映秀灣電站1號機組座環修復技術

談 泰 權

(國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，四川 都江堰 611830)

1 電站概況

映秀灣水電站是岷江上游左岸的一座低閘隧洞引水式徑流電站，位于汶川縣映秀鎮境內，廠房為地下式，裝有3臺45 MW的混流式水輪發電機組，設計水頭54 m，始建于1965年8月，于1971年9月1號機組投產發電。

電站的座環為無蝶形邊的焊接結構，上、下環為箱型結構，座環外形尺寸為6 580×1 740 mm，分為兩半，用螺栓固定成整體。設計要求座環與頂蓋、底環配合法蘭面的不平行度不大于0.25 mm。自2008年“5·12”汶川特大地震后，在機組檢修時發現該電站機組座環存在變形情況，且座環與底環配合法蘭面處存在較大的磨損現象。具體表現為：(1)頂蓋抗磨面與底環抗磨面間高度偏差達1.67 mm；(2)為保證導葉端面間隙均勻，對每個導葉進行配車，24個導葉的高度不一致；(3)頂蓋密封面與座環密封槽所在平面間的間隙不均勻，且最大間隙達0.88 mm；(4)底環安裝時，需在底環與座環之間加金屬墊片，最厚金屬墊片達1.00 mm。結合電站1號機組發電機改造，決定在此期間對座環進行修復。

2 座環修復方案

2.1 座環修復范圍

結合電站1號機組座環的實際情況，此次修復范圍為水輪機座環與頂蓋配合法蘭面、與頂蓋配合密封面及與底環配合法蘭面，并對座環第二鏜口立面進行處理，便于找出水輪機中心基準。

2.2 座環修復技術要求

此次座環修復主要是恢復座環的設計尺寸，為了保證修復質量，提出以下技術要求：

(1)座環補焊過程中應采取有效措施，確保座環焊接變形在許可范圍內，座環與頂蓋、底環連接螺栓孔分度圓滿足設計要求；

(2)焊縫應均勻一致、光滑，與母體金屬融合良好，且無空穴、裂紋和夾渣；

(3)對焊接部件進行消除殘余應力處理，待殘余應力消除后再對部件進行表面機械加工處理；

(4)水輪機座環與頂蓋配合法蘭面、與頂蓋配合密封面及與底環配合法蘭面經修復后，三個平面的高程、平整度滿足設計要求；

(5)在水輪機座環精加工過程中，加工設備不能使水平和中心產生偏移，以保證加工精度；

(6)水輪機座環修復后，經UT、PT或其他有效的無損檢測方式檢測合格[1]。

2.3 座環原始數據測量

為制定座環修復方案，有必要對座環實際水平情況進行測量。現場采用水準儀測量56個座環頂蓋螺栓把合孔處的相對高程，換算得到座環的實際水平情況。水準儀測量座環頂蓋螺栓把合孔相對高程數據見表1。

表1 座環頂蓋螺栓把合孔相對高程數據表 /mm

從表1可知，座環與頂蓋配合法蘭面的不平度達3.02 mm。

2.4 座環修復方案確認

結合座環變形情況，提出以下兩種修復方案：

方案一：以座環與頂蓋配合法蘭面的最高點為基準，對座環進行補焊，然后進行車削，以車削至最高點為止，并以此平面為基準，按照座環設計尺寸對座環密封槽、座環與底環配合法蘭面進行處理。

方案二：以座環與頂蓋配合法蘭面的最低點為基準，對座環與頂蓋配合法蘭面直接進行車削，以車削至最低點為止，并以此平面為基準對座環密封槽、座環與底環配合法蘭面進行處理，最后在座環與頂蓋配合法蘭面加不銹鋼調節墊片[2]，以保證座環與頂蓋之間的配合。

座環頂蓋配合法蘭面寬度為135 mm、厚度為40 mm，若大面積焊接，會導致座環變形，螺栓孔亦會隨之變形，后期將無法保證頂蓋配合，因此，方案一不可行。同時，方案二也存在不足，若將不平度全部車除，座環厚度將由設計的40 mm降為37 mm，減薄了座環配合法蘭面的厚度。但是，對減薄后的座環進行強度計算分析，仍然有足夠的安全裕度，所以，最終選擇方案二。

3 現場施工

3.1 數控機床安裝

機床由支撐架、中心集成組件、刀臂、配重臂、刀架驅動組件、電氣控制單元等主要部件構成。采用數控控制機床回轉速度、刀具進給量，對座環進行車削、精磨。

機床安裝順序為：(1)架設牛腿支撐，并將其與尾水管里襯和機坑里襯進行焊接，以確保機床支撐牢固；(2)安裝操作平臺；(3)安裝中心柱和中心框架；(4)安裝上支撐架；(5)調整設備水平；(6)調整機床中心，檢查設備水平。因現場及數控機床限制，無法實現數控機床安裝一次而完成三個平面的處理，結合數控機床安裝及加工特點，現場采取座環與頂蓋配合法蘭面、與頂蓋配合密封面一同處理，座環與底環配合法蘭面單獨處理的方式。座環上平面處理機具安裝和座環下平面處理機具安裝示意圖分別見圖1、2。

圖1 座環上平面處理機具安裝示意圖

圖2 座環下平面處理機具安裝示意圖

3.2 座環處理

為縮短座環處理工期，現場施工時放棄了從上到下的加工順序[3],將座環處理順序調整為先處理座環與底環配合法蘭面，后處理座環與頂蓋配合法蘭面和與頂蓋配合密封面。具體方法是以座環與頂蓋配合法蘭面最低點測量數據為基準，通過座環兩平面間的相對高程換算得到座環與底環配合法蘭面的高程，對該平面進行處理，最后處理座環與頂蓋配合法蘭面和與頂蓋配合密封面，并保持三者之間的相對高差與頂蓋實際尺寸匹配，且三個平面在處理完成后均經PT、UT無損檢測合格。

