大型軸流轉槳機組導葉套筒優化改造

胡小剛

(重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶 408500)

1 概述

某水電站位于烏江下游河段，壩址位于重慶市武隆區境內，電站開發方式為壩式水電站，大壩為混凝土重力壩，壩頂高程227.5 m，最大壩高78.5 m，壩頂長度600.1 m，水庫正常蓄水位215 m，死水位211.5 m，水庫總庫容3.2億m3，調節庫容0.37億m3，為日調節水電站。樞紐建筑物從左到右依次布置為電站廠房壩段、泄洪壩段、船閘壩段。安裝4臺單機容量161.25 MW的軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量645 MW，多年平均發電量27.08億kW·h。電站水輪機正常運行水頭范圍為13～35.12 m，加權平均水頭為29.66 m，額定水頭26.5 m。其運行水頭屬低水頭且水頭變幅較大，該水頭是軸流轉槳式機型較理想的運行范圍。每臺機組有活動導葉28個，導葉由布置在二、三象限的2個雙作用液壓直缸接力器通過控制環及連接板、導葉臂來控制，接力器操作油壓 6.3 MPa。

2 導葉套筒運行狀況

該電站4臺機組于2011年先后投入運行，初期運行狀態正常，2015年開始出現個別導葉套筒漏水。2017年則出現多個套筒漏水缺陷，一年內統計的漏水缺陷多達10余條，給機組安全運行帶來了嚴重的安全隱患。相對于混流式機組頂蓋排水有頂蓋自流排水、固定導葉空心自流排水、頂蓋泵排水[1]等方式，而軸流轉槳式水輪機頂蓋排水主要依靠頂蓋泵排水[2]。導葉套筒漏水量增大，直接導致頂蓋排水泵頻繁啟動，加重了頂蓋泵的負擔，縮短頂蓋泵的使用壽命。漏水量大造成頂蓋泵抽水時間間隔由之前的25 min縮短為5 min，臨時增加了兩臺潛水泵抽水作業，使得情況才有所好轉。由于該電站河道狹窄，下游水位變幅受下泄流量影響大，頂蓋及支持蓋排水采用潛水泵，由170 m直接排向廠房下游205 m高程，選用揚程40 m，流量15 m3/h，7.5 kW的三臺潛水排污泵。由于導葉軸套漏水嚴重，有可能造成機組在運行中水淹水導軸承導致機組事故停機，嚴重影響機組的運行安全。2017年機組年度檢修對滲漏導葉套筒拆卸發現中軸套的抗磨材料脫落較嚴重，中軸套有明顯的龜裂或脆化現象；頂蓋與導葉軸套之間的J型密封有損壞，密封件內側有明顯的剪切痕跡。

由于現場處理需要將中套鋼背拆除，對導葉軸套機加工，將新的備件用干冰冷套處理，而現場不具備處理條件，只能對銅瓦清理打磨安裝定位銷回裝，未根本解決問題。

3 導水機構介紹

導水機構由28只活動導葉、頂蓋、底環、支持蓋、導葉套筒、傳動機構控制環及操作機構等組成，導葉最大開口為854 mm，對應的接力器行程為1 634.4 mm。相鄰導葉最大開口偏差不大于設計值的±2 %，其平均值不大于設計值的±1.5 %。導葉中軸套與下軸套要求同心，關閉導葉時，立面間隙一般為0，局部間隙不大于0.15 mm，其長度不大于導葉高度的25 %。導葉采用焊接結構，導葉上中下軸均采用20 SiMn鋼鍛造，采用熱套方式包不銹鋼，導葉上下軸與本體焊接成一體，整體退火后進行加工。導葉軸頸設有可靠的止水方式，上部為J型、下部為O型密封，可以阻止水流進導葉軸承。導葉立面采用不銹鋼剛性密封。導水機構導葉設有剪斷銷裝置，當剪斷銷破斷時，能自動報警。導葉軸上部設有一個可以調整的自潤滑推力軸承，可防止水力和機械力的作用引起的導葉和抗磨板之間的過分擠壓。導葉為整鑄結構，導葉上中下軸套均采用鋼背聚甲醛制成，軸套直接壓入套筒內和底環上。導葉上下端面鑲焊不銹鋼板，導葉頭部立面密封處堆焊不銹鋼層，不銹鋼層厚度不小于8 mm。導葉尾部鑲焊不銹鋼條。每個導葉上設有限位銷，以限制導葉失控時的全開位置。導葉上還設有摩擦限位裝置，限制導葉在剪斷銷剪斷后不產生擺動和不穩定運行?；顒訉~有上、中、下三部軸套，上、中軸套布置在頂蓋套筒上下兩端。中軸套直接與機組蝸殼相通，在機組運行時，蝸殼內充滿了水，主要目的是為了阻止蝸殼內的水往上溢。中軸套的結構形式為：在頂蓋下部設計有28個軸孔，導葉中軸套壓入套筒后，中軸套底部再壓入J型密封，密封頂蓋端面和活動導葉軸頸到位后，套筒頂部用2個φ30的螺尾錐銷定位，12個M36的螺栓固定在頂蓋上，支承著導葉上部和中部的軸頸。

