水輪機(jī)止漏環(huán)脫落原因分析及處理

成 安

(安康水力發(fā)電廠，陜西省安康市 725000)

水輪機(jī)止漏環(huán)脫落原因分析及處理

成 安

(安康水力發(fā)電廠，陜西省安康市 725000)

安康聯(lián)營水電站水輪機(jī)下固定止漏環(huán)運行中發(fā)生了脫落現(xiàn)象。文章從機(jī)組設(shè)計、制造安裝、設(shè)備運行3個方面分析了水輪機(jī)止漏環(huán)脫落的原因；介紹了水輪機(jī)下固定止漏環(huán)修復(fù)處理的工藝和措施。經(jīng)處理后，機(jī)組運行狀況良好，各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求。關(guān)鍵詞：止漏環(huán)脫落；結(jié)構(gòu)設(shè)計；機(jī)組振動;水電站

1 止漏環(huán)脫落概況

安康聯(lián)營水電站安裝1臺52.5MW的水輪發(fā)電機(jī)組，其水輪機(jī)型號為HLD85-LJ-300，設(shè)計水頭為73.7 m，設(shè)計流量為82 m3/s,轉(zhuǎn)輪直徑為3 000 mm,其止漏環(huán)型式為間隙式。機(jī)組于1991年12月投運，20多年來，水輪機(jī)運行正常，未發(fā)生過大的故障。2016年4月1日，聯(lián)營電站機(jī)組開始B級檢修，4月6日，檢修人員進(jìn)入尾水管檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪下環(huán)外側(cè)與基礎(chǔ)環(huán)之間有一金屬物(如圖1所示)，初步分析判斷該金屬物為脫落的下固定止漏環(huán)。經(jīng)進(jìn)一步檢查，下固定止漏環(huán)脫落長度約為其周長的一半，脫落的止漏環(huán)懸在轉(zhuǎn)輪下環(huán)和水輪機(jī)基礎(chǔ)環(huán)之間，如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)輪下環(huán)外側(cè)與基礎(chǔ)環(huán)之間照片

圖2 脫落的止漏環(huán)照片

2 止漏環(huán)脫落原因分析

引起止漏環(huán)脫落的因素比較多，既有設(shè)計、制造安裝原因，也有運行方面的原因[1]，主要有以下幾個方面。

2.1 設(shè)計方面原因

固定止漏環(huán)與頂蓋或底環(huán)的連接固定方式主要有2種，一種是止漏環(huán)靠機(jī)械力頂壓與頂蓋或底環(huán)貼合后將兩者焊接連在一起，該結(jié)構(gòu)型式焊接量較大，焊接變形容易導(dǎo)致工件形狀和尺寸的變化，止漏環(huán)焊接后需要再次進(jìn)行機(jī)加工。大型水輪機(jī)為了提高止漏環(huán)與頂蓋或底環(huán)的連接強度，除焊接外，還均布幾排徑向螺釘加以固定[2]。另一種是采用過盈配合的方式，先將固定止漏環(huán)焊成一個整環(huán)，在兩者有一定過盈量的情況下利用冷套工藝，即使用液氮或干冰等冷卻介質(zhì)將固定止漏環(huán)冷卻，通過冷卻使固定止漏環(huán)尺寸縮小，從而使原來的過盈配合變成間隙配合，這樣就可順利完成套裝作業(yè)，待止漏環(huán)恢復(fù)正常溫度后，止漏環(huán)就可以靠過盈配合緊緊地貼合在頂蓋或底環(huán)上[3-5]。

2.2 制造安裝方面原因

止漏環(huán)下部環(huán)焊縫存在坡口尺寸小、不符合圖紙要求的問題；上下環(huán)焊縫均存在加渣、未熔合等焊接缺陷，使設(shè)計本來就非常薄弱的焊縫更加脆弱，下固定止漏環(huán)和底環(huán)的連接強度進(jìn)一步降低。

圖3 底環(huán)裝配圖 單位：mm

2.3 運行方面原因

由于調(diào)度安排、水頭變化、機(jī)組啟停有過渡過程等原因，水輪機(jī)不可能一直處于最優(yōu)工況下運行。當(dāng)水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運行時，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的水流不再是無撞擊進(jìn)口，有撞擊和脫流現(xiàn)象。轉(zhuǎn)輪出口的水流不再是法向出口，而是帶有圓周速度分量，水流在尾水管內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，在尾水管中心形成漩渦。因非最優(yōu)工況時轉(zhuǎn)輪出口的水流是非對稱的，導(dǎo)致尾水管中產(chǎn)生螺旋狀不穩(wěn)定的空腔渦帶，空腔渦帶使尾水管內(nèi)發(fā)生周期性低頻壓力脈動，從而激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、基礎(chǔ)環(huán)、底環(huán)等部件的振動。水輪機(jī)運行偏離最優(yōu)工況越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的振動越劇烈。當(dāng)壓力脈動頻率接近過流部件的固有頻率時，就可能出現(xiàn)水力共振[6-8]。這樣，底環(huán)和下固定止漏環(huán)既受壓力脈動的影響又受水力振動的影響，止漏環(huán)焊縫承受交變應(yīng)力的作用，長時間作用就會產(chǎn)生疲勞破壞，導(dǎo)致焊縫開裂，進(jìn)而使止漏環(huán)脫落。

