某電站水輪機(jī)尾水錐管里襯反復(fù)出現(xiàn)裂紋原因分析及處理

趙 海 英， 馮 永 祥， 陽(yáng) 新 峰， 尹 志 富

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

某電站安裝了六臺(tái)型號(hào)為HLF497-LJ-625.7的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組，以發(fā)電為主，擔(dān)任電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)。水輪機(jī)額定工作水頭165 m，額定流量371 m3/s，額定轉(zhuǎn)速142.9 r/min，安裝高程1 002.5 m，吸出高度為-8.4 m，大軸中心自然補(bǔ)氣，采用金屬窄高型彎肘尾水管。整個(gè)尾水管高19 545 mm，自錐管進(jìn)口開始延伸到肘管的水平部分裝設(shè)有厚度為25 mm的金屬里襯，其中錐管里襯上部500 mm段采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼板制成，其余采用Q235-B碳鋼板制成，錐管上端設(shè)置1 000 mm×800 mm進(jìn)人門，以便進(jìn)入尾水管實(shí)施檢查和工作。

2 問題的提出

在復(fù)雜水力工況下工作的尾水管，其里襯管壁強(qiáng)度受水壓脈動(dòng)影響而減弱，出現(xiàn)裂紋的情況較常見，如天生橋一級(jí)、安康、潘家口、大東江等水電站尾水管里襯均出現(xiàn)過(guò)裂紋，寶珠寺電站尾水管里襯亦曾出現(xiàn)過(guò)空蝕拉裂的嚴(yán)重缺陷[1，2]。

該電站六臺(tái)機(jī)組于1998年8月至1999年12月陸續(xù)投入商業(yè)運(yùn)行。2012年6月，發(fā)現(xiàn)#3水輪機(jī)尾水管進(jìn)人門左上方混凝土和鋼襯之間漏水較大，檢查發(fā)現(xiàn)#3水輪機(jī)尾水錐管里襯七處脫空，其中尾水管進(jìn)人門上部里襯不銹鋼段有兩處脫空，在脫空區(qū)域發(fā)現(xiàn)一條穿透性裂紋。尾水管進(jìn)人門鋼襯漏水情況見圖1，尾水管進(jìn)人門上方脫空區(qū)域見圖2。

圖1 尾水管進(jìn)人門鋼襯漏水情況

圖2 尾水管進(jìn)人門上方脫空區(qū)域

自機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，該電站每年均利用年度機(jī)組C修機(jī)會(huì)對(duì)各臺(tái)機(jī)組尾水錐管組合焊縫、尾水錐管與基礎(chǔ)環(huán)連接焊縫進(jìn)行滲透探傷，對(duì)尾水管進(jìn)人門上部長(zhǎng)度3 m區(qū)域里襯進(jìn)行超聲波探傷，對(duì)所發(fā)現(xiàn)的裂紋等缺陷及時(shí)進(jìn)行處理；對(duì)尾水檢修平臺(tái)以上部位的尾水錐管里襯進(jìn)行敲擊探測(cè)脫空檢查，對(duì)檢查出來(lái)的單塊脫空面積達(dá)0.5 m2及以上區(qū)域及時(shí)用水泥進(jìn)行接觸灌漿處理。通過(guò)以上措施，及時(shí)恢復(fù)了尾水錐管的性能和受力狀態(tài)，確保了尾水管安全運(yùn)行。

截至2012年6月，六臺(tái)水輪機(jī)尾水錐管里襯出現(xiàn)裂紋共15條，其中#3水輪機(jī)尾水錐管里襯出現(xiàn)裂紋7次，共8條，且有3條為穿透性裂紋。#3水輪機(jī)尾水錐管里襯出現(xiàn)的裂紋情況見表1。

表1 #3水輪機(jī)尾水錐管里襯裂紋統(tǒng)計(jì)表

該電站#2至#6機(jī)組尾水錐管里襯均出現(xiàn)過(guò)裂紋，其中#4和#6機(jī)組出現(xiàn)過(guò)一次，#2和#5機(jī)組出現(xiàn)過(guò)2次，經(jīng)處理后再未出現(xiàn)。但是，#3水輪機(jī)尾水錐管里襯裂紋在處理后1～3 a內(nèi)又重新出現(xiàn)，且裂紋均集中在尾水管進(jìn)人門附近。小區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)期反復(fù)出現(xiàn)裂紋，將嚴(yán)重?fù)p傷里襯母材的均質(zhì)性，降低里襯母材強(qiáng)度，甚至出現(xiàn)里襯鋼板拉裂，從而嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

