段忠宇1
华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司
[摘 要] 国产600MW发电机在停运状态下，检查定子补氢量大的原因，在定子线棒水压0.5MP情况下发现汽端2点钟位置，定子8号槽下层线棒手包绝缘处漏水。在后续拆解及水压、气压实验中，又相继发现11号上层、12号上层、13号上层、36号下层、37号上层及励端7号上层共6根线棒存在开裂或漏点。由于故障线棒较多，决定更换整台发电机定子线棒共84根。为了控制工期，定子不返厂，在生产现场实施更换工作，整个工期历时70天。
[关键词] 定子线棒； 金属疲劳； 振型模态； 气压试验
0 引言????
? 2019年6月8日，#2发电机漏氢量超标，漏氢量12.98m3,大于每天11m3/d的标准。对发电机氢气系统、定冷水系统、密封油系统等相关设备进行了全面查漏，发现定冷水箱处氢气含量较高。之后持续跟踪监测漏氢情况，至6月19日#2机组停机，漏氢量始终没有减小。6月21日，自发电机人孔进入发电机定子堂内做进一步检查，发现汽侧2点钟方向#8槽下层线棒（见图一）的手包绝缘处漏水。
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图一 漏水线棒位置
1 解体检查?
公司2发电机是XX发电机厂生产的QFSN-600-2YHG型机组。该型发电机为80年代初期发电机厂引进美国西屋电气公司的汽轮发电机设计和制造成套技术，自引进后首台汽轮发电机于1989投运，多年来根据制造、运行的经验反馈进行了局部改进，但定子线棒和端部固定结构没有进行过更改，一直沿用原引进结构。本台机组于2006年年底投产，在2008年和2013年经过大修两次。发电机厂气焊工将#8槽下层线棒汽侧水盒焊口熔开，露出该线棒的内部16根空心管，用专用工具堵住16个空心管，重新打水压进一步检查漏点，当加到0.29Mpa时，有水从线棒绝缘层渗出，最终确认为线棒空心导线泄漏。7月6日对拆出的42根上层线棒，做水压和气压试验，又发现#11线棒汽端空心管漏水，#37线棒水压试验中励端渗油，#12、#13线棒汽端外绝缘有磨损痕迹（2013年大修中处理过#11、#12、#13的外绝缘）。7月21回装完上层线棒后进行氦气检漏，发现励端7槽上层线棒接头处漏量6.3*10-7ar.l/s报警，汽端36槽下层线棒接头处漏量1.6*10-6mbar.l/s报警。前后共发现#8下层线棒空心管断裂，#11上、#12上、#13上、#37上、#7上、#36下共7根线棒存在不同缺陷。
2 原因分析
2.1 定子线棒结构及钎焊工艺
该型发电机定子下层线棒每列有 4 层空心铜线和8 层实心铜扁线交替排列，共4 列组成。上层线棒每列有5 层空心铜线和10 层实心铜扁线交替排列，共4 列组成，组合弯制成型后外包绝缘处理。端部集束并焊接在水盒内部，与并联环连接，空心线内通水冷却线棒。空心铜线选用TU2 铜，制造方式为挤压后拉拔成型、无氧退火。实心铜线选用T1 铜，制造方式为挤压后拉拔成型、退火。结构如图二。
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图二 线棒截面结构
定子线棒和水盒之间采用靠重力垂直、可视的钎焊工艺，可靠性高，保证了线棒在运行时无水泄露。钎焊时深处测温，先进行预加热。当温度指示到要求值时，水盒内周边的钎料熔化，形成钎料熔池，这时用Ф3mm焊丝两根，沿水盒周围迅速填加钎料。线圈内三行空心导线温度到规定值范围时，预置在中间的钎料开始熔化，实心导线上钎料层的厚度达到要求值时，保温10s，停止加热，待熔池稳定后，停止填料。
2.2 泄露原因分析
2.2.1 线棒端部金相分析
对#8槽下层空心铜导线进行金相检验，选取远离钎料区、靠近钎料区和水盒根部切断区三个位置进行金相检验，使用高氯化铁进行腐蚀，金相检测结果见图三。远离钎料区 100× 0.010mm，靠近钎料处 100× 0.10mm ，水盒根部达到 100× 0.18mm，晶粒长大明显。实心扁线金相分析结果与空心铜导线结果类似，远离钎料区 200× 0.010mm 水盒根部 200× 0.10mm。后期又对其它有缺陷的线棒，以及同型660MW发电机的线棒进行了全面的金相分析，均与#8槽线棒趋势相同，在热影响区（60-70mm）铜线受热导致晶粒变大。因此判断这是一个制造工艺造成的普遍晶粒长大现象，并非个例的制造缺陷。
