談潘家口水電廠1號機(jī)轉(zhuǎn)輪引水板改造

李建民，胡松林

（水利部海委引灤工程管理局，河北 唐山 064309）

1 改造前的概況

潘家口水電廠1號機(jī)于1981年4月首次投入運(yùn)行以來，分別在1987年6月和1989年10月兩次發(fā)生引水板開裂事故，導(dǎo)致停機(jī)搶修。1991年1號機(jī)擴(kuò)大性大修時對轉(zhuǎn)輪引水板進(jìn)行了加固處理，在引水板和轉(zhuǎn)輪上冠間對稱焊接了八個外徑為Φ289 mm的鋼管，補(bǔ)焊了兩塊尺寸分別為1 250×80 mm、1 100×80 mm，厚20 mm的16 Mn鋼板，并對引水板裂紋進(jìn)行了補(bǔ)焊處理。2000年12月1號機(jī)小修檢查過程中，檢查轉(zhuǎn)輪引水板發(fā)現(xiàn)在頂蓋+X、-Y方向原調(diào)相補(bǔ)氣管口處有一條長170 mm的裂縫，并對出現(xiàn)開裂地方進(jìn)行了維修。

2 引水板損壞原因分析

2.1 引水板結(jié)構(gòu)不合理

潘家口水電廠1號機(jī)為混流式機(jī)組，水輪機(jī)型號為HL-LJ-550，引水板是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的重要組件之一，也叫減壓板，位于轉(zhuǎn)輪上冠，主要作用是將上迷宮的漏水經(jīng)引水板導(dǎo)流至轉(zhuǎn)輪泄水孔排出，能夠減輕轉(zhuǎn)輪的軸向水推力。引水板外徑為Φ5 020 mm、內(nèi)徑Φ2 130 mm、面積16.22 m2，由于引水板安裝后對其上表面進(jìn)行了加工，導(dǎo)致厚度不均勻，在22～36 mm之間。機(jī)組運(yùn)行時引水板會產(chǎn)生振動，而強(qiáng)度不夠的引水板由于金屬疲勞極易開裂[1]。

2.2 機(jī)組運(yùn)行工況不良

1號機(jī)運(yùn)行水頭變化大，最高曾在85 m水頭下運(yùn)行，最低曾在36 m水頭下運(yùn)行，再加上運(yùn)行時間長，造成機(jī)組運(yùn)行工況不良。機(jī)組在不良工況和低負(fù)荷運(yùn)行時，轉(zhuǎn)輪出口的水流是不對稱的，會形成偏心的旋轉(zhuǎn)渦帶。該渦帶以一定頻率在尾水管中作螺旋狀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而在尾水管內(nèi)形成了周期性的壓力脈動。該壓力脈動同樣會造成引水板的疲勞損壞，引水板在機(jī)組振動和壓力脈動的雙重作用下，加速了引水板的開裂，而引水板開裂會造成機(jī)組更大的振動和擺度，造成惡性循環(huán)。

3 調(diào)研情況

為了確保1號機(jī)安全運(yùn)行，徹底消除這一影響機(jī)組安全運(yùn)行的隱患，結(jié)合2008年的機(jī)組擴(kuò)修情況，擬對轉(zhuǎn)輪引水板進(jìn)行徹底更新改造。通過調(diào)研和實(shí)地考察，借鑒兄弟單位處理引水板開裂的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，用砼填充的方法可以成功地解決這一難題。

具體調(diào)研情況如下：

青海龍羊峽水電廠：3、4號機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生引水板開裂。為了不影響發(fā)電轉(zhuǎn)輪沒有吊出機(jī)坑，將原引水板全部割除現(xiàn)場澆鑄鋼筋混凝土，改造后轉(zhuǎn)輪沒有作靜平衡試驗(yàn)，現(xiàn)在使用情況良好。

陜西安康水電廠：1999年3號機(jī)組、2000年4號機(jī)組將原引水板全部割除，機(jī)組未吊出機(jī)坑，現(xiàn)場在轉(zhuǎn)輪上冠內(nèi)澆鑄鋼筋混凝土。引水板改造后轉(zhuǎn)輪均未做靜平衡試驗(yàn)，現(xiàn)在使用情況良好。