3 裂紋反復(fù)出現(xiàn)原因的分析

3.1 尾水錐管里襯材質(zhì)分析

從表1中可以看出，#3水輪機(jī)尾水錐管里襯裂紋均出現(xiàn)在尾水管進(jìn)人門附近，且以尾水管進(jìn)人門上方居多。尾水錐管里襯裂紋均出現(xiàn)在里襯上部不銹鋼段，高度方向是距離錐管上沿60 mm范圍內(nèi)，經(jīng)超聲波探傷檢測(cè)得知，所有裂紋均為非組合焊縫裂紋。六臺(tái)水輪機(jī)尾水錐管上段均采用相同的不銹鋼材質(zhì)，且其它錐管里襯出現(xiàn)裂紋相對(duì)較少，說(shuō)明材質(zhì)牌號(hào)選擇沒有問題。但是，相比其它機(jī)組尾水錐管，#3水輪機(jī)尾水錐管里襯出現(xiàn)裂紋次數(shù)最多，且其第一次出現(xiàn)裂紋的時(shí)間最早并距機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間最短。2011年，通過(guò)超聲波探傷發(fā)現(xiàn)#3水輪機(jī)尾水錐管里襯內(nèi)部裂紋(距錐管表面19 mm，裂紋中心距錐管上沿55 mm、距進(jìn)人門中心線423 mm)，說(shuō)明#3水輪機(jī)尾水錐管里襯可能存在某些內(nèi)部缺陷或薄弱因素，從而導(dǎo)致里襯裂紋萌生。

3.2 水輪機(jī)運(yùn)行方式分析

該電站是所在電網(wǎng)中的大型骨干電廠，擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，機(jī)組出力調(diào)整頻繁，常在非最優(yōu)工況的低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行。機(jī)組出力調(diào)整時(shí)的過(guò)渡過(guò)程以及偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)渦帶振動(dòng)的情況。尾水管中存在的渦帶會(huì)引起低頻壓力脈動(dòng)，周而復(fù)始的壓力脈動(dòng)會(huì)使整個(gè)尾水管甚至水輪機(jī)振動(dòng)加劇。尾水管進(jìn)人門上方恰好處于渦帶的旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)區(qū)，且尾水管進(jìn)人門及其周邊區(qū)域無(wú)混凝土支撐，在旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)作用下，尾水管產(chǎn)生擊鼓樣的振動(dòng)，使尾水管進(jìn)人門附近的支撐混凝土受力增加，在振動(dòng)荷載的反復(fù)作用下，局部薄弱部位尾水錐管里襯鋼板與支撐混凝土脫離，使得尾水錐管里襯鋼板受力不勻，導(dǎo)致尾水錐管里襯開裂。尾水錐管里襯一旦出現(xiàn)穿透性裂紋后必然漏水，隨著漏水量的加大，又加劇了對(duì)支撐混凝土的侵蝕，當(dāng)尾水錐管里襯與混凝土之間的間隙越來(lái)越大時(shí)，里襯振幅加大，其結(jié)果必然導(dǎo)致里襯疲勞和裂紋進(jìn)一步加大。

3.3 對(duì)尾水錐管里襯裂紋采取的處理工藝分析

穿透性裂紋處理工藝為：(1)用電加熱片對(duì)裂紋區(qū)域加溫到110 ℃～150 ℃；(2)從裂紋兩端部開始，用電弧氣刨逐步刨除裂紋，在刨至距底部5 mm厚度后，采用風(fēng)動(dòng)直磨機(jī)對(duì)裂紋進(jìn)行打磨，并保證其根部留有2～4 mm的厚度，裂紋刨除和打磨均采用單“U”形坡口，坡口開度不小于45°并在根部有10 mm長(zhǎng)的弧度，將滲碳層打磨掉，露出金屬本色，將焊接面打磨光滑平整；(3)通過(guò)滲透探傷檢查確認(rèn)長(zhǎng)度方向已無(wú)裂紋；(4)將施焊區(qū)預(yù)熱至110 ℃～150 ℃后開始焊接，并在焊接全過(guò)程中將溫度始終保持在110℃～200 ℃之間；(5)采用φ2.6焊條打底，單面焊、雙面成型并保證背面充分熔透。打完底層后，用φ2.6焊條再焊接一層后，用φ3.2焊條焊接至表面高于母材原表面3～5 mm。在整個(gè)焊接過(guò)程中，每焊接完一層后清除飛濺物和焊渣，并對(duì)焊肉用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊以消除焊接應(yīng)力；(6)焊接完畢，將其加熱到200 ℃～240 ℃，保溫8 h，用隔熱材料覆蓋自然冷卻；(7)表面打磨，表面粗糙度為12.5，處理完畢進(jìn)行滲透探傷檢查。

