潘口水電站底環抗磨板拱起變形問題分析處理

王建海，蔡天淳

（漢江水電開發有限責任公司，湖北 十堰 442200）

0 前言

潘口水電站地處堵河干流上游河段，位于湖北省十堰市竹山縣境內，下距竹山縣城13 km，潘#1 機于2012 年5 月投產發電，潘#2 機于2012 年12 月投產發電。地面廠房共布置2 臺立式水輪發電機組。單機容量250 MW，額定轉速為115.4 r/min。最大水頭為93.4 m，最小水頭為65.6 m，額定水頭為83 m。轉輪直徑6112 mm，共24 片導葉。

頂蓋抗磨板材質為S135 不銹鋼，底環材質為Q235，底環抗磨板材質為改性復合超高分子量聚乙烯材料，底環抗磨板共24 組，抗磨板內徑 φ6390 mm，外徑 φ7560 mm，厚度 30 mm，見圖1、圖2。圖1 為一組抗磨板。每塊抗磨板由19 顆M16 螺栓與底環進行把合。廠內組裝抗磨板時在抗磨板與底環結合面涂覆一層涂氯丁橡膠酚醛樹脂401，組裝后在工廠內進行加工，加工留出導葉全關時下端面密封的1 mm 凸臺。

圖1 底環抗磨板圖

圖2 底環抗磨板安裝圖

1 底環抗磨板高分子材料參數

密度：＞0.95 g/cm3，拉伸強度：23.1 MPa，熱膨脹系數：1.5×10-4/℃，吸水率：0.01%，動摩擦系數：0.1～0.22（無潤滑），簡支梁無缺口沖擊強度（未斷）178 kJ/m2。抗磨性能見表1。

表1 抗磨性能

表2 抗空蝕性能

2 存在問題

在2013 年潘口機組小修時，發現潘#1 機組底環抗磨板在導葉出水側靠近轉輪區域有17 處向上拱起變形，拱起最大高度為3 cm，潘#2 機組底環抗磨板在導葉出水側靠近轉輪區域有1 處向上拱起變形。兩臺機組底環抗磨板向上拱起變形位置均為內徑φ6390 弧線與兩塊抗磨板在導葉孔處的組合縫交叉線逆時針10 cm 處，見圖3、圖4。

圖3 底環抗磨板拱起變形圖

圖4 底環抗磨板拱起變形圖

3 原因分析

將拱起變形部位固定抗磨板的內六角M16×30 螺釘表面堵頭去除之后，發現M16×30 固定螺釘并未松動，抗磨板直接從固定螺釘處脫落出來，被螺釘壓緊的抗磨板臺階已經變軟或脫落損壞。

可能出現的原因：

（1）抗磨板安裝時拱起位置螺栓的旋轉扭矩過大，螺栓拉力過大，造成螺栓附近的超高分子材料產生塑性變形。在運行過程中塑性變形應力在機組振動下逐步通過抗磨板的拱起起到釋放，經過廠家了解其它電站出現類似情況。底環抗磨板安裝結構見圖1、圖2。

（2）抗磨板與底環的結合面涂覆的氯丁橡膠酚醛樹脂401或環氧膠量不足或覆蓋不均勻，致使兩者粘接不牢固。

（3）抗磨板拱起處預緊螺釘孔間距偏大，拱起變形區域抗磨板螺栓預緊力整體偏小。從拱起變形部位檢查發現螺釘間距為205 mm，未拱起部位螺釘間距最大為135 mm。

（4）拱起處抗磨板底部水壓力與機組停機瞬間抗磨板上的負壓力之和大于抗磨板螺釘預緊力。底環抗磨板位于導葉布置圓的內側和外側，導葉全關時導葉外側抗磨板表面存在一個與上游水位有關的水壓力，內側抗磨板表面水壓力很小，幾乎可以忽略不計。內側抗磨板因導葉、底環等處滲漏水等仍會在下表面形成一個與上游水位有關的水壓力。內側底環抗磨板上下表面的水壓壓差，存在一個上抬力，導葉關閉瞬間會在內側抗磨板表面形成負壓力。抗磨板在這幾種力反復作用下產生塑性變形損壞。

4 小修期間臨時處理措施

（1）取出固定抗磨板螺孔處的堵頭，檢查螺釘是否已經損壞，取出螺釘，用干凈的布塞好螺孔，防止異物掉入螺孔中。

（2）制作管子千斤頂（頂蓋到底環高度1620 mm），上端蓋頂在頂蓋抗磨板上，下端蓋頂在底環損壞的抗磨板處，千斤頂與頂蓋抗磨板和底環抗磨板之間墊上墊款（保護抗磨板），將變形的底環抗磨板頂平。

（3）在原孔附近重新鉆φ18 mm孔。锪孔φ26 mm，深17 mm，在底環上攻鉆M16 mm 深25 mm 的螺孔。

（4）用旋轉銼將原螺孔位置抗磨板底部爛掉的10 mm 去除（抗磨板臺階），在M42×3 螺孔口部銑出φ63×15 mm 臺階。裝上新加工的壓蓋，用M16×30 mm 的內六角螺釘將抗磨板緊牢固，沉孔中灌滿環氧膠。

（5）松開管子千斤頂，清理干凈抗磨板、底環的雜物，涂環氧膠，用管子千斤頂將變形的底環抗磨板頂平，用M16×30 mm的內六角螺釘將抗磨板把緊，抗磨板安裝螺栓預緊力距40 N·m。

