南歐江六級水電站頂蓋平壓管改造設想與實踐

李黎

摘要：本文簡要介紹南歐江六級水電站2號機組頂蓋平壓管的組成，分析了引起平壓管漏水的原因的，并提出了對其進行改造的設想和具體方案，以及其它電站類似問題的改造建議。經過實踐證明，此方案有較高的合理性和正確性，希望本文對水輪發電機組的運行過程中的類似問題有借鑒作用。

關鍵詞：頂蓋平壓管;漏水;原因分析;改造設想;方案;建議

概述

南歐江六級電站有3臺6萬千瓦的混流式機組，水輪機及其附屬設備由重慶水輪機廠制造，型號為HLJF3011-LJ-375，額定水頭60m，額定轉速為150r/min。3臺機組于2016年4月投產發電。頂蓋為鋼板焊接結構，為了減輕機組運行中的軸向水推力以及減小頂蓋上的水壓力，提高推力軸承運行的安全可靠性，在頂蓋開上設6個Φ160mm的管孔，通過6根Φ159*4.5mm的不銹鋼管與機坑上的預埋鋼管相連，整個連接為剛性法蘭螺栓連接。安裝結構見圖：

1現象與原因分析

機組投運后約半年后，3臺機組的平壓管均發現有漏水現象。漏水一方面導致頂蓋排水泵頻繁啟動，另一方面因為個別位置因為噴水濺落至剪斷銷上，造成水機保護誤動作，嚴重影響了機組的安全穩定運行。經過停機檢查發現，漏水部位主要為平壓管焊縫部位和平壓管水平段法蘭連接部位。初步分析焊接質量和密封出現問題，隧關閉進水口蝶閥和尾水閘門，將漏水的平壓管拆出，對開裂的焊縫嚴格按照不銹鋼鋼管焊接工藝進行補焊，同時注意焊接應力的消除，同時更換橡膠密封圈。但運行一段時間后漏水現象又出現。為了排除母材對焊縫的影響，又對不銹鋼鋼管和90°彎頭進行了更換，但是數月后焊縫仍然有開裂現象。排除焊接工藝和母材材質影響后，分析引起平壓管漏水的原因主要有以下幾點：

（1）排水管連接方式的影響。排水管和頂蓋、機坑里襯之間采用法蘭螺栓連接，均為剛性連接。機組運行過程中，由于水輪機頂蓋和平壓管本身的振動，連同焊接應力的影響，易造成焊縫疲勞損傷，最終導致焊縫開裂，從而導致漏水。

（2）機組振動的影響。頂蓋與機坑里襯的振動方向和頻率、幅值不一致，以及頂蓋壓力脈動對頂蓋平壓管產生的軸向和徑向拉應力的作用，所以即使機組振動值滿足運行規范要求，但振動值較大時必然會加大排水管的疲勞損傷，使焊縫連接處出現開裂。2號機組噪音、振動較1號、3號機組稍大，出現平壓管漏水現象最早，焊縫開裂最嚴重就證明了這一觀點。

（3）由于頂蓋與機坑里襯之間作業空間狹小，平壓管需要現場配管后拿來焊接，法蘭與不銹鋼鋼管焊接時，其垂直度和水平度難免與機坑里襯和頂蓋泄壓孔上的法蘭不平行，為了不影響法蘭處的平面密封的密封效果，不平行處用螺栓連接時候必定產生較大的拉應力，在長期受較大拉應力的情況下，最終導致焊縫拉裂。

（4）法蘭面密封為橡膠密封，使用一段時間后，密封圈老化加上汛期水中泥沙含量較高，導致法蘭連接處漏水。

2改造設想

針對頂蓋平壓管漏水的原因，根據現場實際情況對頂蓋平壓水管的結構進行了重新設計。

（1）頂蓋平壓管在機組運行時，針對頂蓋和機坑里襯的振動有一定的軸向、徑向自由度，必須用一定的方式補償或者抵消頂蓋和機坑里襯振動的不同向以及頂蓋壓力脈動引起的平壓管變形量。

（2）平壓管法蘭連接面密封既能密封，還能達到耐磨、不變形、長時間運行不干縮，發生密封損壞時，能不排尾水管內的的積水的情況下進行更換。

（3）在不改變頂蓋原有其它部件位置和尺寸的基礎上，使用活動法蘭，使平壓管做到安裝方便，對準法蘭螺栓孔時僅需轉動法蘭而不必旋轉管子使平壓管承受較大應力，能較好的調整兩端法蘭連接位置，保證法蘭連接可靠，密封良好。

