水輪機泄水錐脫落后水下運輸安裝恢復技術

馬 濤，馬禹晨

（1.安康水力發電廠，陜西 安康725000；2.河海大學，江蘇 南京211100）

1 概述

安康水電廠3號機組于1991年6月份投產發電，水輪機為東方電機有限公司生產的HL220-LJ-550型，轉輪為H702葉片增強型。2013年2月B級檢修中發現3號機水輪機泄水錐缺失，在尾水管內沒有發現脫落的泄水錐，判斷已沖入下游河道。經檢查，泄水錐與上冠法蘭緊固螺栓（M42共16個）斷裂，殘余4個在上冠法蘭螺孔內，其余12個螺栓完全脫落。聯系到此前水導軸承運行擺度超標，達0.55～0.66 mm，判斷由此所致。由于泄水錐外形尺寸大，而尾水管進人孔尺寸小（600 mm×600 mm），在B級檢修不拆吊轉輪出機坑的情況下，如何快速優質地恢復泄水錐，是個難題。

泄水錐基本參數：總重2.95 t，頂部直徑Φ2 345 D4/dc4，底部直徑Φ602，整體高度1 438 mm，材質16 Mn。泄水錐結構見圖1所示。

2 方案比選

（1）方案一：經尾水管人孔運輸。新泄水錐分瓣制作，從進人孔運進尾水管，然后焊接拼圓。此種方式，泄水錐分瓣制作加工需要45 d，焊接需要15～20 d，焊接中變形控制較為困難，焊接后無法在現場進行熱處理消除應力，因工期長、施工難度大、質量無保障，故不可取。

圖1 泄水錐結構圖

（2）方案二：水下運輸，經尾水閘門進入。新泄水錐整體制造，采取水下運輸，由尾水閘門經過尾水管運達轉輪附近。方法是：將一個金屬導送座沉入尾水閘門外水底，再將泄水錐吊放到金屬導送座上，泄水錐沿導送座以自重自由滑移至尾水閘門內側，然后落下尾水門，排空尾水管存水。人員進入尾水管內，將泄水錐沿尾水管運至轉輪下，之后安裝就位。

（3）方案二計算

由于尾水管出水口底坎與水平面之間斜度為1：9.5，則傾角為arctg1/9.5=4.74°。為保證滑落過程中速度均勻，無卡阻顛簸和停頓，與尾水管出口底坎斜度保持一致，導送座按5°制作。

泄水錐自重滑落受力見圖2。

圖2 泄水錐自重滑落受力

泄水錐水下受浮力為：

泄水錐的浮力=泄水錐排開水體積×水的密度

=（2 950 kg+ 小車重 150 kg）×1/7.95

=390 kg

故泄水錐水下重力為：3 100-390=2 710 kg。

泄水錐滑移分力

F1=Gsinθ=（2 950 kg+ 小 車 重 150 kg）×sin5°×9.8 N/kg× （1-1/7.95）

=2 710 kg×0.087 2×9.8 N/kg

=2 315 N

泄水錐受到的摩擦阻力

N=Gcosθ=2 710 kg×cos5°×9.8 N/kg

=26 457 N

泄水錐小車與導送座之間的摩擦阻力，在滾動摩擦時，其系數為0.021，故為0.021N=556 N

泄水錐前進方向受到的流體阻力F2，主要與流體密度、泄水錐流線型裝、行進速度有關。參照強風時風阻為19.044 kg/m2，受力面積為泄水錐平面投影面積計算

F2=（2.345 m×1.438 m/2）×19.044 kg/m2

=32.1 kg=315 N

可見，泄水錐水下在斜度為5°的導送座所受的下滑動力2 315 N＞泄水錐與導送座之間滾動摩擦產生的阻力556 N+水流產生的阻力315 N，所以，泄水錐在5°導送座上滿足自重下滑要求，且有1倍以上的裕量。

