水輪機(jī)止漏環(huán)腐蝕修復(fù)工藝

太平灣發(fā)電廠 遼寧丹東 118000

1 止漏環(huán)概述

水輪機(jī)止漏環(huán)的主要作用是形成阻力,減少水輪機(jī)漏水損失。水輪機(jī)止漏環(huán)由上、下兩部分構(gòu)成,上、下兩部分又分別由固定止漏環(huán)和轉(zhuǎn)動止漏環(huán)組成[1]。止漏環(huán)是水輪機(jī)中容易發(fā)生腐蝕的一個部件。當(dāng)腐蝕量超過一定限額時,會導(dǎo)致轉(zhuǎn)動止漏環(huán)與固定止漏環(huán)圓周間隙不均勻,使水輪機(jī)效率降低,機(jī)組振動增大。20世紀(jì)90年代之前,由于受當(dāng)時經(jīng)濟(jì)條件制約,出于制造成本方面的考慮,我國很多電站水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和止漏環(huán)使用非不銹鋼材料制造,部件腐蝕情況較為嚴(yán)重,有的電站曾出現(xiàn)止漏環(huán)金屬開裂甚至脫落的事故,危及機(jī)組運(yùn)行安全,需要進(jìn)行徹底修復(fù)[2-3]。

位于鴨綠江中下游的長甸電站,其1號水輪發(fā)電機(jī)組由原天津發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn),1989年正式投產(chǎn)發(fā)電。水輪發(fā)電機(jī)組中,水輪機(jī)為混流式,型號為HL200-LJ-380,發(fā)電機(jī)為懸吊式,型號為SF75-40/8540,設(shè)計(jì)水頭為70 m,設(shè)計(jì)流量為106 m3/s。該水輪發(fā)電機(jī)組止漏環(huán)為迷宮式結(jié)構(gòu)。上部固定止漏環(huán)設(shè)計(jì)在頂蓋內(nèi),與頂蓋焊接加工為整體,材質(zhì)與頂蓋材質(zhì)相同,為Q235碳鋼。設(shè)計(jì)時要求上部固定止漏環(huán)中心軸線與φ4 500頂蓋圓周上均布的24個導(dǎo)葉軸孔中心加工基準(zhǔn)線所在圓的中心軸線同軸,同軸度偏差不大于0.10 mm。下部固定止漏環(huán)單獨(dú)設(shè)計(jì),安裝在底環(huán)下部。安裝時要求下部固定止漏環(huán)中心軸線與上部固定止漏環(huán)中心軸線同軸,同軸度偏差不大于0.10 mm。下部固定止漏環(huán)、固定在轉(zhuǎn)輪上冠外側(cè)的上部轉(zhuǎn)動止漏環(huán),以及固定在轉(zhuǎn)輪下環(huán)外側(cè)的下部轉(zhuǎn)動止漏環(huán),其材質(zhì)均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。上、下部止漏環(huán)設(shè)計(jì)單邊間隙為1.7～2.0 mm,水輪發(fā)電機(jī)組止漏環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水輪發(fā)電機(jī)組止漏環(huán)結(jié)構(gòu)

2 腐蝕情況

2017年10月,長甸電站1號水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行A級檢修,檢查發(fā)現(xiàn)頂蓋內(nèi)固定止漏環(huán)表面銹蝕嚴(yán)重,金屬呈疏松海綿體組織,止漏環(huán)上槽和齒的表面均呈現(xiàn)凹凸不平狀態(tài),表面粗糙度值增大。現(xiàn)場測量凹陷深度普遍為1 mm左右,局部凹陷深度達(dá)1.7 mm,如圖2所示。而使用不銹鋼制造的下部固定止漏環(huán)、轉(zhuǎn)動止漏環(huán),其金屬表面情況則良好。

