剪断销设计剪切力和选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1 700 kN，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2 000 kN，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1 900 kN，仅比设计剪切力1 700 kN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。

图2 剪断销剪断工装示意图Fig.2 Diagram of shear pin cutting tooling

2.3 可行性分析

根据上述情况，测试巨型水轮发电机用剪断销的极限剪切力必须在全剪切面尺寸的条件下，且只能采用2 000 kN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1 800 kN，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/T 228.1-2010《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300 kN，测量精度为0.5%；根据GB/T 229-2007《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/T 231.1-2018《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。

表1 剪断销力学性能试验结果Tab.1 Test results of mechanical properties of shear pin

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。

表2 剪断销剪切面外径设计尺寸Tab.2 Design dimension of outer diameter of shear pins shear surface mm

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110 mm，设计剪切力为1 700 kN。

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2 000 kN，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1 900 kN。剪切试验时，将剪断销放在两试验套内，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=73.49 mm)，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110 kN。

表3 剪断销剪切试验结果Tab.3 Shear test results of shear pins

3.2.4 试验结果分析

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25 kN，3号剪断销剪切力相对于2号的增幅至少为110 kN，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/T 17394.1-2014《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1.6 μm。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/T 231.1-2018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 Brinell hardness test results of shear pins

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,25 HBW，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1 900 kN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。

图3 42CrMo钢布氏硬度与剪切强度的相关性Fig.3 Correlation between Brinell hardness and shear strength of 45CrMo steel

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 批量剪断销硬度试验

巨型水轮发电机剪断销材料截面尺寸较大，外径约为110 mm。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，结果如表5所示。

表5 批量剪断销硬度测试结果Tab.5 Hardness test results of batch shear pins HBHLD

可见该批次剪断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/T 17394.1-2014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1.6 μm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。