水布埡電站水輪機(jī)頂蓋滲漏問題研究與處理

李 權(quán)，謝 斐，吳盼盼

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

水輪機(jī)頂蓋[1]的作用是與底環(huán)一起構(gòu)成過流通道，防止水流上溢；支撐導(dǎo)葉、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及有的機(jī)組的操縱機(jī)構(gòu)；支撐水導(dǎo)軸承以及其它附屬裝置。

1 電站概況

清江水布埡電站裝有4臺(tái)單機(jī)為460 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭183.5 m，設(shè)計(jì)流量278 m3/s，保證出力312 MW，水輪機(jī)型號(hào)為：HLS45-LJ-597，由上海福伊特西門子水電設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)制造。

2 運(yùn)行狀況

水布埡電站頂蓋滲漏主要是頂蓋滲油和滲水兩方面問題。

水布埡電站水導(dǎo)油箱由擋油桶、油槽底板和頂蓋等附件組成。機(jī)組運(yùn)行多年后，由頂蓋組成的水導(dǎo)油箱部分在頂蓋組合縫處開始滲油，并且滲油情況有變嚴(yán)重的趨勢(shì)。頂蓋滲油的問題導(dǎo)致水導(dǎo)軸承透平油浪費(fèi)情況時(shí)刻存在，并且也是水導(dǎo)軸承運(yùn)行的安全隱患。

水布埡電站頂蓋止漏環(huán)是通過螺栓固定在頂蓋上的，在機(jī)組擴(kuò)修過程中，發(fā)現(xiàn)在軸向方向止漏環(huán)與頂蓋之間一側(cè)間隙很大，間隙大的側(cè)面密封因沒有壓縮量處于失效狀態(tài)，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪室的壓力水從密封失效處進(jìn)入到止漏環(huán)與頂蓋空腔，然后從止漏環(huán)的緊固螺栓螺紋處滲漏到頂蓋外，并且機(jī)組擴(kuò)修中發(fā)現(xiàn)有6顆止漏環(huán)緊固螺栓發(fā)生斷裂，存在壓力水通過螺孔噴出導(dǎo)致水淹水導(dǎo)的安全隱患，目前僅通過更換密封不能解決這個(gè)安全隱患。

3 滲漏分析

3.1 關(guān)于頂蓋滲油問題的分析

水布埡電站水導(dǎo)軸承油箱內(nèi)油量自2015年開始出現(xiàn)不正常減少的情況。無論是查看的油位計(jì)油位還是對(duì)比實(shí)測(cè)油位，均表明水導(dǎo)油箱出現(xiàn)了滲油現(xiàn)象。逐一核查排除了水導(dǎo)油箱底板和水導(dǎo)擋油桶滲油，鎖定了水導(dǎo)油箱滲油的部位為水導(dǎo)油箱頂蓋組成部位，具體滲油部位件圖1中左上部標(biāo)紅線處。頂蓋滲油的根本的原因是由于頂蓋分瓣組合縫處密封老化失效，頂蓋組合縫內(nèi)形成了油路通道，水導(dǎo)油箱內(nèi)透平油通過密封失效的頂蓋組合縫滲油到油箱外部。

圖1 頂蓋滲油處圖

3.2 關(guān)于頂蓋滲水問題的分析

水布埡電站機(jī)組在擴(kuò)修過程中拆卸起吊頂蓋時(shí)發(fā)現(xiàn)止漏環(huán)與頂蓋間的夾腔內(nèi)有大量積水漏出，見圖2。止漏環(huán)與頂蓋間夾腔內(nèi)是機(jī)組設(shè)計(jì)中本不應(yīng)該有水滲入的，并且在止漏環(huán)緊固螺栓處也發(fā)現(xiàn)有少量水滲出。另擴(kuò)修中檢查發(fā)現(xiàn)頂蓋和止漏環(huán)軸向配合面間隙不均勻，配合面存在打磨的痕跡。在+Y偏-X間隙偏大約為0.70 mm，在對(duì)稱側(cè)約為0.20 mm，(5135H8/f7設(shè)計(jì)配合單邊間隙為0.10～0.6 mm 考慮到密封壓縮，單邊間隙控制在0.40 mm能夠較好的封水)。+Y偏-X間隙偏大約為0.70 mm存在密封壓縮量過小存在漏水的情況。實(shí)際情況亦是如此。由此可以確認(rèn)頂蓋漏水部位就是頂蓋與止漏環(huán)配合間隙處。

圖2 頂蓋積水夾腔圖

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)止漏環(huán)緊固螺栓有6顆斷裂(共132顆M24 A2-70不銹鋼螺栓)，斷裂方位在+Y偏+X。止漏環(huán)進(jìn)行清掃PT探傷發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)立筋板與上環(huán)板聯(lián)接焊縫有14條開裂，見圖3。

圖3 止漏環(huán)筋板裂紋

依據(jù)安裝時(shí)候的情況說明，3號(hào)機(jī)組頂蓋止漏環(huán)按廠家設(shè)計(jì)規(guī)范要求與頂蓋把合后，實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)其圓度同樣不能達(dá)到規(guī)范要求，以及在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)止漏環(huán)外沿有打磨的痕跡，止漏環(huán)的外圓存在不圓的情況。由此可知，頂蓋與止漏環(huán)的間隙超標(biāo)，引起兩者間密封失效是導(dǎo)致頂蓋滲水的主要原因。

