水輪機頂蓋護板現場修復工藝的研究

曾青林

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410000）

水輪機在水電站生產運行過程中發(fā)揮著極為重要的作用，其運行穩(wěn)定性直接影響著水電站的生產平穩(wěn)程度以及質量水平，因此，需要著重落實對水電站水輪機組的運行安全性維護，一旦發(fā)現其中各個結構發(fā)生問題，必須要及時組織針對性的修復處理。

1 案例概述

某混流式水輪機包含懸吊式發(fā)電機，彈性金屬塑料瓦為推力瓦結構；巴氏合金分塊瓦為上下導軸承結構，分別設定為6塊與8塊。對于該水輪機頂的蓋頂結構而言，其中包含著的導葉軸套孔為24個，支撐著多種固定部件，包括主軸密封座、水輪機瓦座等等；導葉端面的密封結構為剛性密封，總間隙保持在0.16～0.56 mm的范圍內；導葉端面與水輪機頂蓋護板之間的間隙保持在0.15～0.35 mm的范圍內；選取厚度為15 mm的不銹鋼抗磨材料作為該水輪機頂蓋護板，與水輪機頂蓋本體之間的連接主要使用沉頭螺栓實現；正常情況下，水輪機頂蓋護板與水輪機頂蓋本體之間并不存在縫隙；水輪機頂蓋護板與頂蓋止漏環(huán)之間不存在縫隙，且兩者并非連接為整體。經過長時間的運行，發(fā)現該水輪機頂蓋護板結構存在較為嚴重的磨損腐蝕情況，導致整個水輪機組難以保持安全、穩(wěn)定、正常運行狀態(tài)，因此組織對水輪機頂蓋護板的現場修復處理。

2 水輪機頂蓋護板的磨損腐蝕情況分析

對該水輪機的頂蓋護板結構進行觀察分析，發(fā)現磨損腐蝕位置主要集中在導葉軸頸孔附近，一半以上的面積處于磨損腐蝕狀態(tài)，磨損腐蝕的深度最大值為5 mm；磨損腐蝕的表面區(qū)域呈現出較為光滑的狀態(tài)，與基于角向磨光機打磨之后的表面狀態(tài)相類似，沒有觀察到凹陷、麻眼等缺陷。在導葉軸頸孔內部，導向銅套的安裝止口受到損壞。針對這樣的磨損腐蝕現狀，主要落實了以下幾種水輪機頂蓋護板的現場修復工藝，包括現場補焊、變形處理、打磨、細化微調等等，具體操作工藝與要點詳見后文。

3 水輪機頂蓋護板現場修復的展開路徑探究

3.1 現場補焊

水輪機頂蓋護板的補焊目的為將頂蓋進行調平處理，實踐中，主要以氬弧焊接的形式選取φ1.2 mm的不銹鋼焊絲實施堆焊。在現場補焊操作過程中，需要適當提升焊接電流以及現場焊接速度，并將百分表分別加設于水輪機頂蓋內外兩側，實現對整個焊接過程工藝參數的實時性監(jiān)測。觀察并選取水輪機頂蓋護板磨損腐蝕最為嚴重的位置，以此為起點展開焊接，并逐步向外圍落實拓展。出于對焊接質量的考量，在本次水輪機頂蓋護板現場修復實踐中主要安排兩名焊接技術人員，其中一名技術人員進行補焊施工，另一名技術人員主要落實對焊接過后各個部位的焊接應力及時、全面消除，此時所選用的方法為錘擊法。

現場補焊操作完成后，對水輪機頂蓋護板的各類參數進行檢測，發(fā)現存在水輪機頂蓋護板嚴重變形的問題，所以無法在完成焊接后立即組織正常的預裝工作，此時水輪機頂蓋護板所表現出的現實情況主要如下：

第一，水輪機頂蓋護板與止漏環(huán)之間存在縫隙，且這種環(huán)縫表現出上拱狀態(tài)，上拱達到1 mm左右。

第二，水輪機頂蓋護板以及水輪機頂主體已然表現出較為明顯的變形問題，兩者之間產生肉眼可見的縫隙。對于這一縫隙而言，其靠向外側的縫隙距離維持在0.05～0.1 mm的范圍內；靠向內側的縫隙距離維持在0.1～0.25 mm的范圍內。

3.2 變形處理

結合現場觀察結果能夠了解到，該水輪機頂蓋護板存在變形問題，即水輪機頂蓋護板與水輪機頂蓋本體之間產生肉眼可見的縫隙，同時發(fā)生上拱問題?；谶@樣的情況，需要落實對水輪機頂蓋護板的變形處理，此時，重點放在對堆焊產生應力變形的消除方面，以此促使水輪機頂蓋護板與水輪機頂蓋本體之間能夠切實保持緊密連接狀態(tài)。在本次水輪機頂蓋護板的變形處理過程中，所落實的操作工藝要點內容如下所示。

