水輪機止漏環脫落原因分析及處理

成 安

(安康水力發電廠，陜西省安康市 725000)

水輪機止漏環脫落原因分析及處理

成 安

(安康水力發電廠，陜西省安康市 725000)

安康聯營水電站水輪機下固定止漏環運行中發生了脫落現象。文章從機組設計、制造安裝、設備運行3個方面分析了水輪機止漏環脫落的原因；介紹了水輪機下固定止漏環修復處理的工藝和措施。經處理后，機組運行狀況良好，各項指標均符合規范要求。關鍵詞：止漏環脫落；結構設計；機組振動;水電站

1 止漏環脫落概況

安康聯營水電站安裝1臺52.5MW的水輪發電機組，其水輪機型號為HLD85-LJ-300，設計水頭為73.7 m，設計流量為82 m3/s,轉輪直徑為3 000 mm,其止漏環型式為間隙式。機組于1991年12月投運，20多年來，水輪機運行正常，未發生過大的故障。2016年4月1日，聯營電站機組開始B級檢修，4月6日，檢修人員進入尾水管檢查發現，轉輪下環外側與基礎環之間有一金屬物(如圖1所示)，初步分析判斷該金屬物為脫落的下固定止漏環。經進一步檢查，下固定止漏環脫落長度約為其周長的一半，脫落的止漏環懸在轉輪下環和水輪機基礎環之間，如圖2所示。

圖1 轉輪下環外側與基礎環之間照片

圖2 脫落的止漏環照片

2 止漏環脫落原因分析

引起止漏環脫落的因素比較多，既有設計、制造安裝原因，也有運行方面的原因[1]，主要有以下幾個方面。

2.1 設計方面原因

固定止漏環與頂蓋或底環的連接固定方式主要有2種，一種是止漏環靠機械力頂壓與頂蓋或底環貼合后將兩者焊接連在一起，該結構型式焊接量較大，焊接變形容易導致工件形狀和尺寸的變化，止漏環焊接后需要再次進行機加工。大型水輪機為了提高止漏環與頂蓋或底環的連接強度，除焊接外，還均布幾排徑向螺釘加以固定[2]。另一種是采用過盈配合的方式，先將固定止漏環焊成一個整環，在兩者有一定過盈量的情況下利用冷套工藝，即使用液氮或干冰等冷卻介質將固定止漏環冷卻，通過冷卻使固定止漏環尺寸縮小，從而使原來的過盈配合變成間隙配合，這樣就可順利完成套裝作業，待止漏環恢復正常溫度后，止漏環就可以靠過盈配合緊緊地貼合在頂蓋或底環上[3-5]。

2.2 制造安裝方面原因

止漏環下部環焊縫存在坡口尺寸小、不符合圖紙要求的問題；上下環焊縫均存在加渣、未熔合等焊接缺陷，使設計本來就非常薄弱的焊縫更加脆弱，下固定止漏環和底環的連接強度進一步降低。

圖3 底環裝配圖 單位：mm

2.3 運行方面原因

由于調度安排、水頭變化、機組啟停有過渡過程等原因，水輪機不可能一直處于最優工況下運行。當水輪機偏離最優工況運行時，水輪機轉輪進口的水流不再是無撞擊進口，有撞擊和脫流現象。轉輪出口的水流不再是法向出口，而是帶有圓周速度分量，水流在尾水管內做旋轉運動，在尾水管中心形成漩渦。因非最優工況時轉輪出口的水流是非對稱的，導致尾水管中產生螺旋狀不穩定的空腔渦帶，空腔渦帶使尾水管內發生周期性低頻壓力脈動，從而激起尾水管壁、轉輪、基礎環、底環等部件的振動。水輪機運行偏離最優工況越遠，產生的振動越劇烈。當壓力脈動頻率接近過流部件的固有頻率時，就可能出現水力共振[6-8]。這樣，底環和下固定止漏環既受壓力脈動的影響又受水力振動的影響，止漏環焊縫承受交變應力的作用，長時間作用就會產生疲勞破壞，導致焊縫開裂，進而使止漏環脫落。