3改造方案

為了解決頂蓋平壓管漏水問題，保證機組的安全穩定運行，對原頂蓋與機坑里襯之間的平壓管管路結構進行了重新設計，提出了“翻邊活動法蘭+不銹鋼鋼管+金屬編織波紋軟管+翻邊活動法蘭”的改造方案，法蘭之間密封采用金屬纏繞柔性石墨墊圈密封。

（1）拆出原平壓管，切除原平壓管水平段部分（切除長度根據翻邊活動法蘭垂直翻邊的長度和金屬軟管的總長度計算確定），切除平壓管豎直段上的法蘭。

（2）將翻邊活動法蘭分別與機坑里襯和頂蓋上泄壓孔上的固定法蘭用雙頭螺桿固定（配置金屬纏繞石墨墊圈），將翻邊活動法蘭垂直翻邊、金屬軟管（長度為500mm）、不銹鋼管點焊固定牢固。

（3）松開活動法蘭上的連接螺栓，將點焊固定過的平壓管拆出，將連接處的焊縫用氬弧焊進行焊接（氬弧焊能有效減少焊接應力）。

（4）將金屬纏繞石墨墊圈放置于頂蓋泄壓孔上，然后將平壓管豎直段上的翻邊活動法蘭與頂蓋泄壓孔上的固定法蘭用雙頭螺栓連接固定。最后將機坑里襯上的固定法蘭與平壓管水平段的翻邊活動法蘭連接。因翻邊活動法蘭的法蘭盤片可以任意角度旋轉，螺栓連接時候可以輕松對準螺栓孔，保證了平壓管不會處于扭曲和受力狀態。螺栓緊固時注意對稱均勻受力，以免金屬纏繞石墨墊圈變形。

金屬編織波紋軟管有兩層結構，內部為不銹鋼波紋管，外襯金屬編織軟管，此方案充分考慮到了頂蓋平壓管對柔韌性、伸縮性、彎曲性和抗振能力強。新結構方便檢修，一旦發生平壓管漏水或滲水時，也不需要排除尾水管的積水，就可以很方便地更換法蘭間的密封，維護量小，而且金屬編織波紋軟管在運行中可以允許在小范圍自由伸縮和變形。

4有關建議

基于南歐江六級電站的頂蓋平壓管頻繁漏水這一事件，為避免水輪機頂蓋平壓管漏水導致停機影響發電企業效益，特提出以下建議：

4.1合理選擇平壓管和機坑里襯連接方式：較多水輪發電機組頂蓋平壓管與機坑里襯的連接方式均為剛性連接，機組振動及水流壓力脈動造成的管路振動無法消除時，將加劇管路焊縫的疲勞損傷，從而導致焊縫破裂、管路漏水。特別是機組振動較大時，剛性連接的弊端將會更加明顯。所以建議頂蓋平壓管與機坑里襯間采用軟連接，如可以承受一定壓力的金屬軟管，以便于管路振動能夠得到及時有效的消除。但此時應注意軟連接管的材質，軟連接管應具有良好的可塑性、耐腐蝕性和足夠的強度、硬度，同時也需具有較好的抗拉強度。

4.2加強機組振動的監視：機組運行過程中發電機上、下機架以及頂蓋等部件振動的監視是一項常規工作內容，當發現機組振動明顯偏大時，即使振動值仍在規范要求范圍之內，也需認真分析引起振動值增大的原因并盡可能的進行處理，以免對頂蓋平壓管造成不利影響。

4.3合理選擇排水管材質：由于各水電站所處河流泥沙含量不盡相同，機組日常運行中止漏環漏水對頂蓋平壓管的沖刷磨損影響程度也有大有小。特別是機組制造商所選擇管路材質達不到要求時，需根據電站所處河流泥沙含量情況選擇合理材質及壁厚的平壓管進行更換。

水輪發電機組頂蓋排水管漏水如果因平壓管材質或平壓管連接方式不合理導致的漏水現象，可以通過更換平壓管、增加軟連接管等方式進行解決;如果因機組振動較大等原因造成排水管漏水，則極大可能需要通過機組大修才能徹底消除漏水缺陷。

5結語

頂蓋平壓管在水輪發電機組運行中承擔著排除水輪機上止漏環漏水等作用，平壓管漏水會導致機組被迫停運，嚴重時將導致水淹機組。本文通過對南歐江六級水電站2號機組頂蓋排水管漏水原因的進行了分析，提出了相應的處理方法和相關建議，2號機組頂蓋平壓管改造后運行穩定，經過半年多的運行情況看，改造效果明顯，沒有焊縫拉裂或者密封破壞引起的漏水現象，充分證明了此方案的科學性，達到了預期的效果，減少了日常維護量，也提高了機組的可靠性和穩定性。后續兩臺機頂蓋平壓管將結合C級檢修工作，全部按照此方案進行改造。希望本文亦能對水輪發電機組運行過程出現類似問題的處理有些許借鑒作用。