4 導葉套筒漏水原因分析

在2014年B修的時候發現控制環抗磨板有碎屑，導葉剪斷銷有存在不同程度的上爬，導葉止推壓板脫落，導葉上浮造成上端面間隙過小和頂蓋上的抗磨板刮擦等現象。在2014年B修中對水輪機控制環抗磨板進行了更換改造，改造后控制環恢復至中心位置，控制環動作靈活、抗磨板工作可靠。經過一年的運行，未發現抗磨板磨損異常，解決了原抗磨板磨損選型不當導致抗磨板磨損過度、控制環中心偏移的問題[3]。在導葉剪斷銷上安裝止推裝置[4]；重新更換導葉止推壓板螺釘緊固，防止導葉上浮而碰撞頂蓋和影響連桿受力；重新調整導葉立面及端面間隙使之滿足規程要求。

在2015年陸續出現導葉套筒滲漏，為了找出原因從人、機、管、環方面進行分析。

(1) 人員安裝方面。機組由施工方水電八局安裝，查詢安裝記錄，均符合設計要求，滿足GB/T 8564《水輪發電機組安裝技術規范》等要求，且機組已運行多年，若安裝方法錯誤，漏水情況應在機組投產初期暴露出來。人員工藝問題可以排除。

(2) 密封方面。機組導葉套筒所使用的J型密封為原設備廠家供貨，材質為丁腈橡膠，均有檢驗合格證明[5]，并且根據冬修時拆卸套筒取出密封檢查，密封圈情況良好。

(3) 運行環境方面。4臺機組投運至今，運行工況穩定。烏江泥沙含量也較低[6]。運行環境滿足要求。

(4) 設備設計方面。根據2017年冬修拆卸導葉套筒檢查發現中軸套自潤滑部分脫落，隨導葉軸活動，致使J型密封受損，造成漏水。該機組為大型軸流轉漿機組，導葉壓緊行程為10 mm，導葉（上、中、下）三點支撐，其中上軸套軸承尺寸為導葉臂上軸頸尺寸為間隙很大只是限位，而中軸套配合公差為φ370 H7/e7、下軸套配合公差為300 H8/e7為基孔制間隙配合，導葉受力支點主要為中軸套和下軸套。

通過對各個因素的論證，得出了導葉漏水的主要原因：由于中軸套設計缺陷問題，中軸套承載不足，在經過多年運行后，中軸套自潤滑軸套脫落[7]，割破軸套下部的J型密封，導致漏水。針對這一問題，與設計及設備廠家進行聯系，得知使用同型號軸套的其他電廠均出現自潤滑層脫落問題。分析原因為FZB06鋼套銅合金雙金屬鑲嵌聚甲醛自潤滑軸套配備的低碳冷軋鋼板為基體，燒結含有潤滑劑的青銅合金為摩擦表面的復合材料，當承載力不足時會出現脫殼現象。此外該材料價格明顯低于銅基鑲嵌自潤滑材料，機組設計選型時選擇了價格較為低廉、強度不足的產品。

