二灘水電站4號機轉輪上止漏環形變原因分析及止漏環更換工藝

邵建林，謝 林，廖 潤

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二灘水電站4號機轉輪上止漏環形變原因分析及止漏環更換工藝

邵建林，謝 林，廖 潤

（二灘水力發電廠，四川攀枝花617000）

止漏環的作用是減小水輪機容積損失，保護轉輪上冠、下環免遭磨損。2014年度4號機檢修期間發現上止漏環間隙變小，轉輪上止漏環嚴重刮傷。上止漏環間隙變小，轉輪上止漏環與頂蓋止漏環發生刮擦的原因是轉輪上止漏環發生了形變。本文分析了止漏環發生形變的原因，并介紹了止漏環更換熱套工藝。

止漏環；形變；熱套

0 前言

二灘水電站裝有6臺由某公司設計的 550MW混流式水輪發電機組。機組轉速為142.9r/min，額定水頭165m。上止漏環設計間隙1.2～1.6mm。在對4號機大修時對頂蓋止漏環、底環止漏環、轉輪下止漏環進行了整體更換，唯獨轉輪上止漏環未進行更換。2014年度4號機檢修期間，測量水輪機上止漏環間隙時發現局部測點間隙過小，最小值為0.10mm，遠小于標準值1.2～1.6mm，同時發現4號機泄水錐已掉落。將頂蓋頂起后檢查發現，4號機頂蓋止漏環垂直內表面上半部分有周向劃痕，劃痕覆蓋整個圓周，環帶高度約為100mm；轉輪上止漏環垂直外表面上半部分有7處斷續的周向劃痕（如圖1所示），其弧長在255～1210mm之間，高度約為100mm。對轉輪上止漏環進行盤車檢查，發現7處劃傷處與同側下部相比，出現凸出形變，最大凸出量約為1.2mm。該現象在國內十分罕見。

1 轉輪上止漏環發生形變原因分析

4號機檢修期間對轉輪上止漏環及頂蓋止漏環進

行了PT和UT探傷檢查，止漏環本體及焊縫部位均未見裂紋及其它有害缺陷，之后邀請某電機廠的專家對轉輪上止漏環進行了金相試驗，發現劃痕處金相組織發生變化和細小裂紋（如圖2所示），裂紋方向與劃痕方向呈垂直分布，經打磨處理后，細小裂紋消除，組織趨于正常。分析認為轉輪上止漏環發生凸出形變是止漏環碰撞產生形變和壓力脈動產生形變的疊加。

圖1 轉輪上止漏環劃痕照片

1.1 轉輪上止漏環與頂蓋固定止漏環碰撞產生形變[3,4]

采集2013年1月至12月4號機水導擺度數據并繪制成曲線圖，發現8月水導擺度動急劇變大，9月開始快速下降，11月趨于穩定（如圖3所示）。

圖2 轉輪上止漏環金相試驗照片

4號機檢修時發現泄水錐已掉落，泄水錐把合螺栓部分掉落、部分斷裂，斷裂的螺栓殘留在轉輪上。泄水錐部分把合螺栓松動掉落，造成轉輪產生極大的質量不平衡。機組運行過程中，由質量不平衡引起的離心力使水導擺度變大，水導擺度變大使止漏環間隙變得不均勻，由于間隙不均勻，間隙內的水壓也不均勻，從而使轉輪受到偏心水推力的作用，偏心水推力的方向與擺度方向一致，形成負阻尼情況，最終激發成自激振動[2,6]。

自激振動使轉輪擺度急劇變大，從而使轉輪上止漏環碰撞頂蓋止漏環。頂蓋止漏環是整體冷套，止漏環與頂蓋本體貼合緊密，轉輪上止漏環是分瓣組裝，止漏環與轉輪上冠本體間存在微小間隙，因此頂蓋止漏環的承載力高于轉輪上止漏環，并且頂蓋止漏環的硬度大于轉輪上止漏環，轉輪上止漏環與頂蓋止漏環頻繁碰撞后，頂蓋止漏環表面發生輕微劃痕，轉輪上止漏環局部產生形變，止漏環發生形變部位上部凸出，下部凹陷（如圖4所示）。