四川東方電機(jī)廠：走訪東方電機(jī)廠了解到，從龍羊峽水電廠、安康水電廠改造情況看，轉(zhuǎn)輪上冠內(nèi)澆筑混凝土的方案是可行的，改造后轉(zhuǎn)輪需要注意平衡問題，一般要求作靜平衡試驗(yàn)。

4 改造

為了解決轉(zhuǎn)輪引水板開裂的隱患，且不影響1號機(jī)正常放水發(fā)電，選擇在1號機(jī)擴(kuò)大性大修期間施工。

4.1 混凝土材料與標(biāo)號的選擇

采用補(bǔ)償收縮砼可降低混凝土材料的剪切應(yīng)力，將水泥用量控制在不低于300 kg/m3，膨脹劑采用的QK-UEA低堿膨脹劑，使用數(shù)量在5 %左右?；炷僚浔惹闆r如表1所示。

表1 混凝土配比情況

考慮到轉(zhuǎn)輪法蘭面距頂面只有40 mm，故用40 mm厚鋼板焊接。

4.2 鋼筋的選擇與布置

選擇唐鋼產(chǎn)品，保證產(chǎn)品性能。鋼筋錨固長度為70 mm且與轉(zhuǎn)輪焊接。徑向布置Φ10 mm鋼筋，平面間距靠大軸處大約150 mm；軸向間距150 mm（完整鋼筋網(wǎng)分兩層），不完整鋼筋網(wǎng)分2層。軸向布置Φ10 mm鋼筋，間距靠大軸處150 mm，鋼筋在轉(zhuǎn)輪上焊接錨固70 mm，混凝土頂面下50 mm做90度彎勾，彎勾長70 mm。鋼筋平面布置情況如圖1所示。

圖1 鋼筋平面布置圖

4.3 施工步驟及要求

采用氣割方法將水電廠1號機(jī)轉(zhuǎn)輪加強(qiáng)板、引水板切割，僅留下8個加強(qiáng)管、10個排水管，要確保原鋼管頂面完整，將用于澆筑混凝土的高程控制點(diǎn)。沒有引水板的轉(zhuǎn)輪受力效果不佳，引水板氣割口可用焊條將其焊平，同時要將轉(zhuǎn)輪機(jī)內(nèi)被腐蝕的地方進(jìn)行清理[2]。

為了使水電廠1號機(jī)轉(zhuǎn)輪能夠處于一個平衡狀態(tài)，在配重塊的對稱位置留出配重空腔，以減小混凝土對1號機(jī)轉(zhuǎn)輪平衡的影響。

5 改造后的效果

潘家口水電廠1號機(jī)轉(zhuǎn)輪引水板改造以后，經(jīng)過甩負(fù)荷運(yùn)行、72 h試運(yùn)行試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，各部位振動、擺度均處于正常范圍內(nèi)，改造前后振動、擺度詳情況如表2所示。

通過數(shù)據(jù)分析比較可知，此次轉(zhuǎn)輪引水板改造后下機(jī)架垂直振動、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度都比改造前小，說明機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)性更好，并且機(jī)組自2009年3月投入正式投入運(yùn)行至今，沒有出現(xiàn)澆筑的混凝土掉渣、脫落等情況，證明改造獲得成功。

表2 1號機(jī)轉(zhuǎn)輪引水板改造前后穩(wěn)定性數(shù)據(jù)比較

6 結(jié)語

水力機(jī)組的運(yùn)行與機(jī)組各部分的振動和擺度具有相關(guān)性，要想保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要盡量減弱由于機(jī)組振動和水壓脈動帶來的不良影響。這次引水板改造不管是從水泥、鋼筋等材料的選擇以及混凝土標(biāo)號的確定，還是轉(zhuǎn)輪混凝土澆筑的工藝、質(zhì)量都盡量做到精益求精。經(jīng)過10年的運(yùn)行，證明這次改造是相當(dāng)成功的，有效避免了1號機(jī)轉(zhuǎn)輪引水板開裂而造成事故停機(jī)的隱患。