潘口水電站底環(huán)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(fā)有限責(zé)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(nèi)，下距竹山縣城13 km，潘#1 機(jī)于2012 年5 月投產(chǎn)發(fā)電，潘#2 機(jī)于2012 年12 月投產(chǎn)發(fā)電。地面廠房共布置2 臺(tái)立式水輪發(fā)電機(jī)組。單機(jī)容量250 MW，額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪直徑6112 mm，共24 片導(dǎo)葉。

頂蓋抗磨板材質(zhì)為S135 不銹鋼，底環(huán)材質(zhì)為Q235，底環(huán)抗磨板材質(zhì)為改性復(fù)合超高分子量聚乙烯材料，底環(huán)抗磨板共24 組，抗磨板內(nèi)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(huán)進(jìn)行把合。廠內(nèi)組裝抗磨板時(shí)在抗磨板與底環(huán)結(jié)合面涂覆一層涂氯丁橡膠酚醛樹脂401，組裝后在工廠內(nèi)進(jìn)行加工，加工留出導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)下端面密封的1 mm 凸臺(tái)。

圖1 底環(huán)抗磨板圖

圖2 底環(huán)抗磨板安裝圖

1 底環(huán)抗磨板高分子材料參數(shù)

密度：＞0.95 g/cm3，拉伸強(qiáng)度：23.1 MPa，熱膨脹系數(shù)：1.5×10-4/℃，吸水率：0.01%，動(dòng)摩擦系數(shù)：0.1～0.22（無潤(rùn)滑），簡(jiǎn)支梁無缺口沖擊強(qiáng)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(jī)組小修時(shí)，發(fā)現(xiàn)潘#1 機(jī)組底環(huán)抗磨板在導(dǎo)葉出水側(cè)靠近轉(zhuǎn)輪區(qū)域有17 處向上拱起變形，拱起最大高度為3 cm，潘#2 機(jī)組底環(huán)抗磨板在導(dǎo)葉出水側(cè)靠近轉(zhuǎn)輪區(qū)域有1 處向上拱起變形。兩臺(tái)機(jī)組底環(huán)抗磨板向上拱起變形位置均為內(nèi)徑φ6390 弧線與兩塊抗磨板在導(dǎo)葉孔處的組合縫交叉線逆時(shí)針10 cm 處，見圖3、圖4。

圖3 底環(huán)抗磨板拱起變形圖

圖4 底環(huán)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(nèi)六角M16×30 螺釘表面堵頭去除之后，發(fā)現(xiàn)M16×30 固定螺釘并未松動(dòng)，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(tái)階已經(jīng)變軟或脫落損壞。

可能出現(xiàn)的原因：

（1）抗磨板安裝時(shí)拱起位置螺栓的旋轉(zhuǎn)扭矩過大，螺栓拉力過大，造成螺栓附近的超高分子材料產(chǎn)生塑性變形。在運(yùn)行過程中塑性變形應(yīng)力在機(jī)組振動(dòng)下逐步通過抗磨板的拱起起到釋放，經(jīng)過廠家了解其它電站出現(xiàn)類似情況。底環(huán)抗磨板安裝結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

（2）抗磨板與底環(huán)的結(jié)合面涂覆的氯丁橡膠酚醛樹脂401或環(huán)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(yù)緊螺釘孔間距偏大，拱起變形區(qū)域抗磨板螺栓預(yù)緊力整體偏小。從拱起變形部位檢查發(fā)現(xiàn)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(jī)組停機(jī)瞬間抗磨板上的負(fù)壓力之和大于抗磨板螺釘預(yù)緊力。底環(huán)抗磨板位于導(dǎo)葉布置圓的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)導(dǎo)葉外側(cè)抗磨板表面存在一個(gè)與上游水位有關(guān)的水壓力，內(nèi)側(cè)抗磨板表面水壓力很小，幾乎可以忽略不計(jì)。內(nèi)側(cè)抗磨板因?qū)~、底環(huán)等處滲漏水等仍會(huì)在下表面形成一個(gè)與上游水位有關(guān)的水壓力。內(nèi)側(cè)底環(huán)抗磨板上下表面的水壓壓差，存在一個(gè)上抬力，導(dǎo)葉關(guān)閉瞬間會(huì)在內(nèi)側(cè)抗磨板表面形成負(fù)壓力?？鼓グ逶谶@幾種力反復(fù)作用下產(chǎn)生塑性變形損壞。

4 小修期間臨時(shí)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(jīng)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(huán)高度1620 mm），上端蓋頂在頂蓋抗磨板上，下端蓋頂在底環(huán)損壞的抗磨板處，千斤頂與頂蓋抗磨板和底環(huán)抗磨板之間墊上墊款（保護(hù)抗磨板），將變形的底環(huán)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(huán)上攻鉆M16 mm 深25 mm 的螺孔。

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

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

（6）沉孔中灌滿環(huán)氧膠，等固化后松開管子千斤頂，檢查底環(huán)與抗磨板之間應(yīng)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(jìn)行修磨，打磨平整、光滑。

5 處理措施

在機(jī)組小修時(shí)只能采取上述臨時(shí)處理措施，在2015 年、2016 年潘#1 機(jī)組小修時(shí)處理后均再次出現(xiàn)底環(huán)抗磨板在導(dǎo)葉出水側(cè)靠近轉(zhuǎn)輪區(qū)域上拱起變形情況。經(jīng)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(jī)組大修進(jìn)行處理。

