摘要： 百龍灘水電站3號(hào)機(jī)試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有異音，經(jīng)檢查后賣方判斷機(jī)組可繼續(xù)運(yùn)行。2個(gè)月后發(fā)現(xiàn)3顆T型鍵止動(dòng)壓板螺栓脫落，賣方仍判斷機(jī)組可以繼續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，機(jī)組無法啟動(dòng)運(yùn)行，不得不更換發(fā)電機(jī)磁軛、T型鍵、熱套鍵和調(diào)整墊片等全套零部件，并返制造廠處理轉(zhuǎn)子中心體裂紋和鍵槽。事故修理達(dá)5個(gè)月，損失嚴(yán)重。簡要介紹事故情況并剖析事故發(fā)生的原因。 
1　轉(zhuǎn)子事故情況簡介
1.1　試運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部有異常聲音
　　1996年9月4日百龍灘水電廠3號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部有異常聲音，而且在機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)后有所增強(qiáng)。這種異常聲音在已經(jīng)運(yùn)行發(fā)電的1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)是沒有的。富士電機(jī)(賣方)技術(shù)人員在對(duì)3號(hào)機(jī)檢查后提交的“轉(zhuǎn)子聲音的發(fā)生現(xiàn)場備忘錄”中稱這種聲音是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛與固定部件發(fā)出的接觸性聲音，是由于動(dòng)、靜部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦性聲音。聲音發(fā)生部位為轉(zhuǎn)子T型鍵側(cè)面與轉(zhuǎn)子磁軛鍵槽接觸部位。按設(shè)計(jì)要求T型鍵與磁軛鍵槽在寬度上(見圖1中A、B處)應(yīng)有0.1 mm～0.2 mm間隙，但是由于轉(zhuǎn)子磁軛疊片時(shí)不可避免的少量錯(cuò)位，實(shí)際上這個(gè)設(shè)計(jì)間隙往往是不存在的，而兩者處于部分接觸狀態(tài)。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁軛因自身及磁極的離心力作用向外側(cè)擴(kuò)展，此時(shí)，因固定在轉(zhuǎn)子中心體鍵槽中的T型鍵具有過盈量的楔入而產(chǎn)生約束力，使得轉(zhuǎn)子磁軛與之同步轉(zhuǎn)動(dòng)。3號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)聲音大的原因，為機(jī)組甩負(fù)荷后對(duì)磁軛的緊固有些影響。在扭矩作用下T型鍵與磁軛鍵槽側(cè)面的接觸面比運(yùn)轉(zhuǎn)初始有所加大所致。
　　由于當(dāng)時(shí)3號(hào)機(jī)組在合同規(guī)定的賣方質(zhì)量保證期內(nèi)，用戶尊重賣方意見，3號(hào)機(jī)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。
1.2　3號(hào)機(jī)運(yùn)行不正常情況加劇
　　3號(hào)機(jī)運(yùn)行2個(gè)多月后發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)通風(fēng)道組合縫處有油滲出到集電環(huán)周圍，污染炭刷和滑環(huán)，造成炭刷磨損量加大，因此11月29日進(jìn)行停機(jī)檢查，檢查結(jié)果如下：
　　(1)發(fā)電機(jī)內(nèi)部油污染；
　　(2)發(fā)電機(jī)下游側(cè)定子外殼底部及線圈處發(fā)現(xiàn)有3顆因螺牙磨平而脫落的M12×25螺釘及1顆剪斷的M12螺釘頭。經(jīng)檢查螺釘是T型鍵止動(dòng)壓板的定位螺釘，其中2顆是2號(hào)T型鍵的，另2顆分別為5號(hào)和7號(hào)T型鍵的。
　　檢查過后即將上述情況通知賣方，要求賣方派技術(shù)人員到現(xiàn)場共同查找原因，探討排除障礙措施。
　　對(duì)油污染問題經(jīng)局部解體檢查，賣方發(fā)現(xiàn)軸承蓋里面的密封環(huán)安裝反了，盤根安裝也不良，即進(jìn)行了糾正。
 