3 腐蝕原因分析及危害

3.1 銹蝕原理

普通材質(zhì)的碳鋼,在水中和潮濕的環(huán)境條件下,表面易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使鋼材表面生銹。鐵銹的主要成分為三氧化二鐵,其次還有少量氧化亞鐵,物理性質(zhì)為在金屬表面呈疏松多孔狀,密度為5.24 g/cm3,相對金屬鐵的密度7.85 g/cm3而言較小,顏色為紅色。鐵銹疏松多孔的性質(zhì)導(dǎo)致無法形成鈍化保護(hù)層,不能阻止金屬繼續(xù)被氧化腐蝕。

圖2 止漏環(huán)腐蝕情況

3.2 汽蝕原理

液體在流動過程中局部產(chǎn)生低壓,當(dāng)壓力低于汽化臨界壓力時,就會產(chǎn)生大量汽泡。大量汽泡運(yùn)動到壓力較高區(qū)域,高于臨界壓力后,汽泡就會破滅,此過程中會產(chǎn)生較大的機(jī)械力。當(dāng)汽泡在疏松部位和孔內(nèi)破滅時,便會對金屬產(chǎn)生較大的破壞作用。

3.3 不銹鋼原理

不銹鋼在冶煉過程中加入12%～18%的金屬鉻。金屬鉻的特點(diǎn)是在氧化腐蝕條件下能夠生成一種堅(jiān)固致密的氧化膜,又稱鈍化膜。這層膜極薄且透明,肉眼幾乎看不到,能夠?qū)饘倥c外界進(jìn)行隔離,阻止金屬被進(jìn)一步腐蝕[4]。

3.4 小結(jié)`

根據(jù)金屬銹蝕和汽蝕形成的原理,確定長甸電站1號水輪發(fā)電機(jī)組上部固定止漏環(huán)腐蝕的原因如下:止漏環(huán)長期在水和潮濕的環(huán)境條件下,產(chǎn)生銹蝕,表面形成一層鐵銹,金屬表面呈疏松多孔狀;當(dāng)機(jī)組在運(yùn)行中所產(chǎn)生的汽泡破滅時,形成機(jī)械力,產(chǎn)生破環(huán)作用,加速金屬表面的腐蝕程度;經(jīng)過近30 a時間的積累,表面變?yōu)榘纪共黄綘?。在同樣的環(huán)境條件下,上、下部轉(zhuǎn)動止漏環(huán)和下部固定止漏環(huán)由于在制造中使用了1Cr18Ni9Ti不銹鋼,材料不會生銹,因此表面質(zhì)量仍然良好。

4 腐蝕危害

(1) 止漏環(huán)在長期銹蝕和汽蝕雙重因素的作用下,表面變得凹凸不平,止漏環(huán)間隙增大,漏水量增大,水輪發(fā)電機(jī)組效率降低。

(2) 圓度變差,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動止漏環(huán)與固定止漏環(huán)間隙不均勻,產(chǎn)生的水流不平衡,造成水輪發(fā)電機(jī)組振動加大。

(3) 疏松的金屬可能會成塊狀脫落,運(yùn)轉(zhuǎn)過程中一旦進(jìn)入止漏環(huán)間隙內(nèi),會引發(fā)研磨轉(zhuǎn)動止漏環(huán)和固定止漏環(huán)的安全風(fēng)險,造成水電發(fā)電機(jī)組重大安全事故。

5 修復(fù)方案

根據(jù)對長甸電站1號水輪發(fā)電機(jī)組上部固定止漏環(huán)腐蝕原因進(jìn)行分析,確認(rèn)解決止漏環(huán)生銹問題是確保修復(fù)后止漏環(huán)能夠長期使用的關(guān)鍵。目前,國內(nèi)較為成熟且有效的水輪機(jī)止漏環(huán)修復(fù)方案主要有兩種。

