水輪機(jī)頂蓋護(hù)板現(xiàn)場修復(fù)工藝的研究

□ 楊應(yīng)武

阿壩水電開發(fā)有限公司 成都 610041

1 研究背景

目前我國水輪機(jī)磨蝕現(xiàn)象比較普遍，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。在水輪機(jī)受氣蝕和泥沙磨蝕部件中，一般以轉(zhuǎn)輪較為嚴(yán)重，頂蓋和導(dǎo)葉較輕。但某一級水電站機(jī)組投運(yùn)一年后，頂蓋、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪的磨蝕均較嚴(yán)重，機(jī)組已經(jīng)完全無法安全運(yùn)行，不得不進(jìn)行大修處理。

該一級水電站位于臨滄市云縣境內(nèi)的羅扎河干流中游河段上，羅扎河屬瀾滄江右岸一級支流，為羅扎河五級規(guī)劃開發(fā)方案的第二級。水電站以發(fā)電為開發(fā)目標(biāo)。

水輪機(jī)為混流式，型號為 HL（LLT61）-LJ-202。發(fā)電機(jī)為懸吊式，型號為SF-J20-18/40000。推力瓦為彈性金屬塑料瓦，上下導(dǎo)軸承為巴氏合金分塊瓦，分別為六塊和八塊，水導(dǎo)軸承為四分瓣筒式巴氏合金瓦。水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)均由杭州大路發(fā)電設(shè)備有限公司制造。

頂蓋共設(shè)計24個導(dǎo)葉軸套孔，水輪機(jī)瓦座、主軸密封座等固定部件均由頂蓋支撐。導(dǎo)葉端面采用剛性密封，總間隙為0.16～0.56 mm。根據(jù)安裝的一般要求，頂蓋護(hù)板與導(dǎo)葉端面之間的間隙為0.10～0.35 mm。頂蓋護(hù)板采用厚為15 mm的不銹鋼抗磨材料，利用沉頭螺栓與頂蓋緊固，且護(hù)板與頂蓋之間無間隙。頂蓋止漏環(huán)與護(hù)板相似，采用不銹鋼材質(zhì)，利用沉頭螺栓緊固。頂蓋止漏環(huán)與護(hù)板未連接成整體，其接觸環(huán)縫間隙基本為0 mm。頂蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 頂蓋結(jié)構(gòu)

2 磨蝕情況

頂蓋護(hù)板磨蝕部位集中在導(dǎo)葉軸頸孔四周，磨蝕面積約占總面積的50%，最大磨蝕深度為5 mm。磨蝕面光滑，類似于用角向磨光機(jī)打磨過，未出現(xiàn)麻眼、凹坑等氣蝕特征。導(dǎo)葉軸頸孔內(nèi)導(dǎo)向銅套的安裝止口已被破壞頂。蓋護(hù)板磨蝕情況如圖2所示。

圖2 頂蓋護(hù)板磨蝕情況

3 現(xiàn)場補(bǔ)焊

3.1 現(xiàn)場補(bǔ)焊方案

根據(jù)供貨廠家及電廠意見，頂蓋護(hù)板補(bǔ)焊由制造廠家進(jìn)行，補(bǔ)焊方法為將頂蓋調(diào)平，采用φ1.2 mm不銹鋼焊絲進(jìn)行亞弧焊接形式的堆焊[1]。焊接時加大焊接電流且加快焊接速度，在頂蓋內(nèi)外側(cè)各架設(shè)一個百分表進(jìn)行監(jiān)測。堆焊從磨蝕嚴(yán)重部位開始逐漸向外擴(kuò)展，由一名焊工施焊，另有一人配合施焊，主要對焊接后的部位采用錘擊的方法消除焊接應(yīng)力。

3.2 補(bǔ)焊后數(shù)據(jù)檢測

補(bǔ)焊后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，發(fā)現(xiàn)頂蓋護(hù)板已經(jīng)變形，無法進(jìn)行正常的預(yù)裝工作，具體情況如下。

