紫坪鋪電站2#機組頂蓋止漏環損壞原因分析及處理

趙文杰，王中元

(四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川成都 610091)

1 概述

紫坪鋪電站位于四川省岷江上游都江堰市麻溪鄉境內，安裝有四臺單機容量190 MW的混流式水輪發電機組，總裝機容量760 MW，年發電量約34.17億kW·h。電站于2006年5月全部投產發電。電站以500 kV電壓等級接入四川省電力系統，在系統中擔任調頻、調峰及事故備用。

紫坪鋪電站水輪發電機組采用國際競爭性公開招標，選定東方電機股份有限公司(簡稱“東方電機”)為設備制造供應商。其中，俄羅斯列寧格勒金屬工廠(以下簡稱為“LMZ”)作為分包商承擔了水輪機模型試驗和轉輪的制造。轉輪采用抗空蝕性能優良、可焊性好的08Cr15Ni4CuMo不銹鋼制造，鋼板葉片采用06Cr15Ni4CuMo鋼板模壓成形以保證葉形精度并在數控機床上加工而成。轉輪為整體轉輪，從俄羅斯運至紫坪鋪工地。轉輪的上冠和下環裝有熱套可更換的不銹鋼轉動止漏環，其材料為08Cr15Ni4CuMo，硬度高于頂蓋和底環上相匹配的固定止漏環材料1Cr18Ni9Ti，止漏環的設計允許轉輪向上或向下的移動量不小于20 mm。轉動止漏環與轉輪連在一起，在車間內經過靜平衡試驗。

紫坪鋪水電站機組運行最顯著的特點是水頭變幅大。電站主要水能參數為:最大水頭132.76 m，最小水頭68.4 m，加權平均水頭107 m，額定水頭100 m。最大與最小水頭之比達1.94，在國內中水頭水電站中屬最大。

2 頂蓋止漏環損壞情況

2011年3月28日，在2#機組計劃B修中，發現頂蓋止漏環焊縫有嚴重開裂脫空情況，在3#導葉至7#導葉之間對應止漏環有寬度為0.7 mm、深度為3 mm、長度約3 m的裂縫且銹蝕嚴重;其它方位也有不同程度的裂紋和銹蝕現象，裂縫長度占焊縫總長度的1/5(圖1)。

圖1 頂蓋止漏環開裂圖

在+X(于活動導葉5#、6#之間)方向轉輪上止漏環間隙僅為0.15 mm(設計標準為1.9～2.3 mm)，－X方向止漏環間隙為1.9 mm。+X方向止漏環總間隙為2.05 mm，+Y方向止漏環總間隙為3.25 mm。在分析測量數據中發現，止漏環總間隙之間的差距較大，且測量數據無明顯規律。具體數據見圖2。在頂蓋被拆出后還發現活動導葉4#、5#、6#、7#對應的頂蓋止漏環表面顏色較深，有燒損跡象。

針對所發現的問題，紫坪鋪電站緊急聯系東方電機的技術人員到場檢查，研究并分析頂蓋止漏環焊縫開裂的原因，并最終研究決定采用東方電機提出的處理方案:拆除頂蓋返廠，用備品更換現有的止漏環，徹底解決2#機組止漏環存在的問題。

圖2 轉輪上止漏環間隙測量數據圖

為了了解止漏環損壞的原因，確定后續處理是否得當，筆者就以下幾個方面圍繞止漏環損壞問題以及最終處理方案選擇進行了總結。

3 頂蓋止漏環損壞原因分析

根據2#機組檢修中現場檢查的情況，現從設計、制造、安裝、運行環境等方面對頂蓋止漏環損壞原因進行分析。

3.1 設計方面的影響

以下從頂蓋止漏環結構及其間隙值設計的合理性進行探討。

(1)止漏環結構及固定止漏環結構的受力情況。

對于轉輪上的轉動止漏環，國內通常采用“熱套”的辦法。對于頂蓋、底環的固定止漏環，一般采用上、下端焊接或一端焊接、一端插入的辦法;或采用過盈配合，用干凍的辦法(如隔河巖電站)使之牢固地貼緊在頂蓋、底環上。

東方電機采用的固定止漏環結構無論是固定止漏環上、下端焊接的結構，還是冷凍的過盈配合結構都經歷了長期運行的考驗。當采用這種上、下端與頂蓋、底環焊接的結構，固定止漏環背部雖然存在間隙，但止漏環間隙處的脈動壓力可由上、下兩道整圈焊縫承擔;當采用過盈配合結構時，固定止漏環背部無間隙，徑向壓力脈動已直接由頂蓋或底環承擔，切向力由過盈配合中的內應力承擔。因此這兩種結構既使在兩者輕微相擦的情況下，由于轉動止漏環與固定止漏環的材料存在硬度差而可能引起擦傷，但還不至于造成止漏環嚴重損壞。

