福堂水電站水輪機錐管磨蝕的修復工藝

湯 天 水

(四川福堂水電有限公司，四川 都江堰 611830)

1 引 言

福堂水電站廠房位于汶川縣福堂村，G213國道沿電廠右岸通過，廠房上距汶川縣縣城36公里，下距成都111公里。福堂水電站為引水式電站，安裝四臺混流式機組，總裝機容量4×90 MW，2004年1月投入商業(yè)運行，年平均發(fā)電量22.7億kWh。

福堂水電站水輪發(fā)電機組由東方電機股份有限公司供貨，發(fā)電機采用具有上下導軸承的立軸懸式結構，水輪機設計水頭159.3 m，最小水頭146.1 m，最大水頭184.02 m，吸出高度-3.0 m，最大引用流量251 m3/s。尾水管結構形式為彎肘形尾水管，錐管段為全不銹鋼里襯，材料為0Cr13NNi5Mo，肘管為橢圓形端面，采用Q235鋼板焊接而成。機組正常檢修時發(fā)現(xiàn)長期運行錐管沖蝕變薄，2013年“7·10”泥石流更是造成1F、2F機組過流部件受損嚴重。

2 1F、2F過流部件損壞情況

2.1 2F機組座環(huán)及錐管損壞

2013年“7·10”泥石流后機組運行巡檢發(fā)現(xiàn)2 F機組尾水錐管進人孔上部混泥土與錐管接觸面有少量滲水，且滲水渾濁，并逐漸加大，于是停機檢查過流部件，檢查發(fā)現(xiàn)錐管損傷極為嚴重，錐管上部與座環(huán)連接處不銹鋼段已被沖刷掉，背面的護板部分暴露，錐管與座環(huán)結合部二期混凝土淘蝕，鋼筋出露(見圖1)，從錐管上部至錐管中部約1.9米高的范圍內磨損嚴重，上部磨損嚴重程度較多，向下磨損逐步減少，但在錐管中部有多處較大沉坑，已將母材沖穿，進入門上部磨出12～15 mm深的倒角。座環(huán)錐面磨損嚴重，通過檢測，錐面與上下環(huán)板連接部位附近磨出兩個環(huán)帶，深度10～15 mm；座環(huán)下環(huán)板幾乎全部磨蝕，深度超過2/3；座環(huán)與底環(huán)把合面的內圓被沖刷掉30～40 mm(見圖2)。

圖1 2F機組座環(huán)與錐管結合部位損傷

圖2 2F機組座環(huán)下環(huán)板損傷

2.2 1F機組錐管損壞

因發(fā)現(xiàn)2F機組過流部件嚴重損傷，安排1F停機檢查過流部件檢查發(fā)現(xiàn)錐管損傷較為嚴重，錐管上部與座環(huán)連接處約4/5長的不銹鋼段沖刷掉，背面的護板已暴露，從錐管上部至錐管中部約1.7米高的范圍磨損嚴重，上部平均嚴重程度較高向下磨損逐步減少，但在錐管中部有5～6處較大沉坑，有兩處已將母材沖穿，進入門上部磨出15 mm深的倒角(見圖3)。

圖3 1F機組座環(huán)與錐管結合部位損傷

3 方案比選

1F、2F機組過流部件的損傷明確后，業(yè)主單位立即組織電站設計單位、水輪發(fā)電機組制造單位、檢修單位委派相應專家進行現(xiàn)場確認和原因分析，同時確定搶修的大致方案。經(jīng)過現(xiàn)場檢查比對，1F機組轉輪和錐管的損傷程度相對2F機組較輕，修復難度相對較小，所需修復工期也相對較短，先制定1F錐管修復方案，總結1F修復經(jīng)驗可供2F機組制定修復方案提供借鑒。。

方案一：錐管直錐段整體更換

若整體更換錐管，需要將二次混凝土完全打掉，由于錐管下部有四個支腳以及四個搭檢修平臺的箱體，除需要將二期混凝土全部打掉外，必須將部分一期混凝土打掉，才能將錐管取出(見圖4)。

新的錐管至少分為三瓣，在機坑內安裝、拼焊，安裝新的錐管后還需要重新灌漿。由于機組錐管室比較狹窄，現(xiàn)場一期、二期砼鑿除和澆筑因空間狹小和施工難度極大，修復周期會很長。另外咨詢機組生產(chǎn)廠家制造新的尾水錐管需要的工期長達2～3個月。

優(yōu)點：可以恢復到當初設計要求。

圖4 座環(huán)、錐管示意圖

缺點：實際可操作性不強，施工難度大，工期長，投資大。

方案二：錐管上部被沖刷部分更換，其他部分采用鑲焊堆焊打磨至設計厚度。

1F機組錐管被沖刷部分主要位于錐管上段15 cm內， 2F機組錐管被沖刷部分主要位于錐管上段30 cm內，兩臺機組被沖刷部分都位于錐管第一段，由于錐管上段背面有護板，不用處理混凝土即可將錐管第一個環(huán)形筋板以上部分割除，尾水錐管上段第一個環(huán)形筋板14 mm以上部分割除，用新的S135不銹鋼板分瓣鑲焊，鑲焊后在開孔處將原來保留的鋼板與新鑲焊鋼板焊在一起。其余部分采用堆焊工藝，原來保留的鋼板厚度不足時，采用堆焊、打磨的處理辦法，恢復至原來的設計尺寸。

