水輪機(jī)引水蓋板損壞原因及處理方法

成安

（安康水力發(fā)電廠，陜西 安康 725000）

水輪機(jī)引水蓋板損壞原因及處理方法

成安

（安康水力發(fā)電廠，陜西 安康 725000）

安康水電站4臺水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪引水蓋板先后發(fā)生了開裂現(xiàn)象。從機(jī)組設(shè)計(jì)、安裝、設(shè)備運(yùn)行三個方面分析了轉(zhuǎn)輪引水蓋板開裂的原因。引水蓋板設(shè)計(jì)不合理、制造安裝存在缺陷、機(jī)組在振動區(qū)運(yùn)行三個因素造成了轉(zhuǎn)輪引水蓋板損壞。介紹了轉(zhuǎn)輪引水蓋板修復(fù)處理的工藝和措施。

引水蓋板開裂；水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪；設(shè)計(jì)；振動區(qū)

1 4臺機(jī)轉(zhuǎn)輪引水蓋板故障情況

安康水電站安裝4臺200 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，其水輪機(jī)型號為HL220-LJ-550，設(shè)計(jì)水頭為76.2 m，設(shè)計(jì)流量為304 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為107.1 r/min，轉(zhuǎn)輪直徑為5 500 mm。第一臺機(jī)組（4號機(jī)）于1990年12月投運(yùn)，第四臺機(jī)組（1號機(jī)）投運(yùn)于1992年年底。投產(chǎn)后的數(shù)年時間內(nèi)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生設(shè)備損壞現(xiàn)象。自1998年5月至1999年3月，4臺機(jī)相繼發(fā)生水輪機(jī)引水蓋板開裂、掉塊等設(shè)備損壞事故，導(dǎo)致被迫停機(jī)搶修。

1.1 1號機(jī)損壞情況

1998年5月，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪上平面檢查時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪引水蓋板存在掉塊現(xiàn)象，其形狀為邊長400 mm的正方形，掉塊位于轉(zhuǎn)輪分瓣法蘭附近，在引水蓋板外圈環(huán)焊縫和引水蓋板中心立筒焊縫開裂較多，引水蓋板板面也有一些裂紋，開裂總長度約1 450 mm，如圖1所示。

1.2 4號機(jī)損壞情況

1998年6月，對過流部件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪引水蓋板有掉塊現(xiàn)象，其尺寸為720×580 mm2，引水蓋板分布有較多的分散裂紋，開裂總長度約1 440 mm，大部分裂紋分布在轉(zhuǎn)輪分瓣法蘭兩側(cè)，如圖2所示。

1.3 2號機(jī)損壞情況

1999年2月25日，引水蓋板檢查發(fā)現(xiàn)，其外圈環(huán)焊縫開裂較嚴(yán)重，開裂長度超過周長的一半，8個泄水孔焊縫和其他部位有開裂現(xiàn)象，裂紋總長度1 501 mm，如圖3所示。

圖1 1號機(jī)引水蓋板損壞示意圖

圖2 4號機(jī)引水蓋板損壞示意圖

1.4 3號機(jī)損壞情況

1999年3月12日，3號機(jī)小修中分解檢查發(fā)現(xiàn)，引水蓋板有多處開裂，主要是外圈環(huán)焊縫、10個泄水孔焊縫和配重塊處，裂紋總長度約1 340 mm，如圖4示。

2 原因分析

引起引水蓋板開裂的因素比較多，既有設(shè)計(jì)、安裝原因，也有運(yùn)行方面的原因，主要有以下幾個方面。

2.1 引水蓋板設(shè)計(jì)不合理

引水蓋板剛度不夠。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪引水蓋板面積大、板材薄，其外徑為5 030 mm，內(nèi)徑為2 130 mm，引水蓋板板厚為22 mm，而引水蓋板的支撐和固定措施考慮不周，其支撐只有內(nèi)徑側(cè)立筒和轉(zhuǎn)輪上冠外緣，中間全部懸空，懸空面積約16 m2，引水蓋板剛性不足，當(dāng)受到轉(zhuǎn)輪振動影響或頂蓋水壓脈動嚴(yán)重時，引水蓋板振動幅度較大，長時間在強(qiáng)烈振動環(huán)境下運(yùn)行，將造成引水蓋板疲勞破壞［1］。

引水蓋板連接焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足。引水蓋板結(jié)構(gòu)的直角搭接均是焊高為8 mm的單邊角焊，外圈的焊縫為單邊V型坡口周焊，坡口較小，坡口深10mm，為非清根焊縫。對于板厚為22 mm引水蓋板的結(jié)構(gòu)來說，焊縫顯得薄弱。

