某大型混流式水輪機頂蓋止漏環(huán)缺陷處理典型案例分析

劉 波，黃世超，梁 恒，何澤勝，蔡 鵬

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610051)

0 引言

某水電站位于四川省涼山州西昌市與鹽源縣交界的雅礱江上，是錦屏一、二級電站和二灘電站的中間梯級電站。工程的主要任務(wù)是發(fā)電。水庫正常蓄水位為1 330 m，壩前水位變化幅值為9 m，總庫容7.6億m3，屬于日調(diào)節(jié)水庫。電站裝設(shè)4臺600 MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機2 400 MW，設(shè)計多年平均發(fā)電量約118.7億kW·h。水輪機型號為HLD538-LJ-770，水輪機的額定水頭115 m、最大水頭128 m、最小水頭108.2 m，額定轉(zhuǎn)速為100 r/min、飛逸轉(zhuǎn)速190 r/min，比轉(zhuǎn)速207.56 m·kW，額定流量為586.07m3/s、額定出力為611 MW、額定效率為92.67%，補氣方式為大軸中心自然補氣。水輪機轉(zhuǎn)輪進口直徑7 700 mm、葉片數(shù)為15片，葉片進水邊厚度為250 mm、出水邊厚度7～19 mm，采用ASTMA743 CA-6NM不銹鋼材料制造，轉(zhuǎn)輪總重252 t(見圖1)。

圖1 水輪機結(jié)構(gòu)示意圖

1 概述

止漏環(huán)為設(shè)置在混流式水輪機轉(zhuǎn)輪與頂蓋及底環(huán)間用于減小漏水并可更換的密封結(jié)構(gòu)，其作用主要是減小水輪機容積損失，保護轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)免遭磨損。止漏環(huán)在機組運行狀態(tài)下分為轉(zhuǎn)動止漏環(huán)和固定止漏環(huán)。轉(zhuǎn)動止漏環(huán)包括上止漏環(huán)和下止漏環(huán)，固定止漏環(huán)包括底環(huán)止漏環(huán)和頂蓋止漏環(huán)。止漏環(huán)的安裝主要有兩種方式：一種是止漏環(huán)靠機械力頂壓與本體貼合然后焊接在一起，該結(jié)構(gòu)方式焊接量相對較大，焊接變形易導(dǎo)致本體加工尺寸的變化，止漏環(huán)焊后需進行加工；另一種是先將止漏環(huán)焊接成整體，在保證一定過盈量的情況下進行熱套或冷套(轉(zhuǎn)動止漏環(huán)采用熱套、固定止漏環(huán)采用冷套)，并且固定止漏環(huán)在冷套后可不進行加工。

該水電站頂蓋止漏環(huán)和底環(huán)止漏環(huán)，采用結(jié)構(gòu)焊接的固定方式。材質(zhì)為0Cr18Ni9不銹鋼，厚度為40 mm，與轉(zhuǎn)輪上的轉(zhuǎn)動止漏環(huán)相匹配。上止漏環(huán)間隙設(shè)計值為3.2～3.75 mm，機組安裝后的實際值為3.0 mm；下止漏環(huán)間隙設(shè)計值為4.05～4.55 mm，機組安裝后的實際值為3.7 mm。

該水電站#3機組檢修時，通過對頂蓋止漏環(huán)焊縫進行探傷檢查，發(fā)現(xiàn)頂蓋止漏環(huán)焊縫表面共存在125處斷續(xù)線性缺陷和點狀缺陷(見圖2)，其中最長的缺陷長30 mm左右，在#3和#4活動導(dǎo)葉之間，缺陷分布情況(見圖3)。

圖2 止漏環(huán)缺陷情況

圖3 止漏環(huán)焊縫缺陷分布圖

2 現(xiàn)場檢查分析

2.1 檢查測量

為檢查頂蓋止漏環(huán)缺陷發(fā)展的嚴(yán)重程度、對機組安全運行的影響，以及為處理該缺陷提供相關(guān)依據(jù)，對頂蓋與止漏環(huán)裝配間隙、止漏環(huán)與頂蓋焊縫深度、止漏環(huán)厚度及焊縫缺陷形態(tài)四個方面進行檢查。

