某水電站尾水進人門缺陷研究處理

曹家起，楊德志，閆志飛，劉警安

（雅礱江流域水電開發有限公司官地水力發電廠，四川 成都 610051）

0 前言

該水電站位于四川省涼山州西昌市與鹽源縣交界處，與西昌市直線距離約40 km，公路里程約80 km。主要建筑物由左右岸擋水壩、中孔壩段和溢流壩段(碾壓混凝土重力壩)、消力池、右岸引水系統及地下廠房發電系統組成。右岸布置引水發電系統，壓力管道采用單機單管供水，右岸地下廠房裝機4臺600 MW機組，總裝機容量2 400 MW，年平均發電量為111.29億kW·h。電站的開發任務主要是發電，與上游電站作為一組電源同步運行，在電力系統中承擔調峰及調頻任務。4臺機組于2013年3月全部投產發電，水輪機型號為HLD538-LJ-770型混流式立軸水輪機，由東方電氣集團東方電機有限公司制造。

1 尾水進人門結構介紹

該水電站尾水管的型式為窄高彎肘形尾水管，為便于進入尾水管檢查和維修轉輪而不必拆卸水輪機，在錐管段上設置有1個600 mm×800 mm的進人門，進人門座由現場焊接在尾水錐管上，左右各設置兩道長筋板、兩道短筋板以增加尾水門強度，門蓋由26顆M 24不銹鋼螺栓把合至門座，檢修期從左至右打開方便人員進出（如圖1所示）。并在錐管里襯的適當位置設有測壓接頭，用于測量錐管壓力，壓力脈動等。在進人門下部兩側設有小門及凹槽，用于檢修平臺的安裝。布置情況如圖2所示。

圖1 尾水進人門現場示意圖

圖2 尾水進人門布置圖

2 運行過程中發現的問題及原因分析

該水電站首臺機組于2012年3月31日正式發電，2013年全部投產，至今已良好運行近十年，在2020年1月巡檢發現2號機組部分尾水門筋板存在不同程度裂紋（如圖3、4、5所示），部分裂紋已延伸至尾水管本體，對機組安全穩定運行產生了很大隱患。對問題產生原因、處理方法進行分析。

圖3 左側第二塊筋板裂紋

圖4 左側第四塊筋板裂紋

圖5 左側第四塊筋板裂紋延伸圖

產生原因分析如下：

（1）尾水壓力脈動較大，且進人門周圍無混凝土包裹，因此進人門附近振動比較大，焊縫容易產生裂紋。

（2）2號機尾水門左側少焊2塊短筋板，該筋板作用是增加剛強度，缺失對整體受力產生影響。

（3）進人門附近焊縫焊腳偏小，焊接質量較差。

因機組暫不具備消缺條件，因此為保證機組安全運行，將進行以下幾個方面研究，擇出最優工況，并每天進行機組巡視檢查，確保裂紋無擴大趨勢。

3 壓力脈動對尾水管壁產生的影響

研究表明，轉輪出口、直錐段進口處壓力脈動值很大，沿尾水管流動方向減弱，肘管處略有增強[1]。同時由于尾水管內本來就會出現復雜的流體運動，尤其是在過渡過程中，更是伴隨著壓力脈動，氣泡產生和潰滅，這樣就使得尾水管內的水流呈三維的氣液兩相流狀態[2]。更加難以進行研究。

尾水管壓力脈動產生和機組運行的工況有很大關系，經驗表明，機組在部分負荷時，明顯感覺較大振動，在滿負荷及超負荷時振動較小，因此本文將通過水輪機模型數據及大量監控數據分析，擇出最優運行工況，以滿足機組健康穩定運行。水輪機主要參數見表1。

表1 水輪機主要參數

4 水輪機模型實驗數據

HLD538-LJ-770水輪機在出廠時已進行詳細模型實驗，最終實驗報告部分如下（模型測點見圖6、表2）：

圖6 水輪機模型測點

表2 模型測點示意圖

（1）在長期連續安全穩定運行范圍內，尾水錐管距轉輪出口0.30D2測點處所測得的壓力脈動時域相對幅值最大6.5%，出現在最低水頭45%預想出力附近，頻譜分析表明，無明顯的激振頻率；在部分負荷運行工況，頻譜分析表明，壓力脈動頻率為0.25~0.4倍的轉頻，為典型低頻渦帶頻率。

（2）模型水輪機尾水錐管距轉輪出口0.30D2處壓力脈動試驗結果見表3。

5 運行過程中曲線分析

曲線分析主要截取不同出力下，導葉開度及尾水管壓力脈動變化規律（如圖7、圖8、圖9所示）。

圖7 出力變化下壓力脈動變化值

圖8 90%額定出力下壓力脈動變化值

圖9 額定出力下壓力脈動變化值

曲線分析可以得知，機組調整負荷時壓力脈動變化最大，90%額定出力下，壓力值為0.19 MPa，額定出力下，壓力值為0.20 MPa。可以得知壓力在80%~100%P下，尾水管所受壓力脈動最小。

