水電站過流部件修復改造

胡小剛，趙宗引

（1.重慶大唐國際武隆水電開發(fā)有限公司，重慶 武隆 408506；2.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443133）

1 概述

沙灣水電站位于四川省涼山州木里縣境內，是木里河干流（上通壩～阿布地）水電規(guī)劃“一庫六級”的第三級電站，上游與卡基娃梯級相接，下游接俄公堡梯級。工程開發(fā)任務為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水，電站采用低閘引水式開發(fā)，具有日調節(jié)性能，電站總裝機容量240 MW，裝設4臺單機容量60 MW立軸混流式水輪發(fā)電機組，多年平均發(fā)電量12.711億kW·h，于2012年10月20日前建成供四川省電網。沙灣電站閘址位于木里河干流瓦郎溝溝口下游約1.5 km處，控制集水面積6 813 km2。廠址位于木里河干流沙灣大橋下游約1.5 km，控制集水面積7 522 km2。沙灣水電站為HLA351-LJ-305立式混流式水輪機，與SF60-18/5500懸式水輪發(fā)電機直聯(lián)，其主要參數：

額定水頭：220 m

額定轉速：333.3 r/min

額定容量：80 MVA

額定功率：60 MW

額定電壓：10.5 kV

額定電流：4 399 A

飛逸轉速：558 r/min

機組安裝高程：2 309 m

河流多年平均流量：103 m3/s

年平均含沙量：0.854 kg/m3

天然汛期多年平均含沙量：1.10 kg/m3

年平均過機含沙量：0.561 kg/m3

中數粒徑：0.033 mm

過機泥沙中莫式硬度大于或等于5的硬礦物含量：1.0%～2.0%。

表1為過機懸移質顆粒級配表。

表1 年過機懸移質顆粒級配表

根據沙灣水電站的泥沙資料[1]，本電站的過機泥沙含量較重。沙灣水電站水頭范圍在218.00～257.60 m，正處于大中型混流式水輪機的典型運用水頭范圍內。木里河懸移質礦物成分中以莫氏硬度小于5的軟礦物為主，綠泥石、絹云母、黑云母、碳酸鹽、鈦鐵礦等占了98%以上，莫氏硬度大于5的硬礦物為石英、長石，約占1.0～2.0%。

整個水電站由中國電建集團成都勘測設計研究院設計，四川二灘國際有限責任公司監(jiān)理，東風電機有限公司提供制造安裝的水輪發(fā)電機組。

2 3號機組A修前運行及缺陷狀況

沙灣水電站自2012年9月份發(fā)電至2014年已經安全運行3年之久，經歷了三次年度計劃性C修，進行了消缺維護及技術改造工作：對導軸承密封蓋改造[2]，解決了導軸承油霧外漏、甩油問題；水車室踏板改造；漏油箱油位標尺改造；檢修排水泵改造。

沙灣水電站是木里河流域最早投入商用的電站，為高水頭混流式水輪機，由于其具有運行水頭高、額定轉速高、過流部件流速高，過機泥沙重等特點。經歷3年的運行后，機組缺陷處于高發(fā)期，以機械缺陷較為嚴重。其中3號機組為最早投入運行的機組，也是暴露出缺陷最多的。其具體缺陷為：

（1）擺度超標，機組投運時滿負荷運行振動和擺度數據在合格范圍內[3]，而運行3年多后，機組擺度超標，但瓦溫和振動正常，在標準范圍內。

（2）頂蓋上的+X方向上止漏環(huán)間隙測量孔封堵螺栓滲水。滲水位置在+X方向，測孔封堵螺栓上方為頂蓋補氣管，扳手無法操作，另外無法判斷滲水原因，螺栓無密封墊，安裝時在螺栓上纏繞生料帶及涂抹密封膠后封堵，目前不能判斷出是密封材料因長時間運行沖刷脫落還是因水流沖刷對螺栓孔造成磨損。如是密封材料問題只需要拆除頂蓋補氣管后即可處理；如是螺栓孔磨損而造成的滲水，要看是螺紋損壞還是螺栓孔汽蝕，但不管是哪種原因都需要吊出頂蓋后才能處理。

（3）3號機組在2014年C修檢查調整導葉端、立面間隙時發(fā)現在發(fā)電初期引水隧洞內殘留的土建鋼模板鑲嵌在一片固定導葉上，因撞擊造成導葉出現磨損。一片活動導葉因氣蝕問題，中軸部位已出現約1/3的磨損。