在頂蓋與止漏環(huán)焊縫中選取5段進行抽檢，每段長20 mm左右，寬15～25 mm左右，抽查的位置為：焊縫內(nèi)外側(cè)均有缺陷的部位1處，焊縫內(nèi)側(cè)有缺陷的部位1處，焊縫外側(cè)有缺陷的部位1處，焊縫無缺陷的部位1處，焊縫磨開后有缺陷的一瓣止漏環(huán)中部選取1處。

按上述原則選定位置并做好標(biāo)記，使用旋轉(zhuǎn)銼對抽檢部位進行打磨刨除，打磨深度直至暴露出頂蓋與止漏環(huán)裝配間隙為止。打磨刨除時控制速度，避免速度過快導(dǎo)致發(fā)熱變形，影響止漏環(huán)間隙。各選定位置打磨刨除完成后，測量止漏環(huán)實際厚度a，頂蓋與止漏環(huán)裝配間隙b，并用深度尺測量刨除位置的深度c(該深度即為止漏環(huán)與頂蓋焊縫的深度)，見圖4。止漏環(huán)焊縫打磨刨除后數(shù)據(jù)(見表1)。

圖4 止漏環(huán)與頂蓋焊縫處打磨刨除情況

表1 止漏環(huán)焊縫打磨刨除后測量檢查表 單位：mm

2.2 缺陷分析

通過對指定位置止漏環(huán)焊縫各部位進行測量，可以看出止漏環(huán)的厚度在35～48 mm之間，止漏環(huán)與頂蓋的裝配間隙在0.5～1.5 mm之間，焊縫深度在13～18 mm之間，以及焊縫存在層間斷續(xù)未熔合、氣孔、夾雜等情況(見圖5、圖6)。

圖5 止漏環(huán)焊縫缺陷情況

圖6 止漏環(huán)焊縫缺陷情況

經(jīng)過對止漏環(huán)焊縫缺陷機械清理后的檢查發(fā)現(xiàn)，焊縫缺陷均為不連續(xù)的淺表性缺陷，缺陷深度在1～5 mm左右，屬于焊縫層間未熔合，為焊接過程中焊接速度與焊接擺動匹配不佳所致，排除了焊接裂紋的可能性。

3 缺陷處理

為保證水輪機的安全穩(wěn)定運行，對頂蓋止漏環(huán)焊縫PT探傷出的所有顯示缺陷進行處理，主要處理為：缺陷清理、補焊處理、焊縫打磨、檢查、數(shù)據(jù)測量等工藝。

3.1 缺陷清理

(1) 使用旋轉(zhuǎn)銼對所有缺陷進行清理。

(2) 對打磨后的區(qū)域按ASME標(biāo)準(zhǔn)進行PT檢查，直至無缺陷。

3.2 補焊處理

(1) 將待焊區(qū)域及附近50 mm的油污、水分等異物清理干凈。

(2) 使用手工電弧焊進行焊接。采用φ3.2 mm的AWSE309L焊條，并對焊條進行烘焙，用焊條保溫桶進行儲存。

(3) 焊接前用火焰加熱的方式對待焊區(qū)域及附近75 mm范圍內(nèi)進行預(yù)熱，溫度≥25 ℃。焊接參數(shù)(見表2)。焊接過程中控制焊接速度，采用斷焊的方式進行，不在同一處位置一直施焊，將焊縫道間溫度控制在200 ℃以內(nèi)。

表2 焊接參數(shù)表

3.3 焊縫打磨

對焊接后的區(qū)域進行打磨，打磨時控制打磨力道和區(qū)域，避免傷及母材、局部有凹陷和超出打磨區(qū)域，打磨后表面無凹凸不平現(xiàn)象、毛刺或者凹孔、沙眼現(xiàn)象。

3.4 檢查

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)對補焊區(qū)域進行PT探傷檢查，并對打磨區(qū)域使用刀口尺進行檢查，允許最大下凹量為0.1 mm，如超出范圍則重新按上述步驟進行處理。

4 結(jié)論

由于止漏環(huán)位于水輪發(fā)電機組的底部，并位于轉(zhuǎn)動部件和固定部件位置處，且最大間隙一般為4 mm左右，一旦發(fā)生止漏環(huán)損壞事件，只有對機組進行大修將轉(zhuǎn)輪吊出基坑才能進行檢修，耗時耗力，給電站帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此即使止漏環(huán)發(fā)生細(xì)小的缺陷也應(yīng)及時進行處理，并在機組后續(xù)運行過程中做好機組狀態(tài)監(jiān)測工作，防止重大設(shè)備損壞事件的發(fā)生。