由于漏水方位與立筋裂紋及螺栓斷裂方位基本一致，因此可認(rèn)為由于止漏環(huán)與頂蓋軸向的密封漏水導(dǎo)致存在壓力脈動(dòng)引起止漏環(huán)振動(dòng)加劇。由此也反應(yīng)了止漏環(huán)緊固螺栓斷裂和止漏環(huán)立筋裂紋是頂蓋與止漏環(huán)滲水產(chǎn)生一系列不良影響。

4 滲漏處理

4.1 關(guān)于頂蓋滲油問題的處理

考慮到水布埡電站頂蓋組合面的密封條更換難度大，并且密封條在此復(fù)雜環(huán)境中使用壽命的年限不確定性，同時(shí)更重要的是頂蓋以后已經(jīng)沒有了分瓣檢修的必要，所以采取對(duì)頂蓋分瓣面進(jìn)行封焊處理[2]，使頂蓋形成整體以消除滲油可能性。

對(duì)頂蓋分瓣面封焊處理方法和技術(shù)[3]要求如下：

1)在頂蓋分瓣處打出 4×45°左右的坡口，即在的兩個(gè)分瓣面過水過油的配合處打磨坡口。打坡口范圍見圖1中標(biāo)紅線部分。

2)對(duì)密封槽端部進(jìn)行塞焊并修磨，塞焊范圍見圖4中標(biāo)紅線部分。所有有配合要求的封焊面必須拋光打磨，并要求拋光后封焊面滿足裝配密封要求。

圖4 頂蓋密封槽端部塞焊部位圖

3)對(duì)分瓣面進(jìn)行封焊，使用氬弧焊打底以便保證封焊質(zhì)量。分瓣面封焊和修磨完成后，使用DPT5檢測(cè)劑檢測(cè)焊接質(zhì)量，封焊面不得有氣孔和裂紋。

4.2 關(guān)于頂蓋滲水問題的處理

鑒于止漏環(huán)與頂蓋配合面的圓度超標(biāo)情況，無法進(jìn)行止漏環(huán)修復(fù)，同時(shí)頂蓋以后都沒有分瓣的必要，所以可以考慮將止漏環(huán)與頂蓋組焊成一個(gè)整體的[4]。止漏環(huán)封焊可以解決漏水的問題，同時(shí)可以解決漏水引起的壓力脈動(dòng)和水力振動(dòng)[5]，讓止漏環(huán)與頂蓋焊接和螺栓聯(lián)合受力是有向好趨勢(shì)的改善。因焊接只是封焊，熔深比較少。如后續(xù)擴(kuò)修發(fā)現(xiàn)封焊開裂或者定期對(duì)固定螺栓檢查發(fā)現(xiàn)斷裂數(shù)量多可以刨開焊縫檢查止漏環(huán)。在工藝合理，控制好變形的前提下，將頂蓋和止漏環(huán)封焊成一體的方法是合理、可行的。

對(duì)頂蓋與止漏環(huán)封焊處理方法和技術(shù)[3,6]要求如下：

1)由于止漏環(huán)的設(shè)計(jì)，其主體采用環(huán)板與錐桶焊接結(jié)構(gòu)，截面呈三角結(jié)構(gòu)，且背部有頂蓋支撐，整體結(jié)構(gòu)剛性和受力情況較好。但由于材料使用的是1Cr18Ni9Ti奧氏體抗晶間腐蝕不銹鋼，焊后較難通過效應(yīng)力熱處理消除焊接殘余應(yīng)力，因此封焊處理過程中，不斷有應(yīng)力釋放，所以焊接關(guān)鍵在于控制變形，采用對(duì)稱分段跳焊并架表監(jiān)測(cè)是必要的，也是要嚴(yán)格控制的。

2)對(duì)頂蓋和止漏環(huán)配合的上下兩個(gè)面進(jìn)行封焊，使用氬弧焊打底以便保證封焊質(zhì)量，封焊范圍為圖5中位置1和位置2。止漏環(huán)內(nèi)圓處無需開坡口，整圈角焊，焊高4 mm左右。止漏環(huán)外圓處在頂蓋上開坡口4 mm×45°。焊接使用手工電弧焊或氬弧焊工藝。

圖5 頂蓋與止漏環(huán)封焊部位圖

焊材選用E309L-16 3.2 mm不銹鋼焊條或ER309L 2 mm不銹鋼焊條。封焊完成后進(jìn)行修磨處理，再使用DPT5檢測(cè)劑檢測(cè)焊接質(zhì)量，封焊面不得有氣孔和裂紋。

3)封焊完成后，利用頂絲孔制作專用工裝做密閉性試驗(yàn)，要求封焊部位不能發(fā)生滲漏情況。

5 結(jié) 語

本文為水布埡電站頂蓋滲漏問題找到了解決方案。解決了水布埡電站頂蓋從2015年開始出現(xiàn)滲水和滲油的問題，消除了機(jī)組存在的安全隱患和對(duì)環(huán)境的污染，且在機(jī)組擴(kuò)修實(shí)施后頂蓋成功通過了機(jī)組試運(yùn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)檢測(cè)。該方案在成功解決水布埡電站水輪機(jī)頂蓋滲漏問題的同時(shí)，也為其他電站的水輪機(jī)針對(duì)類似問題的檢修提供了借鑒。