引水蓋板與轉(zhuǎn)輪上冠法蘭過于靠近。引水蓋板下平面與上冠上平面的間隙過小，相互之間沒有焊接在一起，當(dāng)外力引起引水蓋板劇烈振動時，轉(zhuǎn)輪上冠法蘭和與其對應(yīng)的引水蓋板就會發(fā)生碰撞，引水蓋板碰撞點(diǎn)的周圍產(chǎn)生交變應(yīng)力，造成引水蓋板開裂或掉塊。檢查結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪上冠法蘭和引水蓋板確實(shí)發(fā)生了較嚴(yán)重的碰撞，1、4號機(jī)引水蓋板在轉(zhuǎn)輪上冠法蘭對應(yīng)位置開裂嚴(yán)重與二者相撞密切相關(guān)。

2.2 安裝質(zhì)量不良

引水蓋板焊縫質(zhì)量不良。由于當(dāng)時管理體制的原因，業(yè)主單位無法監(jiān)督和約束施工單位，不能到施焊現(xiàn)場把關(guān)，造成施工單位不夠重視焊接工藝和焊接質(zhì)量，存在諸多焊接缺陷，埋下了引水蓋板開裂的隱患。4臺機(jī)引水蓋板開裂部位大部分位于外圈環(huán)焊縫和立筒焊縫上，2號機(jī)尤為突出。

安裝工藝不當(dāng)。安裝時，引水蓋板上隨意開孔，且加配重位置不合適。工地安裝時，轉(zhuǎn)輪的配重焊在了引水蓋板的下平面上，且多處挖孔配制。一是多處開孔后的補(bǔ)焊，均為封閉焊縫，容易產(chǎn)生裂紋；二是單側(cè)焊接，另一側(cè)無法完全熔透，為天然缺陷；三是配重增加了引水蓋板的局部慣性。引水蓋板振動時，由于三種缺陷存在，必然引起其局部損壞。檢查中發(fā)現(xiàn)部分開裂部位在開孔和焊配重塊處，1、4號機(jī)較為明顯。

2.3 機(jī)組長期運(yùn)行于非最優(yōu)工況

由于電力系統(tǒng)的需要及上游水位的變化，水輪機(jī)不可能經(jīng)常處于設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。水輪機(jī)在偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時，會產(chǎn)生劇烈的水壓脈動、振動、氣蝕及噪聲。

非最優(yōu)工況加劇引水蓋板振動。機(jī)組的水力振動主要是由壓力脈動引起的，壓力脈動是激振源。壓力脈動產(chǎn)生的原因主要有兩個方面，一是由于過流部件中流場的速度分布不均勻產(chǎn)生的壓力脈動；二是水流流過一些繞流體后出現(xiàn)脫流漩渦，如卡門渦列和尾水管中的渦帶，脫流的漩渦誘發(fā)壓力脈動。機(jī)組在非最優(yōu)工況下運(yùn)行時，有流場分布不均勻產(chǎn)生的壓力脈動，也有脫流漩渦引起的壓力脈動，機(jī)組偏離最優(yōu)工況越遠(yuǎn)，水流的圓周速度分量越大，脫流漩渦越嚴(yán)重，產(chǎn)生的壓力脈動越劇烈，特別是尾水管的周期性壓力脈動，對機(jī)組影響最大，劇烈壓力脈動激起轉(zhuǎn)輪、頂蓋等部件的強(qiáng)烈垂直振動，有時甚至產(chǎn)生共振［2-3］。根據(jù)機(jī)組穩(wěn)定性測試結(jié)果，機(jī)組在80 MW以下負(fù)荷運(yùn)行時產(chǎn)生劇烈振動。

非最優(yōu)工況引水蓋板壓力脈動嚴(yán)重。在空載和小負(fù)荷工況下運(yùn)行時，由于轉(zhuǎn)輪出口的旋轉(zhuǎn)水流以及脫流漩渦和氣蝕等影響，尾水管產(chǎn)生較嚴(yán)重的低頻壓力脈動，在其影響下，蝸殼壓力、轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口的壓力也發(fā)生周期性脈動，引水蓋板外徑側(cè)經(jīng)上止漏環(huán)間隙與蝸殼水相連，內(nèi)徑側(cè)通過10個泄水孔與轉(zhuǎn)輪出口水流相連，蝸殼壓力和轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動均能傳導(dǎo)到引水蓋板上，引水蓋板處壓力脈動使其承受交變應(yīng)力的作用，易引起疲勞破壞。機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，安康水電廠蝸殼壓力脈動非常劇烈，脈動值達(dá)設(shè)計(jì)水頭的40%［4］。