第一，依托臨時點焊技術處理水輪機頂蓋護板與水輪機頂蓋本體之間的縫隙，投放磁座鉆，并完成對原本固定護板用的沉頭螺栓落實一次性的全部拆除處理，同時落實對新的沉頭螺栓的安裝加設。

第二，投放加熱片，并以此完成對水輪機頂蓋護板的預加熱預加溫處理，此時設定預加熱溫度維持在100～120 ℃的范圍內。需要注意的是，在展開預加熱預加溫處理之前，需要完成臨時保溫棚的搭設，通過石棉布的投放使用保證保溫棚各個細節(jié)位置密封嚴實，同時圍繞水輪機頂蓋護板表面落實加熱片的放置與敷設，由此實現對水輪機頂蓋護板的預加溫預加熱處理。

第三，投放壓緊專用工具，并以此為支持依次落實對水輪機頂蓋護板上拱位置的全部壓平處理。在本次水輪機頂蓋護板的現場修復過程中，投放的壓緊專用工具數量不少于10對；在切實落實水輪機頂蓋護板的壓平處理之前，需要相關人員提前組織對焊點的磨平處理，并在實際的壓緊過程中緊固處理水輪機頂蓋護板四周布設的沉頭螺栓。

第四，在完成上述幾步驟的操作之后，對加熱片進行拆除處理，進行水輪機頂蓋護板的自然冷卻；水輪機頂蓋護板溫度降低至室溫后，對水輪機頂蓋護板與水輪機頂蓋本體之間的縫隙數據、實際接觸情況進行檢查，當觀察到現實情況達到標準要求狀態(tài)后，即可組織壓緊專用工具的拆除處理操作，并在實現壓緊專用工具的全面性拆除后再次實施對相應縫隙參數等數據的復測。

第五，在復測結果依然維持在允許參數范圍內時，依托氬弧焊接工藝的實施，對沉頭螺栓結構實施封堵焊接處理。

3.3 現場打磨

完成對該水輪機頂蓋護板的變形處理操作之后，進行外觀檢測，發(fā)現存在對焊位置高度高于水輪機頂蓋本體表面高度的問題，同時，水輪機頂蓋護板與活動導葉端面之間所存在縫隙的距離維持在0.15～0.35 mm的范圍內。基于這樣的現實情況，需要組織對水輪機頂蓋護板的現場打磨處理，特別是要對水輪機頂蓋護板堆焊位置落實全面性打磨，促使水輪機頂蓋護板整體的平面度與平整程度保持在允許范圍內，從而達到更好維護水輪機運行安全性與穩(wěn)定性的效果。在展開對水輪機頂蓋護板對焊位置的現場打磨中，所落實的操作工藝要點內容如下所示：

第一，堆焊位置現場打磨方案的設計與確定。結合水輪機頂蓋護板的裝配圖紙內容能夠了解到，水輪機頂蓋護板與底環(huán)開檔4檔尺寸偏差始終維持在0.1～0.35 mm的范疇內。選取定位銷釘，并將其加設在水輪機頂蓋護板翻身調入的基坑內部，對16個連接螺栓全部實施擰緊處理，并對底環(huán)與水輪機頂蓋護板之間所存在著的開檔尺寸展開精準測量。將基準設定為底環(huán)護板平面，投放內徑千分尺，并以此為支持落實對水輪機頂蓋護板平面度的測量。結合現場測量結果了解到，水輪機頂蓋護板平面圓周開檔偏差保持在0.1～0.2 mm的范圍內，這樣的參數符合水輪機頂蓋護板設計圖紙加工工藝的相關參數要求?；诖耍诒敬嗡啓C頂蓋護板的現場打磨操作中，主要將基準設定為水輪機頂蓋護板平面圓周，并結合刀尺的投放落實對堆焊部位相對高度的檢測與控制，確保堆焊部位相對于水輪機頂蓋護板平面更低，且高度差維持在0.02～0.15 mm的范疇內。

第二，對水輪機頂蓋護板中設置的連接螺栓實施全部拆除操作，并在此基礎上將基坑內的水輪機頂蓋實施吊裝移除處理，實施翻身打磨。在此過程中，投放磨光機并以此為支持落實人工打磨，本次實踐中安排四名工作人員落實對稱打磨處理，以此實現對打磨速度的提升。實踐中，先使用磨光機展開對堆焊位置的粗打磨，并在打磨至基本滿足尺寸要求的條件下依托拋光機的投放進行拋光打磨處理。

第三，在4檔尺寸均滿足相關精度要求的條件下，投放方形油石展開對水輪機頂蓋護板表面的研磨處理；在量具平面均勻涂抹紅丹粉，輕輕在護板上滑動，實現對表面接觸面積的檢測，以此確保任意1 cm2內均存在至少兩個接觸點。