1.2 水力脈動使轉輪上止漏環脫空部位產生形變

拆除轉輪上止漏環時發現止漏環已嚴重脫空，脫空部位積滿了淤泥。二灘轉輪為分瓣現場組合拼裝焊接而成，上冠采用卡栓加熱卡緊結構，焊接處理段與把合處理段過渡部分存在較大的殘應力。機組運行過程中應力不斷釋放，最終使上冠組合面發生約0.7mm的錯位，該錯位加劇了止漏環的脫空，壓力水流從上冠組合面進入止漏環與轉輪上冠本體間的縫隙。水力脈動和機械振動的共同作用，使止漏環脫空部位產生形變。

碰撞產生的止漏環形變疊加水力脈動產生的止漏環形變，使轉輪上止漏環產生最大約1.2mm的凸出形變。

圖3 水導擺度曲線圖

圖4 轉輪上止漏環圓度測量折線圖

2 止漏環更換工藝

止漏環更換流程如圖5所示，包括尺寸測量、止漏環拼焊、止漏環熱套、止漏環車削加工等多道工序，需要質檢工、焊工、裝配工、車削工等多工種人員配合完成。焊縫收縮量、止漏環過盈量、止漏環尺寸加工量的控制是工作中的難點。

圖5 止漏環更換流程圖

2.1 舊止漏環拆除

（1）車床組裝完畢后，將轉輪吊至車床上，以轉輪上法蘭面為基準將轉輪水平調整至0.02mm/m。

（2）刨除止漏環焊縫

止漏環環焊縫刨除前，原止漏環與轉輪本體貼合程度未知，上、下環焊縫的束縛解除后，可能造成止漏環在剛性彈力作用下瞬時脫離轉輪發生墜落。故刨除止漏環焊縫時，先刨除止漏環的組合焊縫，再刨除止漏環的下環焊縫，最后刨除止漏環上環焊縫（刨除上環焊縫前先在止漏環上焊好吊耳，用鋼絲繩與橋機可靠連接，防止止漏環意外墜落），刨除舊止漏環時，不得損傷轉輪上冠本體。

2.2 轉輪上冠本體加工

（1）以轉輪上法蘭面止口為基準調整車床，將轉輪與車床旋轉中心同心度調整至0.05mm以內、平行度調整至0.10mm以內。轉輪與車床的同心度和水平度是精確加工轉輪本體、止漏環的關鍵，一定要嚴格把控。

（2）測量轉輪上冠本體的圓度，若上冠本體存在較大橢圓度，則以上冠本體建圓為基準對上冠本體進行車削加工，同時對轉輪上冠本體底部臺階進行修復處理。

（3）轉輪上冠本體加工完畢后，用π尺測量轉輪上冠本體直徑。

（4）將轉輪上冠本體上、下端面分別打磨出16×45°、8×45°的坡口，以便于后期止漏環更換后對上下環縫進行縫焊處理。

2.3 新止漏環安裝[7]

（1）止漏環清掃干凈后，對止漏環表面做PT探傷和硬度檢測，確認止漏環無缺陷且硬度合格。

（2）止漏環組裝、調平[5]。

1）止漏環合縫面坡口清掃干凈后，拼裝止漏環，擰緊合縫面限位塊把合螺栓。

2）測量止漏環外徑1。止漏環理論計算值2=+2/π-+2，其中為轉輪上冠本體直徑，=1.0～1.5mm為止漏環焊接時單邊焊縫在周長方向上的收縮量（焊縫收縮量的選取需考慮焊接方法、應力消除程度、止漏環厚度等多種因素，需由經驗豐富的焊接工程師選定），B2.0～2.3mm為熱套過盈量，根據止漏環厚度、直徑、高度確定，為止漏環厚度的平均值（取12組數據求平均值）。

3）止漏環在周長方向上需切割的長度=1-2。止漏環多余部分切除后，如圖6所示重新打磨焊接坡口。

圖6 重新打磨焊接坡口

4）重新拼裝止漏環，將支撐止漏環的千斤頂（不少于8個）頂部用水準儀調平，將止漏環吊至千斤頂上，檢查止漏環下端面與千斤頂頂部之間的間隙，用水準儀測量檢查止漏環上端面水平情況，檢查止漏環合縫面內、外柱面的弧度，測量止漏環合縫面外柱面上、中、下三處的直徑。上述檢查、測量結果均合格后，即可進行止漏環拼焊。