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2.2.2 线棒断裂股线断口分析
线棒拆解后分析断裂的空心、实心导线的宏观断口形貌，从宏观断口可以看出，空心、实心导线厚度较为均匀，未发生明显变形。断口表现为疲劳引起的脆性断口，由于表面氧化及拆解过程钎料覆盖了断口，导致疲劳源区难以判断，断口绝大部分是扩展区，相对平整光滑，应为低循环应力载荷下的裂纹扩展，左侧存在撕裂岭，应为疲劳瞬断区。
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图四. 空心导线宏观断口形貌
对其它未断裂相同位置空心导线和实心导线分别进行弯曲试验，两种导线均能承受180°弯曲无裂纹，具有良好的塑性。
2.2.3 漏水原因分析
经过对故障线棒的材料实验，以及运行中的数据分析，得出以下结论：
2.2.3.1 8#线棒断口分析结果显示，空心导线和实心导线的断裂形式为疲劳断裂。
2.2.3.2 疲劳产生的内部因素为股线的材料因素，主要是线棒水盒外的股线钎焊连接区与未钎焊热影响区均存在晶粒的长大，晶粒长大后其力学性能有所下降，抗疲劳裂纹扩展的能力也会下降，裂纹也易于在这种微观组织不连续处萌生和扩展。钎焊工艺本身的特点必然导致晶粒组织在一定程度上变大，而严格的工艺参数可以保证其在精确可控的范围内，正常运行状态下可以保证机组在寿命期内不发生问题，异常振动会加速股线的寿命损耗，最终导致在寿命期内发生断裂。
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图五. #36线棒开裂的实心股线断裂形貌
2.2.3.3 疲劳产生的外部因素主要包括线棒服役时承受着交变振动载荷，股线钎焊区与未钎焊区交界处存在着应力集中。线棒服役时承受的振动载荷尽管应力水平较低，但是由于转子转速高，引起的振动频率也很高，铜股线由于振动引发的材料损伤会逐渐累积，尤其在线棒的应力集中处，会形成应变局部化。当应变局部化累积到一定程度后，会首先在铜股线外层缺陷处发生疲劳开裂。
2.2.3.4 定子线棒和端部固定结构是按照西屋公司引进技术制造，未做过设计变更。 该设计结构和制造工艺过程是成熟、可靠的。自1989年11月首台机投运至今 200 余台机组，没有发生过和本次类似的事故，据了解，国内其它发电机厂水盒与股线的钎焊工艺也基本相同。可以判定本次定子线棒股线断裂事故为个例，属偶发事故。
3 处理及防范措施
3.1 由于在发现#8下层线圈漏水后，检查拆解过程中又发现#11槽上层线圈，#36槽下层线圈相同位置漏水，#12上、#13上、#37上、#7上6根线棒存在不同缺陷，根据定子线棒导线断裂原因分析可知，其余未发生股线断裂的线棒与股线断裂线棒处在相同的运行工况下，疲劳寿命损耗情况相近，很可能会相继出现股线断裂问题，目前检测手段也无法判断疲劳寿命损耗情况，经研究并讨论确定，为保证机组的安全稳定运行，更换全台84根定子线棒。
3.2 排查2号发电机定子线圈端部各种紧固件和连接件是否有松动情况，并合理优化线棒的紧箍和捆扎工艺，尽量减小线棒振动，从而抑制金属疲劳的发生。
3.3 在更换线棒后，对重新更换的全台线棒严格按照厂内新的制造工艺规程进行施工，完工后对端部整体固有频率和振型，及每个线圈鼻端，各引线模态进行全面测试，有条件时在原故障部位及存在疑问部位安装振动在线监测装置，开展运行中振动状态的在线监视工作。
3.4 排查1号发电机历年振动数据及相关检测报告，未发现异常数据，由于1、2号机组为同一批次生产设备，应加强1号机组的维护、检修力度，有条件时结合发电机大修开展老化鉴定及状态评估。
作者简介:段忠宇(1974-),男,陕西韩城人,华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司高级工程师,从事设备检修管理工作。
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