（4）3號機組在2014年C修檢查時發(fā)現機組過流部件包括轉輪、頂蓋、底環(huán)、導葉出現不同程度的氣蝕[4]，以頂蓋、底環(huán)、導葉最為嚴重，需要對過流部件進行返廠維修重新加工。因上、下止漏環(huán)在轉輪上冠上部及底環(huán)下部，無法檢查到位，暫不清楚氣蝕磨損情況。

（5）由于導水機構漏水過大，機組停機投入風閘后轉速不能降下來，停機流程退出，會關閉進水蝶閥。頻繁的開關機，造成蝶閥旁通閥電動機構失效，加劇了蝶閥缸體泄露，也使蝶閥油泵啟動較為頻繁，造成開機不成功，受到電網公司的非計劃停運考核等。

針對上面的缺陷沙灣公司經過專題會議討論對3號機組進行A修，主要解決過流部件氣蝕缺陷、導葉漏水問題，并進行盤車調整機組軸線。

3 沙灣水電站水輪機轉輪及過流部件

（1）沙灣電站轉輪為混流式轉輪。轉輪上冠、下環(huán)材質采用ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼；葉片采用VOD精煉鑄造，采用焊接結構，應有足夠的強度和剛度，轉輪的機械強度須滿足7.5萬kW出力的要求。轉輪采用長短葉片，焊接結構。轉輪泄水錐采用不銹鋼材料制造，與轉輪上冠把合為一整體。轉動止漏環(huán)在轉輪本體上加工成型。葉片、上冠及下環(huán)出廠硬度不低于HB280。

（2）水輪機導水機構，包括頂蓋、底環(huán)、導葉、導葉軸承和密封以及固定止漏環(huán)和抗磨板。其中頂蓋和底環(huán)由鋼板焊接制造，所有焊縫應力釋放；都為整體運輸，頂蓋和底環(huán)與導葉上、下端面的對應部位設置有可拆卸和更換的抗磨板。在頂蓋和底環(huán)上裝有不銹鋼止漏環(huán)，并與轉輪上的止漏環(huán)相匹配。導葉采用ZG06Cr13Ni5Mo全不銹鋼材料，共24個導葉，軸套均采用鋼背復合材料制成，軸套在干、水、油脂介質中均具有良好的自潤滑性能。導葉采用三支點支承方式，活動導葉端面密封為橡膠碳材料密封導葉，全關時立面采用剛性接觸密封。

4 3號機組導水部件受損分析及處理

2015年元月沙灣水電站對3號機組A修，吊出轉輪及過流部件，查看水輪機受損情況：

（1）轉輪：轉輪葉片進水側磨蝕[5]嚴重，轉輪上下梳齒止漏環(huán)磨損較小，轉輪上冠、下環(huán)有一定磨損，轉輪葉片頭部背面有明顯的凹凸不平的坑且有銹蝕痕跡，正面磨損較小，疑似石塊沖擊，轉輪上冠葉片之間的過流面有呈規(guī)律的氣蝕區(qū)域，葉片尾部背面存在氣蝕，如不處理將導致葉片氣蝕加速(見圖1)。

（2）頂蓋：頂蓋抗磨板、頂蓋梳齒止漏環(huán)等位置磨損嚴重；頂蓋轉輪上腔止漏環(huán)根部位置整圈磨消深度約50 mm，寬度約30 mm(見圖2)。

（3）底環(huán)：導葉分布圓以內抗磨板、梳齒止漏環(huán)等位置磨損嚴重，部分位置暴露出碳鋼底層(見圖3)。

（4）導葉：導葉背部整體磨蝕出現嚴重魚鱗狀痕跡，局部磨蝕量約10 mm(見圖4)，活動導葉端面密封為碳精塊密封，已經被氣蝕成蜂窩狀。

圖1 轉輪葉片氣蝕

圖2 頂蓋磨蝕

圖3 底環(huán)磨蝕

圖4 導葉磨蝕

經過設備主機廠家、加工廠家、沙灣電站專業(yè)技術人員共同查看分析：木里河當前水質情況與原設計參數存在較大差異，制造原材料不滿足設計要求；泥沙的存在，改變了清潔水流的物化特性和流動性；泥沙挾帶的氣泡增加了水中的氣核；泥沙使水輪機流道內的流場和壓力場發(fā)生了畸變；沙粒對過流部件表面的反復沖擊和切削形成的局部磨損使繞流發(fā)生劇變，產生脫流漩渦，引起局部壓力降低。上述因素均為泥沙水流氣蝕的產生或提前發(fā)生創(chuàng)造了條件，因此多泥沙電站水輪機更易產生氣蝕。而含沙量較大的中高水頭電站，相對速度較大，過流部件的氣蝕和磨損聯(lián)合破壞更應引起注意。泥沙磨損會造成機組效率的下降和發(fā)電量減少。因此，對于多泥沙中高水頭電站水輪機生產，應綜合考慮其特殊性，在生產制造過程中，應采取特殊的技術措施。高水頭多泥沙電站存在的主要問題有水力振動、軸向水推力大和密封件易于磨損，其中水力振動的原因之一是轉輪上、下止漏環(huán)間隙過小，止漏環(huán)前后壓差大，加工、安裝又無法達到理想同心度，在止漏環(huán)中產生旋轉壓力場引起自激震蕩。原因之二是轉輪上腔與頂蓋下端的腔體太小，其中水力不均引起的軸向振動。軸向水推力太大，增加了軸承推力負荷，對軸承的可靠運行不利。清除止漏環(huán)泥沙可延長密封件壽命，提高容積效率。