紫坪鋪電站機組的固定止漏環采用的是上、下端焊接結構，與底環或頂蓋牢固固定為一體。除焊接殘余應力不大于工作水頭5%的水壓脈動應力(計算值＜0.1 MPa)外，不受功率傳遞影響。

(2)止漏環之間間隙值的取值問題。

止漏環最小設計間隙是根據軸系在給定的水力不平衡力、機械不平衡力、電磁不平衡力作用下引起的軸系的動擺度，綜合考慮轉輪在運行中由于離心力、水壓力作用引起的膨脹以及盤車結果后確定的。發電機組軸系的臨界轉速直接影響機組的安全運行，同時也影響到機組的壽命。在機組軸系臨界轉速處其振動最大，要使機組安全運行，就必須使軸系臨界轉速遠離工作轉速。東方電機采用轉子動力學程序ARMD對紫坪鋪電站機組軸系的臨界轉速進行了計算，并得出了機組軸系一階臨界轉速和一階振型。在主軸徑向振動響應結算中，綜合考慮了轉子磁不平衡力、轉輪徑向水力不平衡力、發電機轉子和轉輪處機械不平衡力。計算結果表明:機組軸系的一階臨界轉速(597 r/min)為飛逸轉速(300 r/min)的1.25倍，進一步證明了軸系的臨界轉速遠離機組工作轉速。因此，機組運行及飛逸狀態不會引起機組共振而產生較大振動，機組能夠安全穩定運行。

對于止漏環設計間隙，國內一般取0.5/1 000，且上冠處略小些，下環處略大些。根據東方電機提供的圖紙，紫坪鋪電站機組固定止漏環與頂蓋、底環間采用的是間隙配合，直徑方向的最大間隙按圖紙公差要求為0.2 mm。轉輪直徑為4.85 m，上冠止漏環處設計的最小間隙為1.9 mm，約為0.39/1 000，下環處設計的最小間隙為2.1 mm，約為 0.43/1 000。

紫坪鋪電站機組與國內外其它機組的設計間隙值比較情況列于表1中。從表1可以看出，國內外一些制造廠對上下止漏環之間的間隙取值很接近，取值原則是在所有運行工況下轉輪與固定止漏環之間不接觸。紫坪鋪電站機組對軸系動態特性計算得出的止漏環處轉輪擺度的綜合值遠小于止漏環處設計的最小間隙值，甩負荷工況和飛逸工況下發生固定止漏環和轉動止漏環接觸的可能性沒有，其止漏環間隙設計值是合理的。

3.2 制造方面的影響

由于頂蓋止漏環上、下端部在廠內裝配焊接時發生過質量問題，埋下了隱患，這種可能性暫時不能排除。如果在制造加工過程中，由于工藝和技術水平的限制，導致實際加工部件未能完全達到相關技術規范的要求這是有可能的。比如說，止漏環與頂蓋的裝配間隙過大，運行中止漏環的受力是靠焊接而不是直接傳到頂蓋上。但由于現場損壞嚴重，對于這種情況的鑒定有相當大的難度。

表1 國內外一些電站的基本參數及其上下止漏環間隙值表

3.3 現場安裝方面的影響

紫坪鋪電站2#機組于2006年初完成安裝，2006年3月首次啟動運行。機組安裝后，在現場監理人員的監督下實際測量了上、下止漏環的間隙值，其均在設計值范圍內。2008年4月進行了一次檢查性大修，檢修中也進行了轉輪上、下止漏環間隙的測量，數據亦在設計值范圍內，故基本上可以排除安裝方面的影響因素。

3.4 運行環境方面的影響

紫坪鋪電站機組從一般意義上講運行難度不大。因為從裝機容量上看，其單機只有190 MW;從部件尺寸看，其轉輪直徑只有4.85 m，都不算很大。但該電站具有一個特點，其最大水頭為132.76 m，最小水頭為68.4 m，比值高達1.94，且其容量跨度從100 MW到240 MW，比之因運行范圍寬而引起全國廣泛關注的三峽電站機組有過之而無不及(三峽電站水頭變幅為113 m/61 m=1.852，容量變幅為 852 MW/497 MW)。在仔細分析其參數后發現，該機組還是具有相當難度的。因此，在主機招標過程中，對于機組的超寬運行范圍內的穩定性給予了充分的關注，最終選擇了由東方電機股份有限公司來生產紫坪鋪電站的水輪發電機組，其水輪機轉輪整體從俄羅斯LMZ進口，水力設計也由俄羅斯LMZ提供。

對于紫坪鋪電站這樣水頭和負荷變化大的機組，應該把安全穩定運行放在首位。從PO140轉輪特性看，在水頭小于80 m、50～85.5 MW出力區間內有一個壓力脈動較大的區域，該區域內主頻下的最大壓力脈動達7%之多，屬水力不穩定區。紫坪鋪電站機組應盡量在運行時注意以下問題:(1)水輪機在低水頭35% ～45%預想出力范圍內，高水頭40%～70%預想出力范圍內壓力脈動較大，因此，應盡可能避免在該區域內運行。(2)在高水頭區域，應盡可能運行在大負荷工況。