該電站所有尾水錐管裂紋均采用相同的工藝進(jìn)行處理，處理過(guò)的裂紋部位均未再次開裂，說(shuō)明裂紋處理工藝合理，效果良好。

3.4 對(duì)尾水錐管里襯脫空采取的處理工藝進(jìn)行分析

查閱歷年敲擊探測(cè)脫空檢查記錄，發(fā)現(xiàn)#3水輪機(jī)尾水管檢修平臺(tái)以上的錐管段每年都有脫空缺陷發(fā)生，脫空部位少則兩、三處，多則七、八處。脫空部位多集中在靠近尾水管進(jìn)人門附近，脫空面積最大為1.6 m2。機(jī)組檢修期間對(duì)脫空面積大于0.5 m2的區(qū)域均按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行水泥接觸灌漿處理。

#3水輪機(jī)尾水錐管段反復(fù)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，說(shuō)明機(jī)組安裝期間尾水錐管里襯與外部混凝土結(jié)合方面可能存在施工缺陷。后期進(jìn)行的水泥接觸灌漿僅對(duì)脫空面積大于0.5 m2的區(qū)域進(jìn)行了處理，且由于機(jī)組小修時(shí)間短，灌漿后水泥漿沒有足夠的強(qiáng)度增長(zhǎng)期，從而未能徹底恢復(fù)錐管里襯與混凝土聯(lián)合受力的結(jié)構(gòu)；而對(duì)于脫空面積小于0.5 m2區(qū)域的存在，在振動(dòng)荷載的反復(fù)作用下，脫空面積逐漸擴(kuò)大，進(jìn)一步惡化了錐管里襯的受力條件，進(jìn)而反復(fù)出現(xiàn)裂紋。

4 結(jié)論及采取的處理措施

綜上所述，#3水輪機(jī)尾水錐管里襯反復(fù)出現(xiàn)裂紋的主因?yàn)椋?1)里襯可能存在某些內(nèi)部缺陷或薄弱因素，易萌生裂紋；(2)機(jī)組出力調(diào)整頻繁，水輪機(jī)長(zhǎng)期偏離最優(yōu)工況運(yùn)行，惡化了尾水管水流流態(tài)，加速了錐管里襯裂紋的萌生與發(fā)展；(3)機(jī)組安裝期間存在施工缺陷，使錐管里襯與混凝土接觸面間密實(shí)性較差，后期進(jìn)行的水泥接觸灌漿對(duì)恢復(fù)錐管里襯與混凝土接觸強(qiáng)度的作用有限。

針對(duì)水泥接觸灌漿難以達(dá)到恢復(fù)錐管里襯與混凝土接觸強(qiáng)度的問題，2012年11月，采用流動(dòng)性好、固化快、強(qiáng)度高的環(huán)氧樹脂材料對(duì)#3水輪機(jī)尾水錐管里襯脫空面積大于0.3 m2的部位進(jìn)行了化學(xué)接觸灌漿處理。經(jīng)過(guò)近2 a時(shí)間的運(yùn)行，#3水輪機(jī)尾水管進(jìn)人門附近未再出現(xiàn)滲漏水，尾水錐管里襯經(jīng)化學(xué)接觸灌漿部位結(jié)合良好，錐管里襯未出現(xiàn)裂紋，說(shuō)明化學(xué)接觸灌漿效果顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

水輪機(jī)尾水錐管部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工時(shí)難以做到錐管里襯與二期混凝土接觸緊密，在復(fù)雜的水力條件下，容易造成運(yùn)行期水輪機(jī)尾水錐管里襯裂紋。機(jī)組長(zhǎng)期在不良工況下運(yùn)行，會(huì)造成尾水錐管里襯與混凝土接觸面脫空，是尾水錐管里襯產(chǎn)生裂紋的重要因素。因此，在電站運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，盡量避免或減少機(jī)組在振區(qū)運(yùn)行及頻繁調(diào)整出力。因尾水錐管里襯脫空面積小，后期的水泥接觸灌漿受技術(shù)條件和機(jī)組歸調(diào)時(shí)限等因素的限制，并不適合于尾水錐管里襯脫空缺陷處理，應(yīng)采用可灌性好、早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快、粘結(jié)強(qiáng)度高的化學(xué)接觸灌漿技術(shù)進(jìn)行處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周 波.改善水電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性[J].電器工業(yè)，2004，5(5)：42-45.

[2] 劉有全.寶珠寺水電站3號(hào)機(jī)組尾水錐管里襯修補(bǔ)處理[J].西北水電，2010，29(1)：34-37.