　　對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子T型鍵壓板螺栓脫落問題，賣方認(rèn)為是由于安裝螺栓緊固時(shí)受損、壓板安裝不良所致。并確認(rèn)均非設(shè)計(jì)、制造及結(jié)構(gòu)上的問題，而是安裝上的問題所致。強(qiáng)調(diào)在今后4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)機(jī)安裝時(shí)要防止安裝上的問題再次發(fā)生。賣方結(jié)論意見仍然是3號(hào)機(jī)組可以繼續(xù)運(yùn)行。
1.3　3號(hào)機(jī)無法啟動(dòng)只能再次停機(jī)檢查
　　由于機(jī)械故障隱患隨機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行造成的設(shè)備損壞日趨嚴(yán)重，到1997年1月15日機(jī)組已無法啟動(dòng)運(yùn)行。用戶再次要求賣方派技術(shù)人員來現(xiàn)場共同檢查，分析處理。
　　經(jīng)檢查，表面破壞現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重：
　　(1)16個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子引線連接片已全部斷損；
　　(2)8個(gè)T型鍵和8個(gè)熱套鍵的調(diào)整墊片有的移動(dòng)了，而且磨損嚴(yán)重的有鐵粉擠出，拆下鍵端頭止動(dòng)板，有因鍵移動(dòng)而沖擊后的凹坑，最嚴(yán)重的深達(dá)0.6 mm～0.7 mm；
　　(3)鍵槽兩邊A側(cè)沒有間隙，B側(cè)都有間隙，見圖2；
　　(4)轉(zhuǎn)子中心體在8號(hào)T型鍵處，上、下游側(cè)各有1條裂紋，分別長為50 mm和180 mm；6號(hào)T型鍵下游側(cè)處有裂紋1條，長為45 mm。

　　從上述檢查到的表面破壞現(xiàn)象，說明3號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛與轉(zhuǎn)子中心體間的緊固力越運(yùn)行越小，造成相關(guān)緊固部件產(chǎn)生了不允許的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而損壞。用戶和賣方都明白不找出真正原因，不僅不能正確檢修處理好3號(hào)機(jī)組，而且也無法判斷正在運(yùn)行的1號(hào)、2號(hào)機(jī)組是否能長期安全運(yùn)行。雙方?jīng)Q心從設(shè)計(jì)、制造和安裝等方面做出認(rèn)真的、詳細(xì)的分析和研究。

