大黑汀水庫河床電站5號機組支持蓋裂紋隱患處理

齊津安，周 濤，周世虎

(水利部海委引灤工程管理局，河北 遷西 064300)

1 工程概況

大黑汀水庫位于河北省遷西縣灤河干流上，距上游潘家口水庫35 km，是開發灤河的大型骨干工程，水庫主要任務是調節灤河水量，為天津市和河北省唐山市供水及向灤河下游提供工農業用水，并結合發電兼顧防洪等。

大黑汀水庫工程有渠首電站(4臺)和河床電站(1臺)，總裝機容量為2.16萬kW。河床電站為壩后式電站布置，安裝1臺1萬kW水輪發電機組。針對河床電站5號機組支持蓋裂紋，于2020年10月20日開始對機組存在的轉輪滲漏油、導葉密封條經常脫落等問題進行處理。為保證機組在春季供水期間按時發電運行，經過技術人員努力，2021年5月17日機組通過72h帶負荷試運行成功并網發電。

2 水輪機故障及運行現狀

5號機組為軸流轉漿式水輪發電機組，單機容量為1萬kW， 2014年進行增容改造，裝機容量由原來的8 800 kW增加到10 000 kW，水輪機型號為ZZ105-LH-300，發電機型號為TS425/79-32，為1978年杭州發電設備廠產品。1985年投入運行，至2020年運行30多年，先后發現支持蓋出現裂紋、機組轉輪漿葉滲漏油，由于常年運行造成水輪機通流部件磨損銹蝕、氣蝕十分嚴重，致使導葉間隙變大、燕尾槽銹蝕嚴重，導葉密封條脫落；導葉漏水等問題[1]。每次開機前需重新更換導葉密封條來保證機組充水平壓，提快速閘門，給機組安全穩定運行帶來巨大隱患，給日常運行造成負擔，轉輪滲漏油對下游供水質量造成一定的影響。

3 水輪機支持蓋裂紋、轉輪漏油等故障分析

3.1 支持蓋裂紋

5號機組原支持蓋為上下兩部分分體式結構(便于鑄造和加工)，材料為HT21-40灰鑄鐵，脆性較大[2]。由于水輪機是主要承重部件，經多年機組運行中的震動、抬機、緊急停機、故障停機等過程對該部件形成不同的沖擊，致使其常年承受水導軸承徑向載荷、渦殼下方水推力的軸向交變載荷。在2014年機組檢修過程中發現20多條縱向和橫向貫通性裂紋，每條裂紋的深度、貫通長度均有不同。具體見圖1。

圖1 機組支持蓋裂紋圖

多條裂紋出現后，一旦斷裂損毀，會造成機組軸線傾斜、定轉子掃膛燒瓦(上、下導，水導燒瓦，定轉子線圈短路)，將嚴重威脅機組的安全運行，甚至造成蝸殼中的水將大量噴涌出，造成水淹廠房事故。如果快速門關閉不及時，將對下游造成影響，如人員撤離不及時，將會造成人員傷亡事故，還將會對電網造成較大沖擊。由于快速門電源柜安裝在水輪機層，假如水大量噴出，會造成水輪機層上水嚴重，水淹控制盤柜。交流直流控制電源斷電后，油壓啟閉機無法將快速閘門落下，將會造成嚴重后果。

3.2 機組轉輪滲漏油

原轉輪槳葉密封為“入”型可拆卸式密封，雖這種密封結構合理，安裝簡便，但由于制造、安裝原因，其實際性能并不穩定，屬于擠壓式橡膠密封。其原理是依靠密封壓蓋和彈簧對頂緊環的作用力將3個密封面壓緊貼實到葉片樞軸、轉輪體，起到密封作用。這種密封在進行施工安裝時，要求頂緊環受力均勻，不能有卡阻；葉片下沉量必須在橡膠彈性變形范圍允許值之內；轉輪體內各部軸瓦間隙必須達到設計標準要求，一旦軸瓦間隙超標，會對密封造成滲漏油[3]。

轉輪葉片隨著機組運行時間的增長，其滲漏油現象逐漸明顯。對已運行30多年的機組進行檢查，發現葉片根部出現滲漏油，經多次更換處理，滲漏油問題尚未完全解決，增加了發電成本，嚴重影響下游供水的質量。

3.3 導葉密封條脫落

原導葉為帶橡膠密封條式(彈性密封)封水結構(Ф12丁晴橡膠條鑲嵌入導葉的燕尾槽中)，這種結構制造簡單，安裝方便，對導葉密封面加工精度要求相對較低。優點是結構密封效果好、成本低。缺點是經過一段時間運行，導葉密封槽被銹蝕、氣蝕后無法鑲嵌緊密封條，增加密封條后，導葉表面凹凸不平，水流阻力增加，導葉頭部容易產生氣蝕，密封條容易在運行過程中被水流沖掉、脫落。導葉密封槽氣蝕見圖2。在當年加工條件有限的情況下是良好的選擇，但耐久性、穩定性較差是導致密封條經常脫落的主要原因。隨著機械加工水平的不斷提升，導葉的直接接觸式密封(剛性密封)因其持久耐用、使用方便、不易產生氣蝕等優勢，在當前水輪發電機組制造中得到了廣泛應用[1-3]。

圖2 導葉密封槽氣蝕圖

從圖2中看出，由于該機組運行時間較長，水輪機導葉氣蝕比較嚴重，導葉密封槽不能鑲嵌緊密封條，造成了導葉密封條脫落、導葉漏水，致使機組蝸殼不能正常充水平壓；當快速閘門提起時，需每次開機前進行密封條更換，給運行管理帶來不便，雖每次檢修都進行不同程度處理，但結構尚未改變，漏水問題沒有徹底解決。因此，本次結構上從彈性密封改成剛性密封。

