水布埡電站水輪機頂蓋滲漏問題研究與處理

李 權，謝 斐，吳盼盼

(湖北清江水電開發(fā)有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

水輪機頂蓋[1]的作用是與底環(huán)一起構成過流通道，防止水流上溢；支撐導葉、傳動機構以及有的機組的操縱機構；支撐水導軸承以及其它附屬裝置。

1 電站概況

清江水布埡電站裝有4臺單機為460 MW混流式水輪發(fā)電機組，額定水頭183.5 m，設計流量278 m3/s，保證出力312 MW，水輪機型號為：HLS45-LJ-597，由上海福伊特西門子水電設備有限公司設計制造。

2 運行狀況

水布埡電站頂蓋滲漏主要是頂蓋滲油和滲水兩方面問題。

水布埡電站水導油箱由擋油桶、油槽底板和頂蓋等附件組成。機組運行多年后，由頂蓋組成的水導油箱部分在頂蓋組合縫處開始滲油，并且滲油情況有變嚴重的趨勢。頂蓋滲油的問題導致水導軸承透平油浪費情況時刻存在，并且也是水導軸承運行的安全隱患。

水布埡電站頂蓋止漏環(huán)是通過螺栓固定在頂蓋上的，在機組擴修過程中，發(fā)現(xiàn)在軸向方向止漏環(huán)與頂蓋之間一側(cè)間隙很大，間隙大的側(cè)面密封因沒有壓縮量處于失效狀態(tài)，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪室的壓力水從密封失效處進入到止漏環(huán)與頂蓋空腔，然后從止漏環(huán)的緊固螺栓螺紋處滲漏到頂蓋外，并且機組擴修中發(fā)現(xiàn)有6顆止漏環(huán)緊固螺栓發(fā)生斷裂，存在壓力水通過螺孔噴出導致水淹水導的安全隱患，目前僅通過更換密封不能解決這個安全隱患。

3 滲漏分析

3.1 關于頂蓋滲油問題的分析

水布埡電站水導軸承油箱內(nèi)油量自2015年開始出現(xiàn)不正常減少的情況。無論是查看的油位計油位還是對比實測油位，均表明水導油箱出現(xiàn)了滲油現(xiàn)象。逐一核查排除了水導油箱底板和水導擋油桶滲油，鎖定了水導油箱滲油的部位為水導油箱頂蓋組成部位，具體滲油部位件圖1中左上部標紅線處。頂蓋滲油的根本的原因是由于頂蓋分瓣組合縫處密封老化失效，頂蓋組合縫內(nèi)形成了油路通道，水導油箱內(nèi)透平油通過密封失效的頂蓋組合縫滲油到油箱外部。

圖1 頂蓋滲油處圖

3.2 關于頂蓋滲水問題的分析

水布埡電站機組在擴修過程中拆卸起吊頂蓋時發(fā)現(xiàn)止漏環(huán)與頂蓋間的夾腔內(nèi)有大量積水漏出，見圖2。止漏環(huán)與頂蓋間夾腔內(nèi)是機組設計中本不應該有水滲入的，并且在止漏環(huán)緊固螺栓處也發(fā)現(xiàn)有少量水滲出。另擴修中檢查發(fā)現(xiàn)頂蓋和止漏環(huán)軸向配合面間隙不均勻，配合面存在打磨的痕跡。在+Y偏-X間隙偏大約為0.70 mm，在對稱側(cè)約為0.20 mm，(5135H8/f7設計配合單邊間隙為0.10～0.6 mm 考慮到密封壓縮，單邊間隙控制在0.40 mm能夠較好的封水)。+Y偏-X間隙偏大約為0.70 mm存在密封壓縮量過小存在漏水的情況。實際情況亦是如此。由此可以確認頂蓋漏水部位就是頂蓋與止漏環(huán)配合間隙處。

圖2 頂蓋積水夾腔圖

同時還發(fā)現(xiàn)止漏環(huán)緊固螺栓有6顆斷裂(共132顆M24 A2-70不銹鋼螺栓)，斷裂方位在+Y偏+X。止漏環(huán)進行清掃PT探傷發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)立筋板與上環(huán)板聯(lián)接焊縫有14條開裂，見圖3。

圖3 止漏環(huán)筋板裂紋

依據(jù)安裝時候的情況說明，3號機組頂蓋止漏環(huán)按廠家設計規(guī)范要求與頂蓋把合后，實際測量時發(fā)現(xiàn)其圓度同樣不能達到規(guī)范要求，以及在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)止漏環(huán)外沿有打磨的痕跡，止漏環(huán)的外圓存在不圓的情況。由此可知，頂蓋與止漏環(huán)的間隙超標，引起兩者間密封失效是導致頂蓋滲水的主要原因。