一種是將頂蓋運(yùn)輸至設(shè)備制造廠,應(yīng)用機(jī)械加工方法,將受損止漏環(huán)車削掉,在車削位置鑲上不銹鋼襯套,形成新的固定止漏環(huán),通過焊接固定,再進(jìn)行精加工。此種修復(fù)方案的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用車床精加工,精度可達(dá)0.01 mm,圓度控制較好。缺點(diǎn)是需要運(yùn)輸返廠,頂蓋直徑較大,屬超寬部件,存在一定的運(yùn)輸困難和風(fēng)險。長甸電站1號水輪發(fā)電機(jī)組頂蓋直徑近5.4 m,如果運(yùn)往哈爾濱市的專業(yè)發(fā)電設(shè)備制造廠,那么經(jīng)核算整個修復(fù)工期需要15 d左右。

另一種是應(yīng)用熱噴涂工藝,采用高速火焰熔射方法,在止漏環(huán)表面噴涂一種0.3 mm厚的金屬陶瓷復(fù)合涂層,輔以滲透劑粘接特殊刮涂用的聚合物,對內(nèi)表面進(jìn)行修磨處理。修復(fù)完成后,涂層具有防銹功能,并且涂層洛氏硬度(HRC)能夠達(dá)到70[5],高于不銹鋼的表面硬度,抗磨損和抗汽蝕能力強(qiáng)于不銹鋼。此種修復(fù)方案的優(yōu)點(diǎn)是在現(xiàn)場進(jìn)行修復(fù),不需要運(yùn)輸。缺點(diǎn)是采用手工方法進(jìn)行修復(fù),表面精度、圓度與同軸度難以保證,同時還需要制作一套專用磨具。經(jīng)核算,整個修復(fù)工期需要25 d左右。

通過對比兩個修復(fù)方案,經(jīng)電廠專業(yè)人員綜合論證,確定采用第一種修復(fù)方案,將頂蓋返廠處理,對固定止漏環(huán)進(jìn)行更換,并委托哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司進(jìn)行方案設(shè)計(jì),確定原止漏環(huán)內(nèi)圓車削部分厚15 mm,高237 mm。車削位置鑲上1Cr18Ni9Ti不銹鋼襯套,形成新的固定止漏環(huán)。這一新止漏環(huán)采用平直結(jié)構(gòu),高235 mm,通過焊接固定。不銹鋼的厚度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的上部轉(zhuǎn)動止漏環(huán)外徑尺寸確定,保證修復(fù)后轉(zhuǎn)動止漏環(huán)與固定止漏環(huán)間隙控制為1.8～2.0mm,內(nèi)圓表面粗糙度Ra不大于1.6 μm。原頂蓋內(nèi)固定止漏環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示,修復(fù)后固定止漏環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 原固定止漏環(huán)結(jié)構(gòu)

圖4 修復(fù)后固定止漏環(huán)結(jié)構(gòu)

6 修復(fù)過程

2018年1月,頂蓋運(yùn)至哈爾濱銀河電機(jī)制造有限公司進(jìn)行修復(fù)。

(1) 按照原廠設(shè)計(jì)圖紙尺寸,對頂蓋和止漏環(huán)進(jìn)行復(fù)檢,檢查原止漏環(huán)尺寸是否符合圖紙及修復(fù)方案要求。

(2) 對頂蓋翻身固定、調(diào)水平。使止漏環(huán)向上,裝夾在車床卡盤上。頂蓋定位加工圖紙如圖5所示。卡盤爪夾緊φ5 010外圓并固定,按φ5 048外圓確定圓心,圓度對點(diǎn)誤差控制在0.05 mm以內(nèi)。按圖紙中的A基準(zhǔn)面找平,平面度誤差控制在0.05 mm以內(nèi),找正部位做好標(biāo)記。

圖5 頂蓋定位加工圖紙

(3) 車削原止漏環(huán)φ3 564內(nèi)圓至φ3 594+0.260,從B面起向下車削,深度為237 mm,剩余部分表面粗糙度Ra不大于6.3 μm。加工后,用滲透檢測方法檢測原止漏環(huán)的加工表面是否存在裂紋等缺陷。