在1991年至1997年的7年時間里，安康水電廠機(jī)組主要在10萬kW負(fù)荷以上工況運(yùn)行，很少在空載和低負(fù)荷工況運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行狀況良好，沒發(fā)生嚴(yán)重異常情況。后來，因電網(wǎng)的需要，安康水電廠4臺機(jī)組空載調(diào)壓、帶10萬kW以下負(fù)荷運(yùn)行的時間顯著增加，1997年年底到1998年，4臺機(jī)組空載荷調(diào)壓和低負(fù)荷運(yùn)行的時間比例接近15%，2號機(jī)空載調(diào)壓和低負(fù)荷運(yùn)行的時間比例超過1/3。機(jī)組在空載調(diào)壓和低負(fù)荷運(yùn)行一段時間后，4臺機(jī)先后出現(xiàn)了引水蓋板損壞、上止漏環(huán)嚴(yán)重?fù)p壞、尾水管里襯損壞等問題。事實(shí)證明，轉(zhuǎn)輪引水蓋板損壞與機(jī)組在非最優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行有緊密關(guān)系。

3 引水蓋板的處理方法

4臺機(jī)轉(zhuǎn)輪引水蓋板第一次處理都屬于搶修性質(zhì)，由于受到工期緊的限制，不可能從根本上解決問題，只能對引水蓋板進(jìn)行簡單補(bǔ)焊和加固。后來，1號機(jī)在擴(kuò)大性大修中進(jìn)行了引水蓋板更換，4、3號機(jī)在機(jī)組大修中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造（取消鋼質(zhì)引水蓋板，填充鋼筋混凝土）。

3.1 1、4號機(jī)引水蓋板的補(bǔ)焊處理

按照常規(guī)，引水蓋板的檢查和處理，需要在拆吊頂蓋的擴(kuò)大性大修中進(jìn)行。為了迅速完成搶修工作，安康水電廠采用了在底環(huán)上加千斤頂，將頂蓋頂起一定高度并固定，檢修人員鉆到頂蓋和引水蓋板之間進(jìn)行修復(fù)的方法。為了縮短檢修工期，減少拆裝工作，僅分解水導(dǎo)、主軸密封、接力器推拉桿以及妨礙頂蓋起升的所有管道和花鐵板等，將導(dǎo)葉、套筒、拐臂等部件和頂蓋一起頂升［5］。起落頂蓋時，分別用兩組（每組8個）32 t的螺旋千斤頂轉(zhuǎn)換操作，起升高度在560～580 mm比較合適。為了頂蓋的起落安全和快速回位，加裝了8根M64的導(dǎo)向螺桿，并在起落的過程中，用10 t的千斤頂調(diào)整頂蓋和導(dǎo)葉的位置。

引水蓋板補(bǔ)焊處理時，對開裂的焊縫和板面裂紋，用碳弧氣刨刨出深21 mm的U型坡口，磨去滲碳層，焊前將翹起的引水蓋板外緣用千斤頂壓實(shí)，選用抗裂性能好的E5015焊條進(jìn)行焊接，焊前進(jìn)行預(yù)熱，每焊一層均用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊，以消除焊接應(yīng)力和防止產(chǎn)生焊接裂紋，為防止產(chǎn)生焊接變形，采取對稱焊和分段焊［6］；對引水蓋板掉塊位置，用22 mm厚相同材質(zhì)鋼板進(jìn)行了鑲補(bǔ)；為了消除配重塊對引水蓋板的影響，將原焊于引水蓋板上的配重塊移到轉(zhuǎn)輪上冠上表面進(jìn)行焊接。

4號機(jī)引水蓋板補(bǔ)焊處理時，針對引水蓋板與轉(zhuǎn)輪上冠法蘭相碰撞問題，將引水蓋板與轉(zhuǎn)輪上冠法蘭焊在一起，以防二者再發(fā)生相撞。具體做法是，引水蓋板上刨開一條長孔，孔的尺寸為600×30mm2，長孔的兩邊均布兩排塞焊孔，在長孔和塞焊孔處施焊。

3.2 2、3號機(jī)引水蓋板的加固處理

2、3號機(jī)引水蓋板檢修處理基本按照1、4號機(jī)的方法進(jìn)行，為了解決引水蓋板剛度不足的問題，對其進(jìn)行了加固。在上冠與引水蓋板之間加裝6根Ф275×7.5 mm的鋼管支撐，6根鋼管沿圓周方向均布，分布圓直徑為Ф4 067 mm，其上下部分別與引水蓋板和上冠焊接牢固，頂部加焊封蓋。