4 處理措施

4.1 機組支持蓋更新處理

根據上述原因分析，如果對現有支持蓋在工地進行焊接處理，需進行一系列的復雜熱處理工藝：嚴格的局部和整體探傷，搭設較大的保溫棚，焊接前進行預熱，焊接后需采取緩冷、恒溫、保溫等焊接技術措施，處理工期較長，所需費用高，質量無法得到保障[2-4]。

經咨詢原生產廠家杭州發電設備有限公司后，明確處理方案為放棄原支持蓋分體結構形式，設計加工一套整體支持蓋。本次支持蓋的材料由灰鑄鐵(HT21-40)變為結構鋼(Q235)，零件的抗拉強度σb由200 MPa提到235 MPa，護板由A3鋼變為優質不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)，增加了抗銹蝕及氣蝕能力，在電站現場進行現有支持蓋和原有機組零件的絞制銷釘定位，確保支持蓋在機組中現有各部尺寸位置不變，改為整體結構后便于在電站現場安裝精準定位。支持蓋到貨后，現場一次安裝成功，既保證了質量，又節省了工期。

4.2 機組轉輪滲漏油處理

通過分析、調研，將原“入”密封更換成“VX”型組合密封，新組合密封結構見圖3。這種密封結構與原“入”密封結構相似，在原來一道密封的基礎上又增加一道密封，密封材料由丁晴橡膠變為PU30聚氨酯，材料具有比原丁晴橡膠吸振、耐磨、耐油、拉伸強度高、撕裂強度高等優勢，具有良好的橡膠彈性和伸長率。該密封的結構特點如下：

圖3 “VX”型組合密封結構圖

(1) 密封元件裝入密封槽后，具有“自封性”。其自由形狀發生結構變形，翼端與密封槽工作面發生接觸，實現密封，由于支撐環的作用，只在密封唇的尖端產生壓力，即使不施加壓緊力，唇口也可封住一定內壓，有自封性。

(2) 具有足夠的彈性補償量(單邊2.5 mm)。允許有一定的偏心載荷和偏心運動，為消除轉輪制造安裝過程中存在的制造和安裝誤差。及機組運行過程中漿葉可能出現的極其不穩定運行工況下各種偏心運動提供基礎。該密封結構始終保持密封工作面和水輪機漿葉樞軸及轉輪體密封工作面貼緊，且受力均勻，在機組動態運行時，具有良好的封水、封油效果[5]。

(3) 具有耐沖擊力和振動力?？蔀樗啓C長期在各種不同工況下穩定安全運行提供保障。由于水輪機運行過程中存在較大振動和壓力脈動，為密封可以長期保持在機組運行打下了基礎。

(4) 漿葉葉片內側及外側沿著樞軸微量竄動(允許值1.5 mm)，在轉輪體彈性變形的情況下，轉輪體各個密封元件間隙量的變化始終保持封水、封油工作面，取得良好密封效果，為水輪機在各種運行工況下微量變形提供了封水、封油保證。

(5) 密封裝置在不拆卸水輪機葉片的情況下，拆裝方便，密封效果影響較小。當密封圈不能由軸向裝入時，可切開使用，安裝時只需將切口互相錯開即可，便于臨時搶修。

(6) 摩擦小、壽命長、有自動補償性，使用過程中始終可確保漿葉靈活轉動。

密封結構經過改造后的密封效果好，運行發電檢查時，沒有發現滲漏現象。

4.3 機組導葉滲漏水處理

采用導葉接觸面直接觸式的剛性密封，其優點是持久耐用，不用經常更換密封條，活動導葉過流平滑，水流阻力減少，不易產生氣蝕。安部位改裝完成后不需經常調整維護，減少了日常維護工作量。

在保持原基礎性金屬結構的前提下，對老的導葉密封槽及氣蝕部位進行補焊不銹鋼處理，導葉軸徑部位去掉銹蝕部分重新鑲嵌不銹鋼套塞焊處理，保持原型線不變，母材不變，達到了設計要求。由于總體結構尺寸變化不大，部件各部配合尺寸容易掌握，簡單方便，節省了資金。

對原導葉繪制導葉線型，制作樣板，以便按原樣板打磨。導葉頭部的密封槽進行加工后補焊不銹鋼磨條，尾部加工后補焊不銹鋼磨條，后再精加工，精密光滑過渡，保持原導葉線型不變,將原密封條式密封改成剛性接觸式密封。對導葉軸與原套筒部位重新加工鑲裝不銹鋼鋼軸套，原套筒內軸瓦更換成鋼背復合材料，配合間隙達到要求；對原來導葉立面、端面氣蝕磨損部位打磨補焊不銹鋼；進行加工后；保證立面、端面間隙合格；拆裝導水機構所有零部件，對24對導葉軸與導葉臂的分半鍵，重新進行現場配打定位，分半鍵孔更換分半鍵，保證整個導水機構的同步協調性。經過試驗運行，導葉密封效果良好，解決了導葉漏水問題。導葉頭部、尾部焊接示意見圖4[5-6]。

圖4 導葉頭部、尾部焊接示意圖 單位：mm

5 結 語

通過對大黑汀水庫河床電站5號機組支持蓋裂紋隱患現場處理，解決了機組導葉關閉不嚴、漏水、轉輪滲漏油等問題，確保了機組安全穩定運行，為機組在春季進行正常供水提供了保障，取得了明顯的發電效益，避免了水質污染，確保了供水質量。