但實際情況是，紫坪鋪電站作為四川電網主力調頻調峰電廠，且其又處于成都負荷中心，開停機次數較多;另外，為滿足下游供水要求，電調服從水調，機組長時間運行在振動邊緣或壓力脈動大的區域內，故未能在運行中注意避免惡劣工況，完全做到水輪機的良好運行。這或許是造成(或加劇)頂蓋止漏環損壞的一個重要原因。

2#機組上次B修時間為2008年4月3日，當時未發現止漏環間隙異常和焊縫開裂現象。2008年5月12日發生了汶川8級特大地震，距離震中僅17 km的紫坪鋪工程基礎設施和機電設備遭受了重大損失。其中2#機組遭受地震外力影響最大，這一點可以從地震后設備移位程度看出。1#～4#主變本體因地震均有不同程度移位，其中以2#主變本體移位最大，沿－X向達80 mm左右，這說明地震對電廠設備在X向有一個較大的外力。這與地震后2#機組檢修中在+X方向轉輪上止漏環間隙實測為0.15 mm(最小設 計 值 為1.9 mm)且焊縫開裂脫空不能不說存在某種必然的聯系。

3.5 綜合因素的影響

由于制造、安裝偏差、運行環境變化，尤其是因地震外力而產生的綜合因素影響導致機組頂蓋在實際運行中嚴重損壞是一種最有可能的原因。

4 處理措施

東方電機根據止漏環開裂、由于開裂造成頂蓋止漏環與頂蓋產生空隙并造成頂蓋止漏環與轉輪止漏環間隙變小的情況擬定了以下三種處理方案:

方案一:直接在現有位置進行焊接處理，及時對開裂部位進行修復。該方案能在較短的時間對開裂部分進行焊接處理，使機組盡快恢復運行，但焊接位置較差，且無法解決止漏環間的間隙過小及開裂后頂蓋止漏環與頂蓋之間產生空隙的問題，存在再次開裂的隱患，以后要經常進行檢查。

方案二:將頂蓋取出后對焊縫進行處理，加工內圓，滿足間隙要求。對整條焊縫進行清理后重新焊接，再對頂蓋止漏環內圓進行加工。該方案能暫時解決止漏環間隙問題，但從長期運行來說，留下了一定隱患且現場不具備焊接條件。

方案三:用備品止漏環更換現有的止漏環。采用備品更換現有的止漏環，能解決目前止漏環存在的問題，焊接和加工質量能滿足圖紙的要求，不足之處是工期相對較長。

根據止漏環開裂并因開裂造成頂蓋止漏環和轉輪止漏環間隙變小的情況，為防止長期運行造成轉輪磨損，進一步加重設備損壞，影響機組正常運行，危及電網安全，紫坪鋪電站最終研究決定采用東方電機提出的第三種處理方案:拆除頂蓋返廠，用備品更換現有的止漏環，從而徹底解決了2#機組止漏環存在的問題。

按照東方電機設計的意見，測量好備品止漏環的內外徑尺寸和轉輪上止漏環的尺寸，根據該尺寸進行后續的加工。將備品止漏環下端φ4 470尺寸改為φ4 460，增大了下端封焊坡口。焊接備品止漏環時考慮了消應力措施，焊接后焊縫按ASTM標準作磁粉探傷檢查，以保證處理后的頂蓋止漏環間隙達到設計值，從而確保機組安全運行。按照第三方案進行工期排序，具體排序如下:返廠拆除舊止漏環工期為5個工作日;轉序立車對安裝止漏環的基準面找正工期為2個工作日;備品止漏環尺寸檢查(不占直線工期)水輪機總裝平臺套裝止漏環工期為3個工作日;止漏環與頂蓋焊接工期為9個工作日;立車加工工期為3個工作日。根據東方電機確定的頂蓋止漏環更換時間要求(30 d)和機組拆卸、恢復時間要求(30 d)，2#機組從B修轉為A修。

返廠處理好的2#機組頂蓋通過5個多月時間的運行觀察，未發現異常，機組振擺及各部軸承溫度實測正常。

5 結語

水輪機止漏環的作用是用來減少轉動部分與固定部分之間的漏水損失，如果發生止漏環損壞故障，不僅會降低機組的效率，而且會對機組運行的穩定性產生較大影響，后果非常嚴重，因此，必須對其運行情況加強監視。但很多機組隱患并不直接表現在機組的外部表象上，而需要通過相關數據進行判斷，如機組振動及擺度、異響及異味等，這些都需要運行維護人員仔細檢查并作甑別后才能得知故障所在。紫坪鋪電站利用機組檢修的機會，通過測量止漏環間隙值發現了止漏環損壞這一重大隱患，經過認真分析并及時采取妥善的處理對策予以解決，對其他同類型電站具有一定的借鑒作用。