（6）沉孔中灌滿環氧膠，等固化后松開管子千斤頂，檢查底環與抗磨板之間應無間隙，修平抗磨板過流面。均勻平滑過渡。刮傷的抗磨板可進行修磨，打磨平整、光滑。

5 處理措施

在機組小修時只能采取上述臨時處理措施，在2015 年、2016 年潘#1 機組小修時處理后均再次出現底環抗磨板在導葉出水側靠近轉輪區域上拱起變形情況。經過與廠家溝通最終采用將高分子材料抗磨板更換為不銹鋼抗磨板方案，在潘#1機組大修進行處理。

5.1 在底環底部增加減壓排水孔

在底環安裝基礎座環的環形槽上增加八處φ8 的減壓排水孔，排水孔鉆至底環上導葉下軸套孔處，將底環抗磨板底部積水通過下軸套孔排至及座環的環形槽內，座環的環形槽內及底環底部積水通過新增加排水孔排至尾水，以防止底環及抗磨板上抬現象。

由于排水孔中心在座環環形槽的邊緣上，為防止鉆頭跑偏，需要在環形槽點焊鐵塊。再利用工裝板將磁座鉆掛在工裝板上，用加長鉆頭鉆φ8 通孔。鉆孔完成后在底環導葉下軸套處灌水檢查排水孔是否暢通，不通暢的需要重新鉆孔。

5.2 將高分子材料抗磨板更換為不銹鋼抗磨板

經過對底環及抗磨板結構的計算、分析，采用與頂蓋抗磨板相同材質的不銹鋼抗磨板，新抗磨板采用04Cr13Ni5Mo 不銹鋼。采用不銹鋼抗磨板后，由于抗磨板剛性增加，不會發生起拱現象。原高分子材料底環抗磨板數量為48 塊，為了避開原有孔位，新抗磨板數量為24 塊，厚度為29.5 mm。

（1）舊抗磨板拆除

原抗磨板由于不再使用，拆除過程中可以采用手動切割機配合撬棍等工具，對抗磨板進行破壞性拆除。允許有部分抗磨板剩余，待導葉吊出后再拆除，拆除過程中注意不要損壞抗磨板安裝面及導葉本體。

（2）抗磨板安裝面與頂蓋下抗磨板之間開檔值測量

抗磨板拆除后，對抗磨板安裝面進行除銹等清掃工作。使用內徑千分尺對抗磨板安裝面與頂蓋抗磨板之間距離進行測量，依據測量結果計算新抗磨板最終厚度，以計算厚度進行抗磨板厚度精加工，抗磨板厚度

（3）新抗磨板安裝

為了防止新抗磨板孔位與原有抗磨板組裝螺孔有錯位，需要重新按新抗磨板孔位配鉆孔在底環上的組裝螺孔。首先進行抗磨板預裝，用酒精將抗磨板安裝面清洗干凈，將抗磨板平鋪在底環上，檢查底環Φ6390 mm 止口和下軸套軸孔，刀口尺檢查抗磨板與底環止口垂直及周向方向無錯牙。對存在錯牙的位置進行調整或打磨處理。抗磨板組合縫垂直和徑向方向應無錯牙，存在錯牙則修磨處理。平鋪結束后，對每塊抗磨板進行編號標記并在底環上做好位置標記。

由于新抗磨板為不銹鋼材料，鉆孔時施工抗磨板兩側的抗磨板需要臨時拆除，鉆孔、攻絲結束后再按原有編號和標記回裝。原有螺孔將采用環氧膠水進行填充和封堵，環氧膠凝固后對表面進行打磨拋光。

抗磨板組裝前再次清理抗磨板安裝面及抗磨板，在底環止口平面和抗磨板貼合面涂富鋅漆。安裝抗磨板螺釘時要先裝中間部位螺釘，再緊固外側螺釘。安裝完成后對抗磨板的平面度進行測量，如抗磨板有局部高點，則打磨處理，較低部位則在抗磨板底面加墊處理。抗磨板平面度滿足設計要求后，用環氧膠水封堵沉孔。待環氧膠水干透后，用磨光機打磨拋光環氧膠表面，最后復查抗磨板的平面度。

安裝新抗磨板與導葉間下端面密封，按編號將密封壓板、密封條組裝于抗磨板上，待導水機構回裝后測量密封壓板距離底環抗磨板的高差，高差應不大于1.8 mm。

導水機構安裝完成復測導葉上下端部間隙，導葉總間隙應滿足設計要求，導葉總間隙不合格時重新進行抗磨板安裝調整。

6 結語

經過3 年的運行，潘#1 機組大修時更換的不銹鋼底環抗磨板未出現上拱現象，更換不銹鋼抗磨板起到了較好效果，徹底解決原高分子材料抗磨板上拱的問題。

隨著我國水電事業的飛速發展，水輪發電機設計、制造水平也得到了快速的發展，不僅機組的容量達到世界先進水平，一些新材料也得到了應用，改性復合超高分子量聚乙烯材料底環抗磨板在抗磨性能、抗空蝕性能比傳統不銹鋼抗磨板有著明顯優勢，但是在使用過程中也存在一些問題。本文對這種材料在使用過程中存在問題進行分析、處理經驗，值得其它電站借鑒。