由于漏水方位與立筋裂紋及螺栓斷裂方位基本一致，因此可認為由于止漏環(huán)與頂蓋軸向的密封漏水導致存在壓力脈動引起止漏環(huán)振動加劇。由此也反應了止漏環(huán)緊固螺栓斷裂和止漏環(huán)立筋裂紋是頂蓋與止漏環(huán)滲水產(chǎn)生一系列不良影響。

4 滲漏處理

4.1 關于頂蓋滲油問題的處理

考慮到水布埡電站頂蓋組合面的密封條更換難度大，并且密封條在此復雜環(huán)境中使用壽命的年限不確定性，同時更重要的是頂蓋以后已經(jīng)沒有了分瓣檢修的必要，所以采取對頂蓋分瓣面進行封焊處理[2]，使頂蓋形成整體以消除滲油可能性。

對頂蓋分瓣面封焊處理方法和技術[3]要求如下：

1)在頂蓋分瓣處打出 4×45°左右的坡口，即在的兩個分瓣面過水過油的配合處打磨坡口。打坡口范圍見圖1中標紅線部分。

2)對密封槽端部進行塞焊并修磨，塞焊范圍見圖4中標紅線部分。所有有配合要求的封焊面必須拋光打磨，并要求拋光后封焊面滿足裝配密封要求。

圖4 頂蓋密封槽端部塞焊部位圖

3)對分瓣面進行封焊，使用氬弧焊打底以便保證封焊質(zhì)量。分瓣面封焊和修磨完成后，使用DPT5檢測劑檢測焊接質(zhì)量，封焊面不得有氣孔和裂紋。

4.2 關于頂蓋滲水問題的處理

鑒于止漏環(huán)與頂蓋配合面的圓度超標情況，無法進行止漏環(huán)修復，同時頂蓋以后都沒有分瓣的必要，所以可以考慮將止漏環(huán)與頂蓋組焊成一個整體的[4]。止漏環(huán)封焊可以解決漏水的問題，同時可以解決漏水引起的壓力脈動和水力振動[5]，讓止漏環(huán)與頂蓋焊接和螺栓聯(lián)合受力是有向好趨勢的改善。因焊接只是封焊，熔深比較少。如后續(xù)擴修發(fā)現(xiàn)封焊開裂或者定期對固定螺栓檢查發(fā)現(xiàn)斷裂數(shù)量多可以刨開焊縫檢查止漏環(huán)。在工藝合理，控制好變形的前提下，將頂蓋和止漏環(huán)封焊成一體的方法是合理、可行的。

對頂蓋與止漏環(huán)封焊處理方法和技術[3,6]要求如下：

1)由于止漏環(huán)的設計，其主體采用環(huán)板與錐桶焊接結構，截面呈三角結構，且背部有頂蓋支撐，整體結構剛性和受力情況較好。但由于材料使用的是1Cr18Ni9Ti奧氏體抗晶間腐蝕不銹鋼，焊后較難通過效應力熱處理消除焊接殘余應力，因此封焊處理過程中，不斷有應力釋放，所以焊接關鍵在于控制變形，采用對稱分段跳焊并架表監(jiān)測是必要的，也是要嚴格控制的。

2)對頂蓋和止漏環(huán)配合的上下兩個面進行封焊，使用氬弧焊打底以便保證封焊質(zhì)量，封焊范圍為圖5中位置1和位置2。止漏環(huán)內(nèi)圓處無需開坡口，整圈角焊，焊高4 mm左右。止漏環(huán)外圓處在頂蓋上開坡口4 mm×45°。焊接使用手工電弧焊或氬弧焊工藝。

圖5 頂蓋與止漏環(huán)封焊部位圖

焊材選用E309L-16 3.2 mm不銹鋼焊條或ER309L 2 mm不銹鋼焊條。封焊完成后進行修磨處理，再使用DPT5檢測劑檢測焊接質(zhì)量，封焊面不得有氣孔和裂紋。

3)封焊完成后，利用頂絲孔制作專用工裝做密閉性試驗，要求封焊部位不能發(fā)生滲漏情況。

5 結 語

本文為水布埡電站頂蓋滲漏問題找到了解決方案。解決了水布埡電站頂蓋從2015年開始出現(xiàn)滲水和滲油的問題，消除了機組存在的安全隱患和對環(huán)境的污染，且在機組擴修實施后頂蓋成功通過了機組試運行的各項試驗檢測。該方案在成功解決水布埡電站水輪機頂蓋滲漏問題的同時，也為其他電站的水輪機針對類似問題的檢修提供了借鑒。