綜上所述，下固定止漏環與底環連接結構設計不合理是造成下固定止漏環脫落的主要原因，制造安裝質量不良是其次要原因，機組運行中產生壓力動脈振動是誘因。

3 止漏環脫落處理措施

3.1 部件的起升

根據其他水電廠的經驗，底環上的固定止漏環損壞后修復時應將底環吊出機坑，需要在機組A級檢修中進行。由于機組A級檢修拆卸部件很多、拆卸工作量大、工期長，而且之前沒做A級檢修的各項準備工作，不具備開展A級檢修的條件，只能按僅分解水輪機部分、底環在機坑內起升一定高度進行修復的方案執行。在起吊底環前需要先將水導軸承、控制環、頂蓋、導水葉等部件分解吊起，其中頂蓋、導水葉分解起升工作量最大。按照常規，應將每個拐臂、套筒、導水葉分別拆除、吊起，然后再起升頂蓋，但是，分解回裝24個導葉工作量太大，需要十幾天時間，為了縮短檢修工期，減少拆裝工作量，采用將導葉、套筒、拐臂等部件和頂蓋一起頂升的方法[9]。

3.1.1 頂蓋等部件的起升

先將控制環、水導軸承等部件起吊到一定高度并固定在下機架上，拆除主軸密封、接力器活塞等影響頂蓋起升的部件。

起升頂蓋時，先用4個32 t的螺旋千斤頂進行頂升操作，操作時4個千斤頂在統一指揮下同時起升，開始時每次起升5 mm,每次起升后測量調整一次8個方位的起升高度，以保證頂蓋在起升過程中基本保持水平。頂蓋起升到120 mm、導葉下軸頸全部出軸套后，改用手拉葫蘆起升，每起升20 mm檢查一次頂蓋水平和中心位置，測量各個方位起升高度，根據測量數據、手拉葫蘆受力情況適當調整，使頂蓋水平和中心位置基本不變。起升過程中還應注意檢測頂蓋與轉輪之間間隙，不能讓頂蓋與轉輪之間的上止漏環過分摩擦。為了頂蓋的順利起升、限制頂蓋水平方向位移，加裝了6根M42 mm的導向螺桿。由于起升部件質量較大，約36 t，而起升用的手拉葫蘆單個起重量只有10 t，單個手拉葫蘆不能承受整個起升部件的重量，為防止在起升過程中手拉葫蘆出現鏈條斷裂等故障造成單個手拉葫蘆受力，將頂蓋通過鋼絲繩連到橋式起重機主鉤上，該鋼絲繩作為安全保險繩。 當起升至合適高度時，停止起升，使用手拉葫蘆調整頂蓋整體水平，然后將頂蓋加鋼管支撐并固定好。

3.1.2 底環的起升

底環的起升采取先用頂絲頂升一定高度再用手拉葫蘆起升的方法。先拆除底環與基礎環連接螺栓和定位銷，清除底環與座環配合間隙中的雜物，用4個M48 mm頂絲將底環緩慢頂升，頂升20 mm后改用手拉葫蘆起升。在下固定止漏環未出下轉動止漏環之前，注意監測調整底環的水平和中心位置，以免固定止漏環和轉動止漏環相碰和卡阻。底環起升高度以高出轉輪上冠上平面600～800 mm為宜，便于工作人員站在轉輪上冠上處理止漏環。

3.2 下止漏環的處理

總體方案是去除舊止漏環，更換1個新加工的止漏環，新止漏環內外徑尺寸保持原尺寸不變，為便于止漏環上部與底環焊接，高度尺寸由原來的160 mm變成120 mm。加大止漏環與底環下部角焊縫的尺寸，焊縫腳高由原來的10 mm增加到15 mm；增加上部角焊縫，其腳高為15 mm。新止漏環分成4瓣，以便運輸及安裝。

采用碳弧氣刨將舊止漏環焊縫進行吹刨，注意防止底環變形以及損傷其過流表面，將舊止漏環切割成8段取出。對底環與止漏環配合的內圓基面進行打磨，要求表面平整光滑、見金屬光澤。