6 尾水門筋板裂紋處理

由以上分析可以得出，為保證機組安全運行，做出以下措施：

（1）盡量減少2號機作為調峰、調頻機組運作。

（2）根據水頭變化，及時調整負荷，盡量使2號機處于壓力脈動最小的出力范圍。

（3）每天進行巡視檢查，每周進行一次PT探傷，如有延伸趨勢，立即匯報處理。

（4）根據工作安排在具備處理條件（尾水管完全排空）時完全處理缺陷。

2020年~2021年機組檢修期間，對2號機尾水門筋板裂紋進行了完全的處理。在機組停機狀態并排空尾水后，將原門蓋拆下，并對所有焊縫進行PT探傷，在過流面尾水門區域周圍全面進行UT探傷，以檢查是否存在隱形缺陷。安裝工藝門蓋（如圖10所示），以增加門座密封面在焊接過程中的剛性，避免因焊接導致門座變形，產生不良后果，通過工藝門蓋中間，焊接人員可自由進出流道，現場通過工藝門蓋與密封面的把合間隙調節速度和方位，確保門座密封面焊接后的平整度。具體處理方法及要求如下：

圖10 工藝門蓋結構圖

（1）對存在裂紋處的門座焊縫清理掉長100 mm（對稱裂紋處），對裂紋按30°角，深25 mm刨開（碳弧氣刨）。用錐磨頭或旋轉銼清理刨開斜面見金屬光澤。PT探傷檢查斜面上及清理門座焊縫處不能存在裂紋，否則繼續清理至無裂紋為止。清理斜面見金屬光澤。焊補各清理處，要求預熱到90℃~110℃，焊接電流130 A~160 A，逐層錘擊消應，到距離表面10 mm時暫停。過流面沿焊縫位置清理坡口，清根，按30°角深25 mm刨開（碳弧氣刨），用錐磨頭或旋轉銼清理刨開斜面見金屬光澤。PT探傷檢查底、斜面上不能存在裂紋，否則繼續清理至無裂紋為止。清理斜面見金屬光澤。 焊補清理處，要求預熱到90℃~110℃，焊接電流130 A~160 A，逐層錘擊消應，滿焊。將過流面外側焊縫滿焊。打磨焊縫表面平滑過渡。分段、對稱清理門座角焊縫、打磨見金屬光澤。PT檢查是否存在裂紋，焊接門座清理處的角焊縫，每段按200 mm長一次各分4段對稱進行。注意檢查工具門蓋與門座密封平面的間隙，按間隙變化的情況調整焊接方位及焊接速度。至門座焊縫滿足設計要求為止，打磨角焊縫，PT探傷檢查合格。錐管本體裂紋處理完成后再裝焊筋板。焊接要求同上述焊接要求一致。

（2）按原圖紙要求增加左側兩塊筋板；在進人門上、下方各增加一處筋板，以增加進人門剛性，減少焊縫疲勞。

（3）將筋板與門座間角焊由10改為12，以增加焊量，保證焊縫強度。

（4）將原機組的焊縫全部進行打磨處理，并按角焊12進行補焊，焊后對焊縫進行PT探傷，以確保焊接質量。

（5）焊接前預熱，焊接過程中必須逐層錘擊消應，確保焊后門座密封平面的平面度要求。錐管焊接部位應采用AWSE309L不銹鋼焊條，筋板與門座焊接部分應采用CHE5015碳鋼焊條。

缺陷處理后，經PT探傷無問題，滿足運行要求，并在后續運行期間進行6個月定期探傷檢查均未發現異常，將尾水門焊縫探傷列入機組后期檢修重點檢查項目，進行跟蹤檢查。至此，電站尾水進人門缺陷已完全進行處理。

7 結論

（1）水電站水輪機組在機組調整負荷時壓力脈動變化最大，因此應避免尾水門或尾水錐管有缺陷并暫時不具備條件處理的機組擔任調峰、調頻機組。

（2）根據模型實驗結論及運行過程中數據分析，可以得出在不同水頭下，調整出力可有效減少尾水管壓力脈動產生，在80%～100%P下，尾水管所受壓力脈動最小。

（3）結合機組檢修工作，在具備條件的情況下，該水電站對機組尾水進人門進行了全面的檢查、處理，經過1年運行，目前均無新增裂紋，機組運行良好。

研究水電站尾水進人門缺陷有助于提升混流式電站面對相似問題處理能力及方法，具有較大的參考意義。