2　設(shè)計(jì)復(fù)查
2.1　復(fù)核熱套過盈量
　　熱套過盈量既要達(dá)到使轉(zhuǎn)子磁軛與固定部件間在任何允許運(yùn)行的工況下不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又不能使相關(guān)緊固部件的緊固應(yīng)力過大而使部件做得十分龐大而浪費(fèi)鋼材。
2.1.1　設(shè)計(jì)值
　　富士電機(jī)提供的熱套過盈量設(shè)計(jì)值δ1為0.65 mm，由此產(chǎn)生的徑向力P1為33.76×103 kN，摩擦系數(shù)μ為0.1，則由于過盈量而產(chǎn)生的摩擦約束力為：
　　F1＝P1×μ＝33.76×103×0.1＝3 376 kN
2.1.2　額定轉(zhuǎn)速下的摩擦約束力
　　額定轉(zhuǎn)速引起的轉(zhuǎn)子磁軛膨脹量：δc=0.257 mm
　　磁拉力引起的轉(zhuǎn)子磁軛膨脹量：δm=0.097 mm，磁軛的總膨脹量為：
　　δr=δc+δm=0.257+0.097=0.354 mm
　　則額定轉(zhuǎn)速下的剩余過盈量為：
　　δ2=δ1-δr=0.65-0.354=0.296 mm
　　由剩余緊固量δ2所產(chǎn)生的摩擦約束力為：
　　
　　額定工況運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩和切向力如下：
　　額定轉(zhuǎn)矩：
　　切向力：
式中：P——額定出力，kW;
　　　n——額定轉(zhuǎn)速， r/min;
　　　R——轉(zhuǎn)子中心體外半徑，m。
　　由上述計(jì)算可知，在額定轉(zhuǎn)速下，由剩余過盈量所產(chǎn)生的摩擦約束力大于由額定轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的切向力。
2.1.3　甩負(fù)荷時(shí)的摩擦約束力
　　在甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，得到的最高轉(zhuǎn)速n?max為135 r/min；此時(shí)轉(zhuǎn)子磁軛的膨脹量為：
　　
　　則甩負(fù)荷情況下剩余過盈量δ3為：
　　δ3=δ1-δ?c1=0.65-0.532=0.118 mm
　　由δ3所產(chǎn)生的摩擦約束力為：
　　同時(shí)，在甩負(fù)荷時(shí)，由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的反向力矩引起的發(fā)電機(jī)上的反向力矩為：
式中：α——反向力矩比。
　　由于發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的飛輪力矩產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩T?s1′將附加到轉(zhuǎn)子中心體和磁軛之間，T?s1′可按下式計(jì)算：
　　
式中：∑GD12——發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)總的飛輪力矩，kN.m2；
　　　∑GD22——磁極和轉(zhuǎn)子磁軛的總的飛輪力矩， kN.m2。
由反向轉(zhuǎn)矩T?s1′產(chǎn)生的切向力F?t1如下：
　　　
　　顯然，在甩負(fù)荷情況下摩擦約束力大于水輪機(jī)反向轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切向力。
2.1.4　頻率波動(dòng)時(shí)切向力的變化
　　一般情況下考慮頻率波動(dòng)值△f=±0.2 Hz,頻率波動(dòng)引起轉(zhuǎn)矩的變化值T?s2為：
　　由于頻率波動(dòng)引起轉(zhuǎn)矩變化而使切向力的變化為：
　　上述計(jì)算結(jié)果表明，在頻率波動(dòng)范圍內(nèi)切向力的變化很小。
　　綜上所述，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁軛用過盈量0.65 mm熱套時(shí)，其熱套產(chǎn)生的摩擦約束力都大于由上述各工況產(chǎn)生的切向力，可保證轉(zhuǎn)子磁軛與固定部件不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
2.2　復(fù)核熱套強(qiáng)度
　　為查找事故原因，首先審查了以下幾個(gè)主要部件強(qiáng)度計(jì)算。
2.2.1　由8個(gè)T型鍵承受額定轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)子中心體、轉(zhuǎn)子磁軛支撐部的強(qiáng)度
　　計(jì)算假設(shè)扭矩僅僅是由8個(gè)T型鍵傳遞，且轉(zhuǎn)子磁軛支撐部的轉(zhuǎn)矩傳遞由圖2中所示的C、D兩個(gè)面承受。
　　每個(gè)T型鍵部位切向力：　　
　　C、D處接觸面面積：A=7.85×2.2×2×2
　　　　　　　　　　　=69.1 cm2
　　應(yīng)力：
　　根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G3101 SS400，鋼材的屈服應(yīng)力σ?y1不低于21.08 kN/cm2;
　　安全系數(shù)：
2.2.2　熱套的轉(zhuǎn)子中心體轉(zhuǎn)子磁軛支撐部的強(qiáng)度計(jì)算
　　轉(zhuǎn)子磁軛支撐共16處，其中T型鍵8處，熱套鍵8處。每個(gè)轉(zhuǎn)子磁軛支撐點(diǎn)的熱套力Fc為2.11×103 kN,由帶曲線部位加上斜線部位(豎筋板焊接面)承受。
　　A2=(7.85×2+18)×2.2×2+1.6×118.5
=337.9 cm2
　　應(yīng)力：
　　材料屈服應(yīng)力：σ?y2≥21.08 kN/cm2
　　安全系數(shù)：
2.2.3　熱套時(shí)調(diào)整襯墊的強(qiáng)度
　　調(diào)整襯墊，面積：A3=3.8×130=494 cm2
　　材料屈服應(yīng)力：σ?y3≥21.08 kN/cm2
　　安全系數(shù)：
　　上述計(jì)算表明，轉(zhuǎn)子磁軛經(jīng)0.65 mm過盈量熱套后，在允許的運(yùn)行工況下，相關(guān)緊固部件承受的應(yīng)力，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材的屈服應(yīng)力，不會(huì)因變形而使熱套產(chǎn)生的緊固力減少。足以保證轉(zhuǎn)子磁軛與固定部件間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