分析認為，方案二工期短、技術可行，質量有保障，予以采用。方案一作為備用。

方案二實施之前，在安裝間進行模擬試驗，校驗泄水錐在導送座滑行速度以及穩定性狀態，滑行方向及距離。模擬試驗起重機在水下潛水員配合下吊放后重新進行位置調整能力。特別檢驗了導送座在尾水門槽附近時前后位置調整是否能夠順利很快完成。經過地面模擬試驗，泄水錐滑動、操作正常，滿足施工要求。

3 準備工作

（1）制作一個裝載泄水錐的滾輪小車。小車輪徑不大于150 mm，重心盡量偏低。滾輪使用4個定向車輪，泄水錐與小車裝配時大頭向下，小車與泄水錐法蘭用螺栓把合緊密，小車前后端焊接兩處吊環。泄水錐制造廠內側筋板上部距法蘭210 mm處對稱加工4處Φ40吊物孔，經過計算泄水錐重心位置，在下部距口沿207 mm處對稱加工4處Φ40吊物孔可作為垂直起吊吊點。

圖3 泄水錐與小車裝配

（2）制作一個鋼質導送座。呈三棱體，其一面為導送座，坡面斜度5°，光滑平整，長寬3 m×3 m，結構強度地面試驗能承受泄水錐重量，檢驗裝置整體滑行穩定。

（3）泄水錐焊接吊攀，作為牽引點和側起升吊點。泄水錐近似為正圓錐體，其重心位置經過計算在Zc=1/4h=1/4×1 438=359 mm處；確保泄水錐豎直翻身過程中保持鉛垂狀態，以滿足通過尾水閘門門槽寬度尺寸要求。考慮到泄水錐水平移動時下部為滾輪小車，應適當增加高度，故U型吊攀豎向焊接在泄水錐上部0.3 m處，焊縫要求雙邊滿焊焊接。

（4）在尾水管內焊接錨固點一處，位置距離地面0.8 m，將1 t定滑輪掛設在此錨點上，并將一個卡環掛在錨點處，作為滑輪失效時備用。

（5）船只準備，船只載重10～20 t。船尾裝設拖運吊點。

（6）汽車吊準備，要求汽車吊起升高度不低于40 m。最大起升高度時回轉半徑不低于6 m。

（7）潛水員準備，潛水設備配備可靠水下照明，通信、呼吸及出入水浮筏等必要設備。

（8）繩索具準備。8 mm鋼絲繩，一端制作標準吊扣，另一端捆好防松散即可。距離吊扣端頭70 m處，綁扎紅色絕緣帶標記。

圖4 導送座

4 水下運輸

（1）尾水管充水，平壓后提升閘門至門槽頂部，鎖定閘門。

（2）以尾水門機將金屬導送座吊入尾水管出口附近，潛水員水下觀察并指揮尾水門機調整導送座位置，合適后摘鉤。導送座應朝向尾水管，方向必須與機組水流排出方向一致，距離尾水門機中心線略大于1/2泄水錐最大直徑，以便泄水錐在落下時剛好落放在導送座最高端。導送座不能太過靠前，也不能太靠后。太靠前則泄水錐放下后將會向后倒翻，太靠后則重力加速度不足，不能完成利用導送座重力下滑到目標位置。導送座位置不佳時，潛水員水下配合起重機，反復調整直至達到要求。如發現水下地面有物品，影響導送座放置后水平度，應清理平整后方可施行。

（3）泄水錐水下吊運。入水前，起重工船上作業，先使泄水錐翻身大頭向下，然后入水放至導送座高端。在潛水員指揮下，繼續緩慢下降吊索，直至泄水錐滑入尾水管內。潛水員確認泄水錐經過尾水管口，進入尾水閘門內側后，將導送座吊出。