綜上所述，下固定止漏環(huán)與底環(huán)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是造成下固定止漏環(huán)脫落的主要原因，制造安裝質(zhì)量不良是其次要原因，機(jī)組運行中產(chǎn)生壓力動脈振動是誘因。

3 止漏環(huán)脫落處理措施

3.1 部件的起升

根據(jù)其他水電廠的經(jīng)驗，底環(huán)上的固定止漏環(huán)損壞后修復(fù)時應(yīng)將底環(huán)吊出機(jī)坑，需要在機(jī)組A級檢修中進(jìn)行。由于機(jī)組A級檢修拆卸部件很多、拆卸工作量大、工期長，而且之前沒做A級檢修的各項準(zhǔn)備工作，不具備開展A級檢修的條件，只能按僅分解水輪機(jī)部分、底環(huán)在機(jī)坑內(nèi)起升一定高度進(jìn)行修復(fù)的方案執(zhí)行。在起吊底環(huán)前需要先將水導(dǎo)軸承、控制環(huán)、頂蓋、導(dǎo)水葉等部件分解吊起，其中頂蓋、導(dǎo)水葉分解起升工作量最大。按照常規(guī)，應(yīng)將每個拐臂、套筒、導(dǎo)水葉分別拆除、吊起，然后再起升頂蓋，但是，分解回裝24個導(dǎo)葉工作量太大，需要十幾天時間，為了縮短檢修工期，減少拆裝工作量，采用將導(dǎo)葉、套筒、拐臂等部件和頂蓋一起頂升的方法[9]。

3.1.1 頂蓋等部件的起升

先將控制環(huán)、水導(dǎo)軸承等部件起吊到一定高度并固定在下機(jī)架上，拆除主軸密封、接力器活塞等影響頂蓋起升的部件。

起升頂蓋時，先用4個32 t的螺旋千斤頂進(jìn)行頂升操作，操作時4個千斤頂在統(tǒng)一指揮下同時起升，開始時每次起升5 mm,每次起升后測量調(diào)整一次8個方位的起升高度，以保證頂蓋在起升過程中基本保持水平。頂蓋起升到120 mm、導(dǎo)葉下軸頸全部出軸套后，改用手拉葫蘆起升，每起升20 mm檢查一次頂蓋水平和中心位置，測量各個方位起升高度，根據(jù)測量數(shù)據(jù)、手拉葫蘆受力情況適當(dāng)調(diào)整，使頂蓋水平和中心位置基本不變。起升過程中還應(yīng)注意檢測頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間間隙，不能讓頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間的上止漏環(huán)過分摩擦。為了頂蓋的順利起升、限制頂蓋水平方向位移，加裝了6根M42 mm的導(dǎo)向螺桿。由于起升部件質(zhì)量較大，約36 t，而起升用的手拉葫蘆單個起重量只有10 t，單個手拉葫蘆不能承受整個起升部件的重量，為防止在起升過程中手拉葫蘆出現(xiàn)鏈條斷裂等故障造成單個手拉葫蘆受力，將頂蓋通過鋼絲繩連到橋式起重機(jī)主鉤上，該鋼絲繩作為安全保險繩。 當(dāng)起升至合適高度時，停止起升，使用手拉葫蘆調(diào)整頂蓋整體水平，然后將頂蓋加鋼管支撐并固定好。

3.1.2 底環(huán)的起升

底環(huán)的起升采取先用頂絲頂升一定高度再用手拉葫蘆起升的方法。先拆除底環(huán)與基礎(chǔ)環(huán)連接螺栓和定位銷，清除底環(huán)與座環(huán)配合間隙中的雜物，用4個M48 mm頂絲將底環(huán)緩慢頂升，頂升20 mm后改用手拉葫蘆起升。在下固定止漏環(huán)未出下轉(zhuǎn)動止漏環(huán)之前，注意監(jiān)測調(diào)整底環(huán)的水平和中心位置，以免固定止漏環(huán)和轉(zhuǎn)動止漏環(huán)相碰和卡阻。底環(huán)起升高度以高出轉(zhuǎn)輪上冠上平面600～800 mm為宜，便于工作人員站在轉(zhuǎn)輪上冠上處理止漏環(huán)。