（1）頂蓋護(hù)板與止漏環(huán)的環(huán)縫處已經(jīng)上拱1 mm左右。

（2）頂蓋護(hù)板與頂蓋主體已經(jīng)變形，且產(chǎn)生了間隙，徑向靠內(nèi)側(cè)間隙為0.10～0.25 mm，靠外側(cè)間隙為 0.05～0.10 mm。

4 變形處理

頂蓋護(hù)板變形主要是指護(hù)板與頂蓋本體間出現(xiàn)層間間隙，產(chǎn)生上拱現(xiàn)象。因此，處理變形時主要考慮消除堆焊產(chǎn)生的應(yīng)力變形，使護(hù)板與頂蓋本體緊密緊固連接。具體處理方法如下。

（1）將頂蓋護(hù)板與頂蓋本體臨時點(diǎn)焊，采用磁座鉆依次將原固定護(hù)板的沉頭螺栓全部拆除，并安裝新的沉頭螺栓。

（2）采用加熱片對頂蓋護(hù)板進(jìn)行預(yù)熱加溫，預(yù)熱溫度為100～120℃。加熱前先搭設(shè)臨時保溫棚，采用石棉布封嚴(yán)，然后圍繞護(hù)板表面鋪設(shè)加熱片進(jìn)行加溫[2-6]。

（3）應(yīng)用制作的如圖3所示壓緊專用工具依次對頂蓋護(hù)板上拱部位進(jìn)行壓平處理。壓緊工具不得少于十對，壓緊處理前應(yīng)將焊點(diǎn)磨平，壓緊的同時對四周的沉頭螺栓進(jìn)行緊固。

圖3 壓緊專用工具

（4）拆除加熱片，自然冷卻后檢測頂蓋護(hù)板與頂蓋本體接觸情況，符合要求后拆除壓緊專用工具，再次復(fù)測數(shù)據(jù)。

（5）滿足要求后將沉頭螺栓孔采用氬弧焊接形式進(jìn)行封堵焊接。

5 現(xiàn)場打磨

頂蓋護(hù)板變形處理后，堆焊位置的高度均高于頂蓋本體表面，護(hù)板與活動導(dǎo)葉端面的間隙為0.15～0.35 mm，因此頂蓋護(hù)板堆焊位置需要進(jìn)行現(xiàn)場打磨，控制其平面度，這對機(jī)組安全運(yùn)行十分重要。頂蓋護(hù)板現(xiàn)場打磨具體步驟如下。

（1）確定打磨方案。根據(jù)裝配圖紙，頂蓋護(hù)板與底環(huán)開檔H1～H4尺寸偏差均為0.10～0.35 mm，如圖4所示。將頂蓋翻身吊入基坑安裝定位銷釘，并擰緊16個連接螺栓，測量底環(huán)與頂蓋的開檔尺寸。以底環(huán)護(hù)板平面為基準(zhǔn)，采用內(nèi)徑千分尺檢測頂蓋護(hù)板平面度。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析可知，頂蓋護(hù)板a平面圓周開檔偏差為0.10～0.20 mm，滿足設(shè)計圖紙加工工藝要求。因此，以a平面圓周為基準(zhǔn)，用刀尺檢測保證堆焊部位相對于a平面低0.02～0.15 mm。

圖4 頂蓋平面度檢測示意圖

（2）拆除頂蓋連接螺栓后，將頂蓋吊出基坑，翻身進(jìn)行打磨。采用角向磨光機(jī)進(jìn)行人工打磨，為了加快進(jìn)度，安排四人對稱進(jìn)行。打磨時先用磨光片進(jìn)行粗打磨，待打磨尺寸基本滿足要求后用拋光片進(jìn)行拋光打磨。

（3）在H1～H4尺寸精度均滿足要求后，用方形油石對頂蓋護(hù)板表面進(jìn)行研磨，如圖5所示。同時用紅丹粉均勻涂在量具平面上，再輕輕在護(hù)板上滑動，檢測表面接觸面積[6]，保證任意1 cm2內(nèi)有一兩個接觸點(diǎn)，這樣才滿足要求。