3.3 1號機(jī)引水蓋板更換

1號機(jī)擴(kuò)修時，割除舊引水蓋板，更換了新引水蓋板，增加了如下措施：1）新引水蓋板板厚由原來的22 mm增加到30 mm；2）引水蓋板上12個箱格內(nèi)，均布12個Ф425×12.5 mm厚壁鋼管支撐，以解決引水蓋板剛度不夠的問題。鋼管與引水蓋板和上冠分別焊接牢固，最后在支撐鋼管頂部加焊封蓋并磨平；3）加大各處焊縫尺寸，提高引水蓋板與轉(zhuǎn)輪上冠焊縫金屬融合度，以防止焊縫再度開裂；4）為解決引水蓋板與轉(zhuǎn)輪上冠法蘭碰撞問題，按4號機(jī)同樣的方法，將引水蓋板與轉(zhuǎn)輪分瓣法蘭焊在一起。

3.4 3、4號機(jī)取消引水蓋板

為了徹底解決引水蓋板開裂問題，參照某大型水電廠的方法，取消鋼質(zhì)引水蓋板，用鋼筋混凝土把上冠凹坑部分填平。具體做法是：把引水蓋板平面布置的鋼板割除，引水蓋板立筒做為混凝土的內(nèi)擋圈予以保留，保留部分鋼結(jié)構(gòu)與上冠焊縫補(bǔ)強(qiáng)，均勻?qū)ΨQ布置鋼筋網(wǎng)，腔體內(nèi)澆入高標(biāo)號混凝土。10個泄流孔處預(yù)焊20 mm厚的半環(huán)形鋼板，以消除泄水孔處的氣蝕和磨損。在轉(zhuǎn)輪分瓣法蘭處，因其上平面與混凝土表面距離太小，考慮到混凝土厚度太薄易破碎，加一厚度適宜的鋼板并焊牢。因引水蓋板處理后不起吊轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪不具備做靜平衡試驗(yàn)的條件，所以，必須嚴(yán)格保證鋼筋布置和混凝土澆筑的對稱性，不改變轉(zhuǎn)輪原有的靜平衡狀態(tài)。

4 引水蓋板處理后的運(yùn)行情況

經(jīng)過修復(fù)、加固、改造后，4臺機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，引水蓋板經(jīng)受住了長期運(yùn)行的考驗(yàn)。處理后4臺機(jī)組運(yùn)行了十幾年，都經(jīng)歷了數(shù)次大修，各臺機(jī)組再未出現(xiàn)異常情況。機(jī)組大修中分解檢查，經(jīng)過改造的4、3、1號機(jī)引水蓋板無開裂、掉塊等損懷現(xiàn)象，未經(jīng)改造的2號機(jī)引水蓋板僅有過個別焊縫開裂現(xiàn)象，且經(jīng)過幾輪補(bǔ)焊后不再開裂。實(shí)踐證明，上述處理措施是切合實(shí)際、卓有成效的，能保證機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。不可否認(rèn)的是，后來機(jī)組避免了在10萬kW以下負(fù)荷運(yùn)行，對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

5 結(jié)語

（1）懸空的引水蓋板是分瓣轉(zhuǎn)輪外法蘭聯(lián)接的產(chǎn)物。設(shè)計(jì)制造以及安裝檢修均未引起足夠的重視，導(dǎo)致事故頻繁發(fā)生。轉(zhuǎn)輪在設(shè)計(jì)制造時，考慮此問題，應(yīng)從根本上加以解決。如大型轉(zhuǎn)輪分瓣聯(lián)接，應(yīng)采用內(nèi)法蘭結(jié)構(gòu)，就不需要引水蓋板。

（2）對于已運(yùn)行的電站，此類結(jié)構(gòu)引水蓋板的水輪機(jī)，須定期用內(nèi)窺鏡檢查，及時修補(bǔ)與加固，而把引水蓋板與轉(zhuǎn)輪分瓣法蘭焊在一起是必要的。

（3）頂蓋連同全部導(dǎo)葉拐臂等一起起落搶修引水蓋板的方法，既節(jié)省搶修時間，又安全可靠。

（4）上冠空腔填充混凝土的方法是一種可行的處理措施，該方法簡單易行，處理后可長期安全可靠運(yùn)行。

［1］賀 梅，李郁俠，柴雙明.安康水電廠1號水輪機(jī)引水蓋板開裂成因分析［J］.西北水電，2000（1）：43-45.

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［6］陳兆毅.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪補(bǔ)焊工藝實(shí)例探討 ［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2015（3）：46-48.

2016-06-26

成 安（1964-），男，工程師，主要從事水輪發(fā)電機(jī)組檢修技術(shù)工作。

TK730.3+18

B

1672-5387（2016）10-0060-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.018