3.2 下止漏環(huán)的處理

總體方案是去除舊止漏環(huán)，更換1個新加工的止漏環(huán)，新止漏環(huán)內(nèi)外徑尺寸保持原尺寸不變，為便于止漏環(huán)上部與底環(huán)焊接，高度尺寸由原來的160 mm變成120 mm。加大止漏環(huán)與底環(huán)下部角焊縫的尺寸，焊縫腳高由原來的10 mm增加到15 mm；增加上部角焊縫，其腳高為15 mm。新止漏環(huán)分成4瓣，以便運輸及安裝。

采用碳弧氣刨將舊止漏環(huán)焊縫進(jìn)行吹刨，注意防止底環(huán)變形以及損傷其過流表面，將舊止漏環(huán)切割成8段取出。對底環(huán)與止漏環(huán)配合的內(nèi)圓基面進(jìn)行打磨，要求表面平整光滑、見金屬光澤。

新止漏環(huán)就位于底環(huán)相應(yīng)位置，用C形夾將止漏環(huán)加緊，并用塞尺檢查其外側(cè)圓柱面與底環(huán)的間隙合格，先點焊固定。用圓弧型模板檢查止漏環(huán)形狀和尺寸，尺寸檢查合格后進(jìn)行定位焊。定位焊前應(yīng)采用氧-乙炔烤槍進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)到要求后進(jìn)行定位焊。每瓣止漏環(huán)坡口定位焊長度150 mm，深度15 mm，定位6段；角焊縫定位長度150 mm，焊腳15 mm，定位6段。定位焊完成后，用模板檢查裝配尺寸，合格后進(jìn)行正式焊接。正式焊接前對待焊區(qū)域進(jìn)行清理和預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥70 ℃，滿足要求后進(jìn)行焊接。焊接時采用多層、多道、分段、退步焊接方法，焊接層間溫度控制在250 ℃以內(nèi)，每焊一層均用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊，以消除焊接應(yīng)力和防止產(chǎn)生焊接裂紋，焊接順序由中間向兩端合縫處，環(huán)焊縫焊完后焊合縫立焊縫[10-12]。焊條選用?4 mm E309L焊條，焊接參數(shù)如表1。

表1 焊接參數(shù)表

裝焊完成后對止漏環(huán)內(nèi)圓用模板進(jìn)行檢測，結(jié)合檢測情況對止漏環(huán)內(nèi)表面進(jìn)行打磨，表面粗糙度符合圖紙要求。

由于轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)運行中與脫落的固定止漏環(huán)碰撞摩擦，其外圓磨出多個深度不同的溝槽，需對其進(jìn)行打磨，使表面粗糙度達(dá)到圖紙要求。

4 止漏環(huán)處理后的運行情況

止漏環(huán)處理和機(jī)組B級檢修結(jié)束后，機(jī)組于2016年5月投入運行，機(jī)組運行狀況良好，各項指標(biāo)均符合規(guī)范要求，其運行穩(wěn)定性參數(shù)見表2。

表2 機(jī)組運行穩(wěn)定性參數(shù)表

5 結(jié) 語

(1) 止漏環(huán)與底環(huán)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是止漏環(huán)脫落的主要原因。

(2) 止漏環(huán)損壞后修復(fù)困難，設(shè)備拆裝工作量巨大,檢修工期很長，特別是下止漏環(huán)。因此，止漏環(huán)連接結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)引起重視，大型水輪機(jī)止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)等部件的配合應(yīng)采用過盈配合，以增加其連接強度；中型水輪機(jī)止漏環(huán)采用間隙配合時，焊縫應(yīng)有足夠的焊接熔敷金屬量，保證焊接連接強度。

(3) 帶導(dǎo)葉和套筒等部件起升頂蓋的方法切實可行，這種方法可大大減少拐臂、連桿、套筒、導(dǎo)葉等部件的拆裝工作量，從而大幅度節(jié)約檢修工期，值得推廣。

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Cause Analysis and Handling of Falling of Leakage Stop Ring for Turbine

CHENG An

(Ankang Hydropower Plant, Ankang, Shaanxi 725000,China)

The fixed leakage stop ring under the turbine of Ankang Hydropower Plant falls off during operation. Causes for the ring falling are analyzed in terms of the unit design, manufacturing, installation and equipment operation. Technology and measures for repairing the ring falling are introduced. After the ring is handled, the unit operates well and indexes satisfy requirements.Key words:falling of leakage stop ring; structural design; unit vibration; hydropower station

1006—2610(2016)06—0062—04

2016-08-23

成安(1964- )，男，陜西省安康市人，副總工程師，工程師，主要從事水輪發(fā)電機(jī)組檢修技術(shù)工作.

TK730.8

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.016