5 導葉套筒漏水的危害

水輪機導葉套筒密封失效而引起水泄漏事故層出不窮，對于水輪機導葉套筒密封材料和工藝結構的研究也成為了很多研究人員所關注的焦點。水輪機導葉軸套內部上部軸瓦和中部軸瓦均采用具有自潤滑功能的復合層銅瓦，同時中部軸瓦的下端采用J型密封圈封水，在機組運行過程中，隨著導葉的轉動使中軸套瓦脫落逐漸移動，導致套筒下端的J型密封破損，水流就會直接在拐臂和軸套的配合間隙中噴涌而出，噴射到頂蓋的各個部位。銅瓦的脫落一方面造成導葉立面間隙的變化，在機組運行時水不能沿圓周均勻地進入轉輪造成水力不平衡，引起機組水力振動擺度增大；機組停機時造成導葉漏水量過大，易引起導葉間隙氣蝕，損壞導葉，嚴重時會造成機組自轉。

若導葉滲漏問題不能從根本上解決，一方面增加每次檢修的維護成本；另一方面漏水增大導致機組在運行時存在水淹水導引起機組非計劃停運等安全隱患。

為徹底消除設備安全隱患，必須探索采用新式的導葉套筒，對導葉中軸套的自潤滑軸瓦進行優化改造，提升整個套筒的性能，減少機組檢修次數，降低檢修人員的工作量，同時對其他機組類似問題的處理提供可靠依據，從而降低設備運行維護成本，提高機組運行可靠性。

6 導葉套筒改造方案

導葉套筒漏水最根本的原因是導葉中軸套抗磨材料的承載力不足磨損脫落。所以，選用高強度更耐磨的軸套直接改進換型是最好的解決方法。結合國內自潤滑軸承先進工藝技術，在滿足導水機構設計要求的基本條件下，對中軸套材質、結構、工藝進行合理選型。

選擇FZB053自潤滑軸承，其是以高強度銅合金為基體，上下均布通孔，孔中填充固體潤滑劑，軸承摩擦層涂有固體潤滑膜，具有優異潤滑性能和抗磨損性能，摩擦系數低，承載力更高；抗拉強度大于等于780 MPa，屈服強度大于等于520 MPa，伸長率大于等于13 %，硬度值大于等于200 HB，材料的摩擦系數為0.08～0.13，均滿足設計要求并有裕度，為國內自潤滑軸套產品中技術先進、工藝成熟的產品，完全滿足本項目需求。由于在現場難以將損壞的中軸套鋼背從套筒中取出，而若將套筒拆卸整體返廠處理又會延誤檢修工期，因此決定整體購買裝配好的新型套筒對原套筒進行更換，原套筒返廠更換軸套后再運回做備品。

7 改造方案的實施

2017年6月，通過可行性研究及方案論證，決定采購14個導葉套筒進行更換，因工期限制，決定在年底的檢修中，首先對3號機組漏水的導葉套筒進行更換。2017年9月完成合同簽訂，廠家開始制作導葉套筒(根據需要更換的導葉套筒數量為4個，確定檢修工期為16天)；2017年12月，導葉套筒到貨經驗收合格。在3號機組完成套筒更換后，又陸續對2號、4號機組進行了套筒更換，并且將換下的套筒進行返廠處理，處理后作為備品，待下次檢修將其余套筒更換，最后將4臺機組的導葉套筒全部更換。使用“新舊交替”的方法更換設備，節約了生產成本，同時為處理其他類似問題時尋找最有效、最經濟的解決辦法提供了借鑒。

8 結束語

結合2017年度機組檢修，完成2～4號機組共7套新導葉套筒的更換投入應用，機組開機調試檢查及日常定期觀測。裝配有新型中軸套的導葉機構運行狀況穩定，頂蓋泵停泵時間明顯延長，機組整體運行狀況穩定，充分體現了新型中軸套的配套性、互換性，消除了套筒漏水，極大地降低了排水設施廠用電量及人工維護成本，為公司創造了良好的經濟效益。從2017年開始，對滲漏的導葉軸套全部進行了優化改造，更換后的中軸套無滲漏，有效解決了漏水的缺陷，為機組的安全運行提供了重要保證。

截至目前，更換后的導葉套筒均未出現漏水問題，大大提高了設備的運行的安全可靠性，同時降低了設備的檢修維護成本，減少了因導葉漏水引起的水泵運行時間，降低了廠用電量，起到了降本增效的目的。