新止漏環就位于底環相應位置，用C形夾將止漏環加緊，并用塞尺檢查其外側圓柱面與底環的間隙合格，先點焊固定。用圓弧型模板檢查止漏環形狀和尺寸，尺寸檢查合格后進行定位焊。定位焊前應采用氧-乙炔烤槍進行預熱，預熱溫度達到要求后進行定位焊。每瓣止漏環坡口定位焊長度150 mm，深度15 mm，定位6段；角焊縫定位長度150 mm，焊腳15 mm，定位6段。定位焊完成后，用模板檢查裝配尺寸，合格后進行正式焊接。正式焊接前對待焊區域進行清理和預熱，預熱溫度≥70 ℃，滿足要求后進行焊接。焊接時采用多層、多道、分段、退步焊接方法，焊接層間溫度控制在250 ℃以內，每焊一層均用風鏟進行錘擊，以消除焊接應力和防止產生焊接裂紋，焊接順序由中間向兩端合縫處，環焊縫焊完后焊合縫立焊縫[10-12]。焊條選用?4 mm E309L焊條，焊接參數如表1。

表1 焊接參數表

裝焊完成后對止漏環內圓用模板進行檢測，結合檢測情況對止漏環內表面進行打磨，表面粗糙度符合圖紙要求。

由于轉輪下止漏環運行中與脫落的固定止漏環碰撞摩擦，其外圓磨出多個深度不同的溝槽，需對其進行打磨，使表面粗糙度達到圖紙要求。

4 止漏環處理后的運行情況

止漏環處理和機組B級檢修結束后，機組于2016年5月投入運行，機組運行狀況良好，各項指標均符合規范要求，其運行穩定性參數見表2。

表2 機組運行穩定性參數表

5 結 語

(1) 止漏環與底環連接結構設計不合理是止漏環脫落的主要原因。

(2) 止漏環損壞后修復困難，設備拆裝工作量巨大,檢修工期很長，特別是下止漏環。因此，止漏環連接結構設計應引起重視，大型水輪機止漏環與轉輪、頂蓋、底環等部件的配合應采用過盈配合，以增加其連接強度；中型水輪機止漏環采用間隙配合時，焊縫應有足夠的焊接熔敷金屬量，保證焊接連接強度。

(3) 帶導葉和套筒等部件起升頂蓋的方法切實可行，這種方法可大大減少拐臂、連桿、套筒、導葉等部件的拆裝工作量，從而大幅度節約檢修工期，值得推廣。

[1] 鄭建鋒,葉福新.混流式水電機組轉輪止漏環脫落的原因分析及處理[J].浙江電力,2010(04):38-40.

[2] 劉萬鈞.二灘電站水輪機止漏環開裂原因初探[J].云南水力發電,2002(03)：50-52.

[3] 張少輝,王地君,侯偉.大型水輪機固定止漏環干冰冷縮套裝技術[J].東方電機,2003(04)：345-347.

[4] 范瀟,李洪軍,潘少民.水輪機止漏環更換及裝焊工藝[J].東方電機,2004(04)：11-13.

[5] 趙文杰,王中元.紫平鋪電站2#機組頂蓋止漏環損壞原因分析及處理[J].四川水力發電,2012(02):221-224.

[6] 魏先導.水輪機[M].北京：電力工業出版社,1980:29-38.

[7] 常近時,壽梅華.水輪機運行[M].北京：水利電力出版社,1983:280-293.

[8] 王珂崙.水力機組振動[M].北京:水利電力出版社,1989:101-130.

[9] 柴雙明,李郁俠.水輪機轉輪上冠止漏環損壞處理[J].陜西水力發電,1992(02):29-32.

[10] 曾廣棟,賓斌,文宇.某電站大型水輪機轉輪止漏環加固工藝[J].科技創新導報,2011(30):85-87.

[11] 陳兆毅. 水輪機轉輪補焊工藝實例探討[J].水電站機電技術,2015(03):46-48.

[12] 邱葭菲.焊接方法[M].北京:機械工業出版社,2009:33-48.

Cause Analysis and Handling of Falling of Leakage Stop Ring for Turbine

CHENG An

(Ankang Hydropower Plant, Ankang, Shaanxi 725000,China)

The fixed leakage stop ring under the turbine of Ankang Hydropower Plant falls off during operation. Causes for the ring falling are analyzed in terms of the unit design, manufacturing, installation and equipment operation. Technology and measures for repairing the ring falling are introduced. After the ring is handled, the unit operates well and indexes satisfy requirements.Key words:falling of leakage stop ring; structural design; unit vibration; hydropower station

1006—2610(2016)06—0062—04

2016-08-23

成安(1964- )，男，陜西省安康市人，副總工程師，工程師，主要從事水輪發電機組檢修技術工作.

TK730.8

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.016