3　安裝記錄檢查
　　3號(hào)機(jī)發(fā)生事故后，為查找原因檢查了1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子T型鍵調(diào)整襯墊的厚度，其安裝記錄見表1。

表1　轉(zhuǎn)子T型鍵調(diào)整襯墊厚度的安裝記錄(mm)　　

鍵號(hào)  1號(hào)機(jī)  2號(hào)機(jī)  3號(hào)機(jī) 
T1    3.045  2.77  2.3 
T2    3.02  2.90  2.56 
T3    3.012  2.72  2.51 
T4    3.08  2.66  2.55 
T5    3.105  2.83  2.34 
T6    3.12  2.92  2.56 
T7    3.13  2.77  2.51 
T8    3.07  2.69  2.60 
平均  3.073  2.7875  2.495 
最大  3.13  2.92  2.6 
最小  3.02  2.62  2.3 

　　由表1計(jì)算可得1號(hào)機(jī)和3號(hào)機(jī)所選用的T型鍵調(diào)整墊厚度平均值相差0.578 mm，最大值相差0.53 mm，最小值相差0.72 mm。
　　賣方介紹的設(shè)計(jì)原則是8個(gè)T型鍵所承受的熱套緊固力，足以保證轉(zhuǎn)子磁軛與固定部件之間不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而8個(gè)熱套鍵的作用，僅僅是使轉(zhuǎn)子磁軛在安裝過程中圓度更加均勻。所以我們僅對(duì)T型鍵調(diào)整襯墊厚度進(jìn)行比較。
　　賣方在制造轉(zhuǎn)子磁軛扇形片時(shí)，是使用數(shù)控離子切割機(jī)床一次加工成形的，鍵槽深度尺寸誤差是很小的；3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛疊片完后測定T型鍵槽深度的測量記錄見表2。
表2　3號(hào)機(jī)T型鍵槽深度測量記錄

(1996年5月15日)　　mm
 
鍵號(hào)  上游側(cè)  下游側(cè)  平均 
  T1  21.30  21.30  21.30 
  T2  21.32  21.30  21.31 
  T3  21.30  21.30  21.30 
  T4  21.30  21.26  21.28 
  T5  21.28  21.30  21.29 
  T6  21.26  21.28  21.27 
  T7  21.30  21.32  21.31 
  T8  21.30  21.28  21.29 

　　由表2計(jì)算出總的平均深度為21.293 75 mm；最大和最小平均深度與總平均值之差分別為0.016 25 mm和-0.023 mm與選擇的3號(hào)機(jī)T型鍵調(diào)整墊厚度相比僅僅是高價(jià)微量之差。而T型鍵也是數(shù)控磨床精加工的，其厚度方向尺寸公差是±0.1 mm，所以每臺(tái)機(jī)T型鍵所需配置的調(diào)整墊厚度，應(yīng)該是不會(huì)相差太多的，更不應(yīng)該出現(xiàn)2號(hào)機(jī)比1號(hào)機(jī)少，3號(hào)機(jī)比2號(hào)機(jī)少。尤其3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子磁軛T型鍵調(diào)整墊的厚度比1號(hào)機(jī)小了0.578 mm，與設(shè)計(jì)要求的0.65 mm的熱套緊固量幾乎接近。但是，這個(gè)數(shù)據(jù)表示出來的嚴(yán)重缺陷，竟然沒有被發(fā)現(xiàn)，各方人員先后在3號(hào)機(jī)T型鍵調(diào)整襯墊厚度確認(rèn)檢驗(yàn)合格卡上簽名確認(rèn)合格，埋下了3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛T型鍵因加墊厚度太少，導(dǎo)致熱套緊固力嚴(yán)重不足的隱患。當(dāng)機(jī)組試運(yùn)行時(shí)，尤其是甩負(fù)荷試驗(yàn)后，大家感到3號(hào)機(jī)有異常聲音。為此賣方技術(shù)人員通過認(rèn)真檢查后在1996年9月9日給的備忘錄上也對(duì)異常聲音發(fā)生的部位作了正確判斷，并認(rèn)為是3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子組裝誤差引起的，可是卻沒有進(jìn)一步檢查安裝記錄，第一次失去了消除隱患機(jī)會(huì)；1996年11月下旬，因3號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)風(fēng)道組合縫滲油，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)有3顆T型鍵端頭止動(dòng)板定位螺釘脫落時(shí)，仍然沒有深入思考追查出問題的真正原因，第二次失去了消除隱患的機(jī)會(huì)。憑主觀臆想讓3號(hào)機(jī)組帶著繼續(xù)擴(kuò)大的隱患繼續(xù)運(yùn)行，而使損壞程度和范圍隨運(yùn)行時(shí)間的延長而擴(kuò)大，直至該機(jī)組不能啟動(dòng)運(yùn)行。