5 過流部件的修復工藝

5.1 轉輪的修復

對需焊補區(qū)域表面清理干凈 (清除油污、潮濕等)，以達到焊接質量所需的要求。將焊接區(qū)域預熱100℃后，用0Cr13Ni5Mo焊條，焊接采用多層窄道焊。焊前焊條必須按焊條使用說明書進行烘干，放入保溫筒隨用隨取。除第一層和蓋面層焊道外，其余焊層應用風鏟進行錘擊，以釋放焊接應力。焊后轉輪進行消氫處理。此轉輪的焊接量較大且轉輪運行水頭較高，焊后應進行去應力退火。合格后精車轉輪外圓及止漏環(huán)，同時檢查轉輪法蘭面的形位公差和尺寸，必要時，少量車修。轉輪及其泵板進行靜平衡試驗，殘余不平衡重量少于圖紙要求。

5.2 頂蓋和底環(huán)的修復

按頂蓋及底環(huán)設計形狀和尺寸，對頂蓋和底環(huán)過流面各表面的缺陷部位進行確認，堆焊區(qū)域包括頂蓋抗磨板及內圓過流面、導葉孔止口、密封槽邊緣。重新制作新止漏環(huán)，新止漏環(huán)按圖加工后把在頂蓋上與頂蓋一起同車。對碳鋼表面的焊補采用ER70S-6焊絲，電流180～260 A小規(guī)范焊接參數進行，各處缺陷要求跳躍焊補并盡可能對稱；如堆焊需要，允許在23號導葉孔內點焊悶板，厚度6 mm左右；對堆焊層的焊補采用ER410NiMo焊絲，電流180～260 A小規(guī)范焊接參數進行 (較深缺陷可先用ER3091，進行焊接過渡)，各處缺陷要求跳躍焊補盡可能對稱，磨損深度已達過渡段磨穿的區(qū)域，ER410NiMo焊絲堆焊層厚≥4 mm；對較深凹坑先取一處做試驗；待修補合格(無裂紋)后進入下一步焊接。按頂蓋和底環(huán)及上、下止漏環(huán)原設計形狀、尺寸和本次返修要求，對不符合區(qū)域或部位進行確認和記錄供最終評判；對焊接區(qū)域進行著色探傷。

5.3 導葉端面密封改造

沙灣水電站原導葉端面密封塊為高分子材料，缺點是不耐泥沙，與導葉端面接觸時如混有泥沙極易損壞，此材料適合作為環(huán)境清潔時的密封材料，不適合用于多泥沙電站，改造方案有兩種。

（1）根據以往經驗如機組無調相運行或機組轉輪直徑小于5 m，可取消導葉端面密封塊結構，頂蓋、底環(huán)抗磨板整個為平面，目前300 m水頭段的機組許多也沒有設計導葉端面密封。

（2）目前使用效果最好的導葉端面密封結構是采用鎳鋁青銅作為密封材料，如不銹鎳鋁青銅密封條倒T型，底部墊彈性橡膠墊，兩側用不銹鋼壓板壓住，機組運行時導葉端面與密封條接觸，由于鎳鋁青銅的硬度較高，耐磨性好，且不會將導葉拉傷，使用壽命和效果較好，但費用較高。

以上兩種導葉端面密封效果分析：在300 m的混流式機組，這些機組之前導葉均裝有端面密封，材料為銅，實踐證明此結構加速了導葉端面氣蝕，而取消后，嚴格控制導葉瓣體高度尺寸，和頂蓋底環(huán)抗磨板尺寸，從而縮小了導葉端面間隙，滿足導水機構端面密封要求。而沙灣水電站導葉端面密封，原來也是橡膠碳材料，不適用多泥沙電站，使用壽命很短，因此建議取消。將原來的橡膠密封取消掉，進行封焊并配車，新的端面間隙較小，不需要特別維護。先對葉型端面進行堆焊，再對葉型端面及軸徑根部圓弧處進行焊補，最后對葉型缺陷處進行焊補，進水邊搭接面處堆焊；出水邊堆補同材料不銹鋼，下軸徑表面需同時堆焊。