（3）止漏環拼焊

采用熱輸入量相對較小的半自動氣體保護焊對止漏環進行拼焊。首先在止漏環兩條合縫面的上端面和下端面焊接4塊搭接板（材質最好與止漏環一致，可從舊止漏環上割取），用于固定止漏環的裝配尺寸并用作焊接時的引、熄弧板。焊接采用分段對稱、交錯焊，除打底層外分段施焊的相接段首必須與上段段尾焊縫相壓，相壓長度應大于10mm（每段段尾應預先打磨至少5mm長的斜坡過渡）。焊前用乙炔槍將需焊接部位預熱至80℃左右。焊接過程中要嚴格控制止漏環的焊縫收縮量，用線型樣板檢查止漏環焊接處的內圓弧度，根據弧度變形情況調整焊接順序。焊接溫度控制在200℃以下。每層焊接完畢后必須用風鏟錘擊焊縫，清除焊渣并消除焊接應力，每個焊層均要求做PT探傷檢查，檢查應無夾渣、氣孔及裂紋等焊接缺陷。焊縫焊接完成后需及時進行消氫處理（焊縫溫度尚未冷卻至100℃以下時，加溫至150℃～260℃，保溫2h，然后覆蓋保溫材料讓其自然冷卻）。

內、外焊縫表面打磨光滑、平整，經PT探傷合格，表面型線符合弧度要求后，重新測量止漏環外徑3，校核=3--2應滿足過盈量2.0～2.3mm的要求，否則必須重新拼焊止漏環。再次測量止漏環下端面與千斤頂頂部之間的間隙及止漏環上端面的水平，均應滿足要求。

圖7 止漏環裝配示意圖

（4）止漏環熱套[1]

1）止漏環外側均布焊接4個臨時吊耳，供止漏環熱套時吊裝用。

2）去除止漏環內表面高點并清潔干凈。

3）利用專用工具（用端部安裝有螺旋千斤頂的鋼管制作成“十”型支架）將止漏環圓度調整至合格（10mm以內），方便套裝。

4）利用角鋼（140mm×140mm×12mm，材質Q235）制作止漏環吊裝專用吊梁，專用吊梁配合4個2t手拉葫蘆將止漏環調平，并進行預吊裝，確認吊梁強度滿足要求。

5）在止漏環外表面掛設加熱片（布滿整個止漏環），對止漏環進行加熱（溫度不允許超過380℃），當止漏環熱膨漲量達到20mm左右，具備熱套條件[8]。

6）加熱片斷電，取下加熱片，吊裝止漏環至轉輪上方，檢查止漏環與轉輪上冠間無異物。下落止漏環至止漏環凹槽接近上冠凸臺（為防止應力疊加，止漏環組合縫與上冠組合縫錯開一定角度），為防止止漏環過度下沉，在上冠上平面采用4個U型夾（開口尺寸略大于上冠法蘭厚度與止漏環厚度之和）均布夾住止漏環至轉輪上冠，并臨時斷開橋機控制柜電源，將手拉葫蘆導鏈鎖緊。

7）組織12人用銅棒沿圓周方向均勻錘擊止漏環（先錘擊間隙較大部位），使止漏環均勻收縮，待止漏環與上冠本體間間隙小于凸臺厚度時，松開導鏈，用銅棒錘擊止漏環上端面，直至止漏環凹槽與上冠凸臺緊密接觸。繼續用銅棒沿圓周方向均勻錘擊止漏環，直到用塞尺檢查止漏環與轉輪本體間無間隙。

（5）止漏環上、下環焊縫焊接

止漏環熱套完成后，采用熱輸入量相對較小的半自動氣體保護焊對止漏環上、下環焊縫進行焊接。上、下環焊縫在圓周上進行對稱、分段且等量施焊，焊前預熱50～100℃，焊縫分兩層焊接完成，每段焊接長度為300mm。焊接溫度控制在200℃以下。焊縫焊接完成后需及時進行消氫處理。焊縫焊接完成后進行PT探傷，探傷合格。因下環縫為仰焊，技術難度較大，允許少數氣孔存在，但不允許任何裂紋存在，焊縫質量達到二級標準即可，上環縫不允許任何氣孔及裂紋存在，焊縫質量需達到一級標準。

1）止漏環車削加工前應復測轉輪與機床旋轉中心同心度和轉輪與機床轉臂刀架平行度是否合格，如不合格則應重新調整直至合格，否則將導致加工完畢后的轉輪止漏環與轉輪本體不同心度偏大、或者轉輪止漏環表面與轉輪本體的不垂直度偏大。調整完畢后，將轉輪固定牢固，防止止漏環在加工過程中出現移位。