5.1 在底環(huán)底部增加減壓排水孔

在底環(huán)安裝基礎(chǔ)座環(huán)的環(huán)形槽上增加八處φ8 的減壓排水孔，排水孔鉆至底環(huán)上導(dǎo)葉下軸套孔處，將底環(huán)抗磨板底部積水通過下軸套孔排至及座環(huán)的環(huán)形槽內(nèi)，座環(huán)的環(huán)形槽內(nèi)及底環(huán)底部積水通過新增加排水孔排至尾水，以防止底環(huán)及抗磨板上抬現(xiàn)象。

由于排水孔中心在座環(huán)環(huán)形槽的邊緣上，為防止鉆頭跑偏，需要在環(huán)形槽點(diǎn)焊鐵塊。再利用工裝板將磁座鉆掛在工裝板上，用加長(zhǎng)鉆頭鉆φ8 通孔。鉆孔完成后在底環(huán)導(dǎo)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(jīng)過對(duì)底環(huán)及抗磨板結(jié)構(gòu)的計(jì)算、分析，采用與頂蓋抗磨板相同材質(zhì)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(huì)發(fā)生起拱現(xiàn)象。原高分子材料底環(huán)抗磨板數(shù)量為48 塊，為了避開原有孔位，新抗磨板數(shù)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(dòng)切割機(jī)配合撬棍等工具，對(duì)抗磨板進(jìn)行破壞性拆除。允許有部分抗磨板剩余，待導(dǎo)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(dǎo)葉本體。

（2）抗磨板安裝面與頂蓋下抗磨板之間開檔值測(cè)量

抗磨板拆除后，對(duì)抗磨板安裝面進(jìn)行除銹等清掃工作。使用內(nèi)徑千分尺對(duì)抗磨板安裝面與頂蓋抗磨板之間距離進(jìn)行測(cè)量，依據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算新抗磨板最終厚度，以計(jì)算厚度進(jìn)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(cuò)位，需要重新按新抗磨板孔位配鉆孔在底環(huán)上的組裝螺孔。首先進(jìn)行抗磨板預(yù)裝，用酒精將抗磨板安裝面清洗干凈，將抗磨板平鋪在底環(huán)上，檢查底環(huán)Φ6390 mm 止口和下軸套軸孔，刀口尺檢查抗磨板與底環(huán)止口垂直及周向方向無錯(cuò)牙。對(duì)存在錯(cuò)牙的位置進(jìn)行調(diào)整或打磨處理。抗磨板組合縫垂直和徑向方向應(yīng)無錯(cuò)牙，存在錯(cuò)牙則修磨處理。平鋪結(jié)束后，對(duì)每塊抗磨板進(jìn)行編號(hào)標(biāo)記并在底環(huán)上做好位置標(biāo)記。

由于新抗磨板為不銹鋼材料，鉆孔時(shí)施工抗磨板兩側(cè)的抗磨板需要臨時(shí)拆除，鉆孔、攻絲結(jié)束后再按原有編號(hào)和標(biāo)記回裝。原有螺孔將采用環(huán)氧膠水進(jìn)行填充和封堵，環(huán)氧膠凝固后對(duì)表面進(jìn)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(huán)止口平面和抗磨板貼合面涂富鋅漆。安裝抗磨板螺釘時(shí)要先裝中間部位螺釘，再緊固外側(cè)螺釘。安裝完成后對(duì)抗磨板的平面度進(jìn)行測(cè)量，如抗磨板有局部高點(diǎn)，則打磨處理，較低部位則在抗磨板底面加墊處理?？鼓グ迤矫娑葷M足設(shè)計(jì)要求后，用環(huán)氧膠水封堵沉孔。待環(huán)氧膠水干透后，用磨光機(jī)打磨拋光環(huán)氧膠表面，最后復(fù)查抗磨板的平面度。

安裝新抗磨板與導(dǎo)葉間下端面密封，按編號(hào)將密封壓板、密封條組裝于抗磨板上，待導(dǎo)水機(jī)構(gòu)回裝后測(cè)量密封壓板距離底環(huán)抗磨板的高差，高差應(yīng)不大于1.8 mm。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安裝完成復(fù)測(cè)導(dǎo)葉上下端部間隙，導(dǎo)葉總間隙應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)葉總間隙不合格時(shí)重新進(jìn)行抗磨板安裝調(diào)整。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過3 年的運(yùn)行，潘#1 機(jī)組大修時(shí)更換的不銹鋼底環(huán)抗磨板未出現(xiàn)上拱現(xiàn)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(guó)水電事業(yè)的飛速發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造水平也得到了快速的發(fā)展，不僅機(jī)組的容量達(dá)到世界先進(jìn)水平，一些新材料也得到了應(yīng)用，改性復(fù)合超高分子量聚乙烯材料底環(huán)抗磨板在抗磨性能、抗空蝕性能比傳統(tǒng)不銹鋼抗磨板有著明顯優(yōu)勢(shì)，但是在使用過程中也存在一些問題。本文對(duì)這種材料在使用過程中存在問題進(jìn)行分析、處理經(jīng)驗(yàn)，值得其它電站借鑒。