4　安裝工作失誤的環(huán)節(jié)
　　到底安裝工作失誤發(fā)生在哪個(gè)安裝工序環(huán)節(jié)呢?賣方和用戶共同進(jìn)一步查找。按賣方提供的發(fā)電機(jī)安裝手冊(cè)規(guī)定，調(diào)整T型鍵墊片的程序是：
　　(1)用楔形測量工具和千分尺測量上、下游側(cè)轉(zhuǎn)子磁軛與轉(zhuǎn)子中心體間T型鍵槽的深度A。
　　(2)現(xiàn)場實(shí)測T型鍵厚度尺寸；
　　(3)參考工廠測量的中心體鍵槽的深度值，按下式計(jì)算出調(diào)整片厚度：調(diào)整片厚度=現(xiàn)場實(shí)測鍵槽總深度-T型鍵的總厚度+0.65 mm。
　　顯然熱套緊固量0.65 mm是個(gè)常數(shù)，可能發(fā)生工作失誤的環(huán)節(jié)，不是鍵槽深度測量錯(cuò)誤，就是鍵厚度測量錯(cuò)誤。但是測量T型鍵厚度使用的是游標(biāo)卡尺和外徑千分尺兩種量具，經(jīng)檢查其精度滿足要求，而測量鍵槽深度是用賣方提供的楔形模塊量具，如圖6。1997年3月24日檢查用于測量T型鍵槽的兩對(duì)楔形模塊，發(fā)現(xiàn)大、小兩頭都有不同程度的因敲擊而變形的痕跡。有效工作平面，有因敲打變形局部凸起多處，凸起量最大1 mm，最小0.05 mm。其中，一對(duì)楔形模塊的凸起值平均為0.343 mm，另一對(duì)平均值高達(dá)0.501 mm。雖然安裝人員強(qiáng)調(diào)在測量槽深前，是對(duì)楔形量具的缺陷處理過的。但是，使用已經(jīng)變形的量具測出的槽深度，肯定會(huì)比實(shí)際值偏小，由此計(jì)算出的調(diào)整墊厚度也偏小，熱套后磁軛實(shí)際的緊固量肯定不能達(dá)到設(shè)計(jì)值0.65 mm的要求。

　　問題找到了，賣、買雙方由誰承擔(dān)責(zé)任呢?按合同規(guī)定，買方聘用的安裝單位按賣方提供的安裝手冊(cè)，在賣方現(xiàn)場指導(dǎo)人員監(jiān)理下進(jìn)行安裝工作，賣方應(yīng)對(duì)賣方設(shè)備的安裝質(zhì)量負(fù)全責(zé)。
　　通過解體檢查，轉(zhuǎn)子磁軛鍵槽損壞嚴(yán)重，T型鍵、熱套鍵變形都無法修復(fù)使用，只能全部更換，轉(zhuǎn)子中心體除有3條裂紋外，所有鍵槽底部也都有程度不同的磨損變形，需返廠處理。修理工作長達(dá)5個(gè)月之久。按合同規(guī)定賣方承擔(dān)了更換損壞零部件和修理、安裝費(fèi)用；買方損失了該臺(tái)機(jī)半年多的發(fā)電收益，雙方都蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，其教訓(xùn)是極其深刻的。