優(yōu)點：只需要對混凝土進行少量處理，現(xiàn)場具備可操作性，投資小，工期短。

缺點：大量焊接可能導致錐管里襯變形，導致錐管里襯與混凝土產(chǎn)生脫空、錐管里襯拉錨失效等，焊接工藝打磨后的表面硬度與母材比偏低。

4 修復方案及施工工藝要求

由于類似于機組尾水管和座環(huán)損傷修復對福堂公司而言尚屬首次，而且又無可直接借鑒的修復案例，經(jīng)過業(yè)主單位、電站設計單位、機組制造單位、機組檢修單位、監(jiān)理公司等單位機電、機械、金屬結構、安裝、焊接、監(jiān)測、水工、灌漿等專業(yè)方面有經(jīng)驗的專家或技術人員對兩個方案充分論證、方案比選和優(yōu)化組合后，形成最終處理方案。

4.1 施工方案

(1)將尾水錐管上段第一個環(huán)形筋板沖刷掉部分割除,割除鋼板時注意保護鋼板背面的拉錨。用新的S135不銹鋼板鑲焊，鑲焊鋼板分為6瓣；鑲焊時鑲焊鋼板先預裝，然后在背面有拉錨的地方開孔，通過塞焊焊接方式將拉錨與鑲焊鋼板連接，堆焊后打磨到設計厚度。

(2)中間較大沉坑，已將母材沖穿處，采用局部鑲焊處理。

(3)錐管其它部位磨損較輕處，采用堆焊、打磨的處理辦法，恢復至原來的設計尺寸。

(4)根據(jù)錐管脫空檢測情況，最后在錐管與混凝土脫空處進行灌漿處理。

4.2 修復目標

(1)錐管修復后的厚度、圓度、錐度等幾何尺寸，應滿足原來設計圖紙的要求。

(2)整個錐管修復后，要按ASME標準進行探傷，應無超標缺陷。

(3)修復過程中要采用多種措施，減少焊接應力，使機組在以后運行中不產(chǎn)生有害的變形。

(4)通過灌漿使錐管與混凝土壁充分貼合，使機組在以后運行中不產(chǎn)生有害的振動、變形。

4.3 施工工藝

4.3.1 施工前的檢測

為保證修復質量，施工前應對錐管進行全面的測量。采用吊鋼琴線方式，測量以座環(huán)頂蓋把合止口為基準,檢查原錐管與機組中心線的偏差值及方位，為以后錐管鑲焊、打磨提供基準。

4.3.2 焊接部位和焊量的確定

錐管上部用25 mm厚的S135鋼板鑲焊。在錐管下部1 900 mm處，劃出等高的環(huán)線，在環(huán)線上均勻劃出12個點，用碳弧氣刨吹出12個孔(要求將鋼板吹透)，測量此處的壁厚并記錄，用12個25 mm長的焊條，插入點焊固定作為焊接厚度標識，用線連接錐管上部和下部標識焊條，由于錐管的母線為直線，可以通過此法確定錐管的缺肉量，每隔100 mm就測量需堆焊的厚度并在測量處作上記錄，按記錄用不同厚度的螺母點焊在記錄位置，作為堆焊厚度的標記。

4.3.3 焊材選擇

根據(jù)尾水錐管原圖，設計時使用的材料為S135不銹鋼板，由于此鋼板為馬氏體不銹鋼，焊接性能較差，對預熱、保溫、焊接環(huán)境的濕度要求較高，大面積焊接后的應力較大，在機坑內采用與母材相同的焊料風險較大。根據(jù)多年的焊接經(jīng)驗，決定采用E309奧氏體不銹鋼焊料，此種焊料的韌性高，焊接性能好，焊接應力較小，焊層的硬度雖然小于母材，但能滿足使用要求。焊條選用AWS A237、E309L φ3.2 mm或φ4.0 mm不銹鋼電焊條，焊絲選用ER309L φ1.2 mm不銹鋼焊絲。

4.3.4 焊接工藝

手工電弧焊接焊條規(guī)格不同，須選取不同的焊接電壓和電流，焊接速度控制在6～15 cm/min。氣體保護焊焊接時焊接電壓控制在20～34 V，焊接電流控制在140～300 A，焊接速度控制在6～15 cm/min。焊前預熱90 ℃后，用ER309L φ1.2焊絲或E309Lφ3.2不銹鋼電焊條進行多層窄道焊。焊前焊條必須按焊條使用說明書進行烘干，放入保溫筒隨用隨取。