2）用π尺測量止漏環外徑周長3，用內徑千分尺測量頂蓋止漏環內徑1，止漏環車削量=3/π-1--（為了提高數據精確度π值取3.14159265，為止漏環設計間隙，為測量誤差修正值，根據經驗6m直徑止漏環的測量誤差為0.5mm）

圖8 止漏環上下焊縫焊接示意圖

（6）止漏環車削加工[10]

3）根據車削量計算值對止漏環進行車削加工，每次車削前都要測量確認轉輪與機床旋轉中心同心度和轉輪與機床轉臂刀架平行度均合格。先車削立面，待止漏環外徑尺寸滿足要求后再車削止漏環上、下端面。止漏環粗加工時進刀量控制在0.50mm左右，精加工時進刀量控制在0.20mm左右。

4）車削完成后重新測量止漏環外徑，需滿足計算要求。打磨、拋光止漏環表面，使其粗糙度Ra值≤3.2μm，用百分表測量止漏環表面跳動值應≤0.05mm，用百分表測量止漏環表面垂直度值應≤0.05mm，用百分表測量并計算上、下止漏環同心度應≤0.05mm。

4 結語

止漏環位于水輪發電機組的底部，且最大間隙小于3mm，一旦發生止漏環損壞事件，只有吊出基坑才能檢修，且需耗時百日，將給電站帶來巨大的經濟損失。更換止漏環時，止漏環焊縫收縮量、熱套過盈量的控制既是重點，也是難點，過程中一定要嚴格把控每道工序。二灘水電站4號水輪機轉輪上止漏環更換工作完成后，各項尺寸均滿足使用要求，機組投入運行后，水導擺度、頂蓋振動數據良好，原4號水輪機轉輪上止漏環發生凸出形變的安全隱患徹底消除，達到了預期的效果。機組后續運行過程中，需做好機組狀態監測工作，若水導擺度、頂蓋振動發生急劇變大現象，需及時檢查原因，防止重大設備損壞事件的發生[9]。

[1] 吳建清. 75MW混流式轉輪止漏環熱套的質量控制[J]. 水利電力機械, 2001,23(5).

[2] 周少兵. 安康水力發電廠3號機組泄水錐掉落原因分析[J]. 電力安全技術, 2014, 16(2).

[3] 葉福新, 鄭建鋒. 混流式機組轉輪上部止漏環脫落原因分析及處理[J]. 水電站機電技術, 2009, 32(5).

[4] 胡華明. 轉輪與止漏環相碰卡死的原因分析[J]. 農田水利與小水電, 1994, (12).

[5] 朱邦才, 王前莊, 高向陽. 轉輪止漏環熱套新工藝[J]. 大機電技術, 1992, (2).

[6] 劉萬均. 二灘水電站水輪機止漏環開裂原因初探[J]. 云南水力發電, 2002, 18, (3).

[7] 范瀟, 李洪軍, 潘少民，許健. 水輪機止漏環更換及裝焊工藝[J]. 東方電機, 2004(4).

[8] 張日平. 水輪機轉輪止漏環熱套新工藝[J]. 四川水力發電, 1993, (3).

[9] 劉三成. 黃河大峽水電站0號水輪機水導軸承運行擺度突然增大檢查處理[J]. 西北水電, 2011, (4).

[10] 張誠, 陳國慶. 水輪發電機組檢修[M]. 中國電力出版社, 2012, 4.

The Runner Upper Wearing Ring Deformation Analysis of Unit4 in Ertan Hydropower Plant and the Wearing Ring Hot Fitted Process

SHAO Jianlin, XIE Lin, LIAO Run

(Ertan Hydropower Plant, Panzhihua 617000, China)

The wearing ring is used to reduce the loss of turbine volume and protect the runner crown and bottom ring from wearing and tearing. It has been found that the gap of Unit4 upper wearing ring narrowed and seriously scratched because of the upper wearing ring deformation. This article analyzed the reason of upper wearing ring deformation and introduced the hot fitted process.

wearing ring; deformation; hot fitted

TM612, TK730.3+23

B

1000-3983(2016)06-0048-05

2015-12-17

邵建林（1984-），2008年6月畢業于四川大學水電學院熱能與動力工程專業，獲得本科學歷，現從事水輪發電機組的檢修維護工作，工程師。

審稿人：馬文豪