(4) 車不銹鋼襯套。通過車床加工不銹鋼襯套的外圓尺寸為φ3 5940-0.165,高度為235 mm,焊接坡口。外圓表面粗糙度Ra不大于6.3 μm,內(nèi)圓不加工。在襯套側(cè)面鉆24個φ20塞焊孔,完畢后焊接支撐,防止變形。

(5) 將不銹鋼襯套安裝入頂蓋,進(jìn)行焊接。焊接完成前,暫不拆除支撐。焊絲為E316L,焊接方式為氣體保護(hù)焊。焊接完成后,將支撐拆除,形成新固定止漏環(huán)。

(6) 半精車新止漏環(huán),單邊留裕量0.5 mm。用滲透檢測方法探傷焊縫部位,如有缺陷,則進(jìn)行處理,直至合格。

(7) 校核止漏環(huán)中心軸線與導(dǎo)葉軸孔中心加工基準(zhǔn)線所在圓中心軸線的同軸度,如同軸度偏差大于0.05 mm,則將在精車新止漏環(huán)內(nèi)圓過程中進(jìn)行校正。

(9) 應(yīng)用滲透檢測方法探傷焊縫部位,如有缺陷,則用氬弧焊修補(bǔ)[8-9]。

2018年1月5日至13日,完成了止漏環(huán)的修復(fù)工作。經(jīng)電廠、制造廠技術(shù)人員驗(yàn)收,確認(rèn)質(zhì)量滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和修復(fù)方案要求。修復(fù)完成后的上部固定止漏環(huán)如圖6所示。

圖6 修復(fù)后固定止漏環(huán)

7 回裝時注意事項(xiàng)

水輪發(fā)電機(jī)組回裝時,頂蓋上部固定止漏環(huán)、下部固定止漏環(huán)、發(fā)電機(jī)定子、彈性油箱的中心調(diào)整工作至關(guān)重要,中心偏差如果超過標(biāo)準(zhǔn)范圍,將對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。轉(zhuǎn)動止漏環(huán)與固定止漏環(huán)之間的間隙不均勻,將可能產(chǎn)生水力不平衡,引發(fā)機(jī)組振動超標(biāo)。發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙不均勻,將可能產(chǎn)生磁拉力不平衡,引發(fā)機(jī)組振動超標(biāo)。機(jī)組軸線與旋轉(zhuǎn)中心不一致,偏差超過標(biāo)準(zhǔn),將可能使彈性油箱受力和鏡板水平度偏差超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,引發(fā)機(jī)組振動超標(biāo)。

水輪發(fā)電機(jī)組在初始安裝時,通常以上部固定止漏環(huán)中心為基準(zhǔn),將下部固定止漏環(huán)、發(fā)電機(jī)定子、彈性油箱中心調(diào)整到基準(zhǔn)中心線。長甸電站1號水輪發(fā)電機(jī)組上部固定止漏環(huán)由于腐蝕,其中心基準(zhǔn)較安裝時已發(fā)生變化,因此部件回裝過程中,機(jī)組中心調(diào)整工作相當(dāng)重要[10]。

8 結(jié)束語

筆者針對長甸電站1號水輪發(fā)電機(jī)組上部固定止漏環(huán)發(fā)生的腐蝕問題,分析了止漏環(huán)腐蝕的原因,介紹了修復(fù)方案、修復(fù)過程和水輪發(fā)電機(jī)組回裝過程中的注意事項(xiàng)。2018年6月,該水輪發(fā)電機(jī)組檢修完畢,重新恢復(fù)運(yùn)行,機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定,各項(xiàng)參數(shù)正常。實(shí)踐證明,筆者所采用的頂蓋內(nèi)上部固定止漏環(huán)修復(fù)方案是可行的,相比現(xiàn)場修復(fù)節(jié)約了工期,修復(fù)精度高,并且消除了設(shè)備隱患,減少了水力損失,提高了水能利用率和機(jī)組發(fā)電效率,為處理存在類似問題的水電發(fā)電機(jī)組提供了經(jīng)驗(yàn)。