3.2.1 座環與底環配合法蘭面處理

為提高座環與底環配合法蘭面的抗磨蝕性能，決定采用不銹鋼焊絲對其進行補焊。現場采用氣體保護焊方式進行焊接，采用窄道、短弧焊接工藝。在焊接相近位置對稱4處架設焊前、焊中、焊后監測點，以監測焊接過程中座環焊接量和焊接變形情況[4]，當發現焊接速度不一致、焊接變形量超過0.5 mm時，及時進行調整[5]。在焊接量滿足要求后，對座環與底環配合法蘭面進行車削、精磨，并實時監測高程，最后用水準儀對稱測得該平面24點相對高程。座環與底環配合法蘭面高程數據見表2。

表2 座環與底環配合法蘭面高程數據表 /mm

由表2可知，該平面最大高差為0.22 mm，不平度滿足不大于0.25 mm的要求。

3.2.2 座環與頂蓋配合法蘭面處理

以座環與頂蓋配合法蘭面最低點為基準，對該平面進行車削、精磨，以車削至最低點為止，同時，還要對該平面立面進行車削。用水準儀對稱測量座環與頂蓋配合法蘭面8點相對高程(表3)；用內徑千分尺測量座環與頂蓋配合法蘭面內徑(表4)；并分8點復核座環與頂蓋配合法蘭面和與底環配合法蘭面之間的高程差(表5)。

表3 座環與頂蓋配合法蘭面8點相對高程 /mm

表4 座環與頂蓋配合法蘭面內徑 /mm

表5 座環與頂蓋配合法蘭面和與底環配合法蘭面之間的高程差 /mm

由表3可知，座環與頂蓋配合法蘭面的最大高差為0.10 mm，不平度滿足不大于0.25 mm要求；由表4可知，座環與頂蓋配合法蘭面內徑偏差最大為0.40 mm，圓度滿足座環允許偏差要求；由表5可知，座環與頂蓋配合法蘭面和與底環配合法蘭面的高程差在1 694.73～1 694.77 mm之間，設計高程差在1 698.00～1 698.25 mm之間，座環與頂蓋配合法蘭面需加不銹鋼調節墊片厚度在3.23～3.52 mm范圍內，符合要求。

3.2.3 座環與頂蓋配合密封面處理

座環密封槽所在平面厚度為20 mm，且原密封槽為“R型”，現場加工處理“R型”密封槽的難度大、工期長，決定對原“R型”密封槽進行堆焊，然后用機床重新配車“U型”密封槽。由于密封部位焊接量大，且密封止口底部厚度較薄，焊接時止口容易向上變形，需對密封圈部位采取防變形措施。焊接前在密封部位先均勻布置防變形塊(間距：300 mm)，以減少焊接變形量，同時，在密封止口的正面及背面錯位處也布置防變形塊，間距為300 mm，背面防變形塊尺寸為200 mm×45 mm×25 mm(長×寬×高)，正面防變形塊尺寸為40 mm×40 mm×25 mm(長×寬×高)。

焊接時，采用對稱和局部少量焊接方式進行焊接，避免焊接時熱量集中導致密封止口變形程度大，同時在焊接相近位置對稱4處架設焊前、焊中、焊后測量點，以監視焊接速度和焊接變形量。密封槽堆焊完成后，以與座環與頂蓋配合法蘭面間的高程差為基準，對該平面進行車削，最后加工密封槽和精磨，并對密封槽立面、座環第二鏜口立面進行車削。用游標卡尺對稱測量座環與頂蓋配合法蘭面與密封面相對高程差(表6)；用內徑千分尺測量密封槽立面、座環第二鏜口立面內徑(表7)。

表6 座環與頂蓋配合法蘭面與密封面相對高程差 /mm

表7 密封槽立面、座環第二鏜口立面內徑 /mm

由表6可知，座環與頂蓋配合法蘭面與密封面相對高程的最大偏差為0.04 mm，考慮疊加座環與頂蓋配合法蘭面的不平度，此平面不平度仍滿足不大于0.25 mm的設計要求；由表7可知，密封槽、座環第二鏜口圓度滿足座環允許偏差要求。

座環與頂蓋配合法蘭面與密封面的設計高程差為320.00～320.10 mm，座環與頂蓋配合法蘭面需加不銹鋼調節墊片厚度在3.38～3.52 mm范圍內。因此，只要在座環與頂蓋配合法蘭面處所加不銹鋼調節墊片厚度控制在3.38～3.52 mm，即可滿足三平面相對高程差要求。

4 結 語

電站機組座環在2008年汶川特大地震中出現嚴重變形，在電站1號發電機改造期間，對1號機組變形嚴重的座環進行處理，結合數控機床及座環特點，采用對座環與頂蓋配合法蘭面進行車削和精磨，對座環與底環配合法蘭面及與頂蓋密封配合面進行補焊、車削和精磨的方式，對座環三個平面進行了處理，同時對座環與頂蓋把合面立面、密封槽立面和座環第二鏜口進行了車削處理。處理之后，三個平面的不平度及三個立面的圓度均滿足設計要求。經機組回裝證明，此次座環修復有效解決了水輪機檢修時座環加墊、頂蓋與座環間密封間隙偏差大、導葉高度不一致等問題，達到了預期效果，同時為該電站2、3號機組及其他有類似情況的機組座環處理提供參考。