上述部件修復后在廠內預裝，并修磨導葉立面間隙（見圖5），預裝后按以下標準檢查：

1）頂蓋與底環(huán)預裝時檢查頂蓋與底環(huán)過流面間的高度，在圓周上測8點，相差不得大于圖紙要求。活動導葉高度尺寸符合圖紙標注，以保證導葉端面間隙在設計標準范圍內。

2）活動導葉用鋼絲繩捆緊時，立面間隙用0.05 mm塞尺檢查應全部不能通過。

3）頂蓋、底環(huán)配車加工并在廠家進行預裝，以保證上、下止漏環(huán)的同軸度在設計標準范圍內（見圖6）。

圖5 技改后的導葉及端面密封

圖6 導水機構預裝

2015年4月1日沙灣水電站對導水機構及轉輪進行返廠維修，對頂蓋、底環(huán)、導葉氣蝕部位進行焊接與無損探傷，并取消導葉端面密封塊結構，將頂蓋、底環(huán)抗磨板整個焊車為平面，并結合機組擴容要求對轉輪進行了修型技改。經過一系列的改造后，2015年5月27日，機組回裝后，啟動運行，振動擺度、瓦溫都在合格范圍，經過相對效率及穩(wěn)定性試驗，驗證機組可靠性，并經72 h滿負荷驗證，于5月29日并網運行。

根據沙灣水電站壓力鋼管布置情況，壓力鋼管采用分組一管兩機布置，向機組供水，3號、4號機組通過一個主管經一個岔管分別向機組供水。考慮到壓力鋼管進口、管道變化、管道轉彎等壓力水頭損失，通過對3號、4號機組的耗水率和導葉漏水量進行比較分析初略判斷運行1年多導水機構運行狀態(tài)（見表2）。根據實時耗水率=流量/功率計算，通過下面的數據分析可以看出，在類似運行條件（水頭、蝸殼壓力）下，不論大修初期還是運行1年后的狀況，3號機組實時耗水率較4號機組要小，通過數據比較3號機組運行1年后振動、擺度都在合格范圍，3號機組運行狀況比4號機組要好。

表2 機組運行狀態(tài)表(振擺單位μm)

通過GER9000超聲波流量計比較（見表3），在3號、4號機組停機的狀態(tài)下（停機導葉全關、接力器鎖定投入）可以看出，3號機組的導葉漏水量較4號機組要小。

表3 機組停機后的流量

經過統(tǒng)計，在2015年6月1日到2016年5月31日1年的運行時間里，3號機組開停機達110次（含8次長時間停機備用后的開機空轉），機組開機成功率100%，未發(fā)生開停機超時，受到電網的考核，也未發(fā)生過導葉漏水大，關閉機組進口蝶閥的狀況，說明此次技改后，導水機構導葉密封良好。

6 結論

沙灣水電站3號機組過流部件技改檢修后經過1年多時間的運行驗證：

（1）改造后的密封效果顯著，導葉漏水量大大減少，減輕了導葉氣蝕破壞，保證了機組安全穩(wěn)定運行，延長了設備使用壽命，提高了設備可用系數，節(jié)省了檢修費用，節(jié)約大量水力資源。

（2）導水機構是決定機組檢修工作量的一個重要方面，通過水輪機導葉密封結構改造，可延長檢修周期，縮短檢修時間，可將原3年大修或9年擴修周期分別延長1年或3年。

（3）結合機組擴容的要求，對轉輪葉片的修復技改，經驗證振動、擺度、壓力脈動都在合格范圍，為其它機組的技改和擴容提供了可借鑒的依據。通過1年多時間的運行，驗證了本次水輪機過流部件的修復改造是成功的。

[1]成都勘察設計研究院.四川省木里河沙灣水電站工程初步設計報告[R].成都，2004.

[2]胡小剛.沙灣水電站軸承密封蓋優(yōu)化改造[J].水電站機電技術,2015(1):53-56.

[3]胡小剛.沙灣水電站2號機組運行振動原因淺析[J].水電與新能源,2015(2):38-44.

[4]金井露，吳培安，陳春國.混流式水輪機頂蓋磨蝕機理與設計問題[J].農田水利與小水電,1994(11):38-42.

[5]R.T柯乃普.空化與空蝕[M].水利水電科學研究院譯.北京：水利出版社，1981.