4.4 施工工序

(1)將錐管上部與座環(huán)連接處的不銹鋼段沖掉的殘余部分全部吹掉,吹割時注意保護背面的護板和背面的拉錨。

(2)用S135不銹鋼板圈制成直徑為φ2476的圓錐環(huán)，錐度按原設計的錐管錐度執(zhí)行，分割為6段，配割好鋼板后，預制焊接坡口，坡口深度與鋼板厚度一致。預裝鑲焊鋼板并在背面有拉錨處開孔，將鑲焊鋼板與護板開塞焊孔(見圖5)。用鋼琴線吊中心，重新測量鑲焊鋼板與原錐管中心的偏差，并調整合格。鑲焊鋼板定位焊接，將與護板和余下錐管的帶環(huán)焊縫焊接，只焊接一層底層即可，立焊縫段焊牢固，塞焊孔滿焊，與背面的拉錨按附圖處理好后，重新復檢鑲焊鋼板的幾何尺寸，合格后進行后序。

圖5 錐管上部鑲焊鋼板示意圖

(3)上述工作完成后焊接錐管,堆焊從上部分開始焊接，先不與鑲焊鋼板焊接。根據(jù)測量確定錐管的焊接量，堆焊時注意保證鏟磨余量以便保證打磨后錐管里襯壁厚滿足設計要求。焊接時采用防止變形及減少應力的措施，操作施工如退步焊接，分段焊接等方法，每焊一層要求用風鏟清理，除第一層和蓋面層焊道外，其余焊層用風鏟進行錘擊，以釋放焊接應力，先試焊一段，測量焊接區(qū)域的溫度應低于150 ℃，當母材溫度接近此溫度時必須更換焊接位置，同一區(qū)域焊接時間小于20分鐘，分段焊接可分為上下及圓圍分段，分段距離盡可能長。鏟磨堆焊區(qū)域用圓弧樣板和鋼板尺檢查錐管形狀，機組吊鋼琴線，檢查堆焊、鏟磨后環(huán)帶的中心是否滿足要求，并通過測量高度差和直徑，計算堆焊鏟磨后錐度是否符合圖紙要求。堆焊過程中，要經(jīng)常敲擊錐管，通過焊接前后的聲音對比，檢查錐管背面與混凝土貼合。焊接時要控制焊接速度，并用紅外線測溫儀檢測溫度，避免對混凝土產(chǎn)生影響。

(4)對錐管部份母材沖穿的部分，先用碳弧氣刨吹割出圓孔，然后在用S135鋼板鑲焊。

(5)錐管表面堆焊完成后粗磨堆焊層，PT探傷，對焊縫按ASME標準進行UT+PT探傷，根據(jù)探傷結果補焊缺陷點。通過鍾擊法檢查錐管與混凝土的貼合情況，如錐管背面脫空嚴重，通鉆孔檢查確認脫空程度。

(6)精磨鏟磨堆焊區(qū)域并用圓弧樣板和鋼板尺檢查錐管形狀，重新進行PT探傷。

(7)鑲焊圓錐環(huán)：先將鑲焊錐環(huán)與背面護板上部吹出3～5 mm焊接坡口，用E309L焊條將其焊在一起，將座環(huán)與錐管結合部位下環(huán)板與鑲焊鋼板焊在一起。焊接鑲焊塊，底層焊料采用A237，其余采用E309焊條，焊接時采用分段、錘擊等方式減少焊接應力，防止變形。將錐管立焊縫滿分段分部步交替焊接，反復鍾擊鑲焊鋼板、下環(huán)板以消除應力，焊接錐鑲焊鋼板與錐管余下部分的焊縫。焊接完成后打磨焊縫，并對焊縫按ASME標準進行UT+PT探傷。

(8)錐管焊接完成后要求厚度與錐度滿足設計尺寸，用樣板檢查座環(huán)錐面、錐管直錐段等的幾何形狀，應滿足圖紙要求。

(9)錐管修復后通過錘擊法檢查錐管脫空區(qū)多位于錐管上部40 cm～160 cm處，多數(shù)孤立區(qū)域，在80 cm高度有寬約20 cm的環(huán)帶，根據(jù)土建單位灌漿經(jīng)驗采取砂漿和化學灌漿兩種方式，灌漿養(yǎng)護期過后檢查脫空區(qū)小于國家相關規(guī)范規(guī)定。

5 結 語

福堂電站1F機組按照方案修復完成后，投運1天、3天、7天、15天檢查未發(fā)現(xiàn)錐管出現(xiàn)異常情況，錐管脫空區(qū)域灌漿后檢查情況也未發(fā)現(xiàn)異常。

事實證明，采用局部更換加鑲焊的焊接工藝，可以在保證錐管設計要求情況下節(jié)約投資、縮短工期，對有類似錐管磨蝕沖蝕嚴重的水電站施工有一定借鑒意義。

參考文獻：

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