圖5 泄水錐水下吊運

（4）排水，檢查確認泄水錐進入尾水管內后，將尾水門落下，排空尾水管內存水。

5 尾水管內的運輸

（1）泄水錐進入尾水管后，在尾水管內的錨點上掛裝手拉葫蘆，人工牽引泄水錐，運至轉輪正下方的尾水管底部。

（2）在轉輪上冠葉片偏心位置焊接吊攀，泄水錐垂直起升時，在此吊點掛手拉葫蘆，起升至尾水管檢修平臺上方。為了盡量減少泄水錐通過檢修平臺空間，泄水錐提升至尾水管檢修平臺之前，應側向起吊。待泄水錐通過檢修平臺后，泄水錐空中翻身，大頭向上，然后安裝。

圖6 泄水錐吊裝

（3）當泄水錐起升至最高位置時，將吊點設在泄水錐下部，以利于泄水錐上部盡量升高。

6 泄水錐安裝

（1）水輪機上冠適當位置焊接新吊攀。將6根導向絲杠M42對稱安裝在泄水錐法蘭上。其余10個雙頭螺桿全部擰緊在螺孔內。

（2）在泄水錐起升最后階段，葫蘆不能起升時，旋轉螺紋頂升泄水錐。最后起升時由于吊點中心偏下，依靠導向桿進行側向防傾倒。由于泄水錐內部空間限制，導向絲桿分為3段制作，中間使用M24螺紋連接。使用時，泄水錐每上升330 mm（泄水錐法蘭至下部最大軸向空間尺寸，超過此尺寸后，導向桿將會被泄水錐下段錐段頂住），拆卸一段，逐步將泄水錐起升到位。

（3）新泄水錐安裝前，應測量復核機組和泄水錐對應尺寸，法蘭螺栓孔定位尺寸是否準確，偏差是否在規定范圍內。

（4）清掃檢查上冠處泄水錐法蘭面。旋緊絲杠螺母，將泄水錐法蘭面貼實。旋緊過程中，應對稱小幅平穩上升。如有卡阻，應檢查調整。上冠止口局部位置卡阻時，可適當打磨止口或泄水錐法蘭側面。止口進入前，涂抹少量黃油以減少摩擦阻力。

（5）分別對稱打緊其余12處法蘭螺母，將絲杠旋出。對稱緊固剩余4處螺母，參考鎖緊力矩3 826 N·m。所有內螺紋涂抹螺紋鎖固劑，以防松動。以塞尺檢查泄水錐法蘭內端面間隙結合情況，如有間隙大于0.3 mm以上，重新打緊其法蘭螺栓。反復緊固后，保證泄水錐鎖固可靠，法蘭貼合緊密，受力對稱一致。螺母鎖緊后在其后面增加雙螺母鎖定。

（6）在泄水錐與上冠內外部結合處，分段多層焊接。外部焊接14段，每段長160 mm，內部焊接8段，每段長120 mm。在每個M42把合螺栓與上冠之間、螺母與螺母之間、螺母與螺桿頭部之間分別點焊牢固，每層至少對稱兩段點焊點。

（7）割除泄水錐外壁吊點，并打磨光滑，割除上冠減壓孔附近吊點并打磨光滑。將泄水錐運輸用的滾輪小車吊至尾水檢修平臺，如無法直接運出，將其分解后運出尾水管。拆除右岸側尾水管盤型閥處焊接的滑輪吊攀，清理現場。

7 結論

安康水電廠3號機泄水錐水下運輸恢復后，機組試驗運行將近2年時間，水導軸承擺度瓦溫運行正常。泄水錐水下運輸方案，設計制作了金屬導送座、滾輪小車、泄水錐安裝工具、翻身工藝等一系列工藝工裝。裝置結構緊湊，使用方便，安全高效，保證了泄水錐安裝質量和檢修工期進度。工藝方案科學合理，有創新性。在水輪機轉輪不吊出機坑狀況下，水下運輸是解決泄水錐安裝復位的理想方案，具有一定的借鑒應用價值。