3.4 導水機構端面的間隙調整

對所有活動導葉開檔數據展開測量，并與1擋數據相比較，在滿足相關數據要求的條件下即可組織導水機構的預裝操作。依照編號設定內容，對導葉落實依次性的安裝施工，連接吊入基坑的水輪機頂蓋與座環(huán)；完成定位銷的安裝就位操作后，對所有的活動導葉進行手動轉動處理，以此實現對活動導葉動作實際靈活程度的檢測；判斷所有活動導葉的運行靈活性到預設要求后，針對16個螺栓落實擰緊處理，以此促使水輪機頂蓋護板與座環(huán)保持良好的連接狀態(tài)，并再一次展開對所有活動導葉狀態(tài)的檢查，避免導葉卡死；在所有檢查結果均達到預設標準的條件下，即可組織所有連接螺栓的安裝以及擰緊操作。同時，出于對更好保障導水機構預裝質量的考量，安裝導葉套筒后需要及時檢測端面間隙以及同軸度。

在展開端面間隙檢測過程中，要求落實導葉所有狀態(tài)下的平面端面間隙測量。在本次水輪機頂蓋護板現場修復過程中，觀察到A導葉上存在總間隙最大值，為0.65 mm；觀察到B導葉上存在上部總間隙最小值，為0.25 mm；總間隙最大值與設計間隙之間的差距維持在0.09 mm，滿足水輪機的安全運行要求。

實踐中，獲取到的端面間隙測量數據如下所示：在導葉全閉狀態(tài)下，A導葉上部大頭間隙為0.5 mm、上部小頭間隙為0.65 mm、下部大頭間隙為0、下部下頭間隙為0，B導葉上部大頭間隙為0.25 mm、上部小頭間隙為0.35 mm、下部大頭間隙為0、下部下頭間隙為0；在導葉50%開度狀態(tài)下，A導葉上部大頭間隙為0.5 mm、上部小頭間隙為0.65 mm、下部大頭間隙為0、下部下頭間隙為0，B導葉上部大頭間隙為0.25 mm、上部小頭間隙為0.4 mm、下部大頭間隙為0、下部下頭間隙為0；在導葉100%開度狀態(tài)下，A導葉上部大頭間隙為0.3 mm、上部小頭間隙為0.35 mm、下部大頭間隙為0.2 mm、下部下頭間隙為0.2 mm，B導葉上部大頭間隙為0.22 mm、上部小頭間隙為0.25 mm、下部大頭間隙為0.18 mm、下部下頭間隙為0.15 mm。

3.5 其他

在本次水輪機頂蓋護板現場修復期間，在堆焊處理后產生較為嚴重的變形問題，促使后續(xù)打磨操作的難度大幅提升。針對這一問題現象展開深入性分析，發(fā)現產生嚴重變形問題的原因如下所示：本水輪機頂蓋護板的材質為不銹鋼，厚度維持在15 mm左右；在實際的焊接操作中，雖然使用了氬弧焊接模式，且配套落實對焊接應力的消除，但是焊接期間所生成的熱量依然會引發(fā)焊接變形問題。基于此，必須要強化焊接過程中的變形防控措施落實力度。實踐中，可以引入的焊接變形防控措施主要如下：

第一，在實際焊接操作展開前組織預熱處理，并在每完成一層焊接后均依托風鎬的投放實現對焊接應力的消除；完成焊接后，需要落實一段時間的保溫處理，并在自然冷卻操作的支持下，驅動殘余焊接應力得到徹底性的釋放。

第二，依托分區(qū)對稱的模式組織對焊施工，在單次對焊期間需要盡可能保證少焊，從而保證焊接溫度分布的均勻性；在焊接期間，要求依托百分表持續(xù)展開對焊接情況、各項參數變化情況的實時性觀測。

第三，保證從中間位置開啟堆焊施工，并逐步向兩側擴展；在滿足焊接方位要求的基礎上，盡可能選取堆焊厚度最大位置開啟焊接施工。第四，在焊接期間配套投放壓緊專用工具，從而體現出對焊接過程中水輪機頂蓋護板變形問題的更好避免。

4 總結

綜上所述，經過長時間的運行，水輪機頂蓋護板極容易產生較為嚴重的磨損腐蝕問題，從而促使整個水輪機組難以長時間維持在安全、穩(wěn)定、正常運行的狀態(tài)下?；诖?，需要切實參考水輪機頂蓋護板的實際磨損腐蝕情況，完成焊接、變形處理、堆焊面打磨等操作，以此實現對水輪機頂蓋護板的現場修復處理，促使水輪機頂蓋護板恢復良好狀態(tài)。