圖5 方形油石研磨頂蓋護(hù)板

6 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)端面間隙調(diào)整

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝前要先測量全部活動導(dǎo)葉開檔數(shù)據(jù)，并與圖4中H1數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，滿足要求后再可進(jìn)行預(yù)裝工作。將導(dǎo)葉按廠家編號依次吊入安裝工位，然后將頂蓋吊入基坑與座環(huán)相連。當(dāng)定位銷安裝就位后，手動轉(zhuǎn)動所有活動導(dǎo)葉，檢驗是否靈活。所有活動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動靈活后，擰緊16個螺栓使頂蓋與座環(huán)連接，再次轉(zhuǎn)動檢查所有活動導(dǎo)葉是否有卡死。一切正常后，安裝全部連接螺栓并擰緊。為了保證預(yù)裝質(zhì)量，應(yīng)將所有導(dǎo)葉套筒安裝后進(jìn)行端面間隙和同軸度檢測[7]。

預(yù)裝后的端面進(jìn)行間隙測量時，在滿足導(dǎo)葉全開到全閉過程中應(yīng)對所有平面的端面間隙進(jìn)行測量，保證導(dǎo)葉在運(yùn)行過程中安全可靠。經(jīng)測量，最大總間隙在24號導(dǎo)葉上，其值為0.65 mm，上部最小總間隙在14號導(dǎo)葉上，其值為0.25 mm。最大間隙比設(shè)計間隙大0.09mm，經(jīng)制造廠家確認(rèn)能夠滿足安全運(yùn)行要求。24號和14號導(dǎo)葉端面間隙測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 端面間隙測量數(shù)據(jù)mm

7 工期分析

該一級水電站1號機(jī)組A級檢修從開工到完成所有回裝工作歷時48天，其中頂蓋護(hù)板現(xiàn)場修復(fù)工作歷時18天。如果將頂蓋返回制造廠修復(fù)，根據(jù)制造廠家意見，至少要用45天，因此1號機(jī)組頂蓋護(hù)板現(xiàn)場修復(fù)至少節(jié)約工期27天，為機(jī)組提前投入運(yùn)行創(chuàng)造了條件。1號機(jī)組頂蓋護(hù)板經(jīng)現(xiàn)場修復(fù)投運(yùn)后，運(yùn)行情況安全穩(wěn)定，過流部件的噪聲與頂蓋的振動均滿足要求。

8 其它注意事項

1號機(jī)組頂蓋護(hù)板現(xiàn)場修復(fù)中出現(xiàn)堆焊后護(hù)板嚴(yán)重變形現(xiàn)象，加大了打磨處理難度。筆者認(rèn)為，頂蓋護(hù)板為不銹鋼材質(zhì)，且厚度僅為15 mm，在焊接時雖然采用了氬弧焊接形式，但產(chǎn)生的熱量也足以導(dǎo)致焊接變形，因此在進(jìn)行堆焊時應(yīng)采取防變形措施。具體防變形措施如下。

（1）焊前預(yù)熱，每焊接一層后，采用風(fēng)鎬消除應(yīng)力。焊接完畢后，要保溫一段時間，然后采取自然冷卻方式，以確保殘余應(yīng)力徹底釋放[8-9]。

（2）堆焊時采用分區(qū)對稱方式進(jìn)行[10]，焊工每次堆焊應(yīng)盡量少焊，以使焊接溫度均勻分布，并在施焊過程中觀測百分表數(shù)據(jù)變化情況。

（3）堆焊應(yīng)從中間開始向兩側(cè)逐步進(jìn)行焊接，且應(yīng)在滿足堆焊方位的基礎(chǔ)上先從堆焊厚度大的部位開始。

（4）堆焊前使用如圖3所示壓緊專用工具，以減小焊接過程中的變形。

9 結(jié)束語

筆者以某一級水電站1號機(jī)組為例，介紹了混流式水輪機(jī)組頂蓋護(hù)板現(xiàn)場堆焊修復(fù)工藝及端面間隙調(diào)整的方法和過程，闡述了在頂蓋護(hù)板堆焊過程中的注意事項。實(shí)踐證明，頂蓋護(hù)板現(xiàn)場修復(fù)工藝是可行有效的，而且能為機(jī)組檢修節(jié)約工期，可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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