某水電站尾水進(jìn)人門缺陷研究處理

曹家起，楊德志，閆志飛，劉警安

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司官地水力發(fā)電廠，四川 成都 610051）

0 前言

該水電站位于四川省涼山州西昌市與鹽源縣交界處，與西昌市直線距離約40 km，公路里程約80 km。主要建筑物由左右岸擋水壩、中孔壩段和溢流壩段(碾壓混凝土重力壩)、消力池、右岸引水系統(tǒng)及地下廠房發(fā)電系統(tǒng)組成。右岸布置引水發(fā)電系統(tǒng)，壓力管道采用單機(jī)單管供水，右岸地下廠房裝機(jī)4臺(tái)600 MW機(jī)組，總裝機(jī)容量2 400 MW，年平均發(fā)電量為111.29億kW·h。電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)主要是發(fā)電，與上游電站作為一組電源同步運(yùn)行，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰及調(diào)頻任務(wù)。4臺(tái)機(jī)組于2013年3月全部投產(chǎn)發(fā)電，水輪機(jī)型號(hào)為HLD538-LJ-770型混流式立軸水輪機(jī)，由東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司制造。

1 尾水進(jìn)人門結(jié)構(gòu)介紹

該水電站尾水管的型式為窄高彎肘形尾水管，為便于進(jìn)入尾水管檢查和維修轉(zhuǎn)輪而不必拆卸水輪機(jī)，在錐管段上設(shè)置有1個(gè)600 mm×800 mm的進(jìn)人門，進(jìn)人門座由現(xiàn)場(chǎng)焊接在尾水錐管上，左右各設(shè)置兩道長(zhǎng)筋板、兩道短筋板以增加尾水門強(qiáng)度，門蓋由26顆M 24不銹鋼螺栓把合至門座，檢修期從左至右打開(kāi)方便人員進(jìn)出（如圖1所示）。并在錐管里襯的適當(dāng)位置設(shè)有測(cè)壓接頭，用于測(cè)量錐管壓力，壓力脈動(dòng)等。在進(jìn)人門下部?jī)蓚?cè)設(shè)有小門及凹槽，用于檢修平臺(tái)的安裝。布置情況如圖2所示。

圖1 尾水進(jìn)人門現(xiàn)場(chǎng)示意圖

圖2 尾水進(jìn)人門布置圖

2 運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

該水電站首臺(tái)機(jī)組于2012年3月31日正式發(fā)電，2013年全部投產(chǎn)，至今已良好運(yùn)行近十年，在2020年1月巡檢發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組部分尾水門筋板存在不同程度裂紋（如圖3、4、5所示），部分裂紋已延伸至尾水管本體，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了很大隱患。對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生原因、處理方法進(jìn)行分析。

圖3 左側(cè)第二塊筋板裂紋

圖4 左側(cè)第四塊筋板裂紋

圖5 左側(cè)第四塊筋板裂紋延伸圖

產(chǎn)生原因分析如下：

（1）尾水壓力脈動(dòng)較大，且進(jìn)人門周圍無(wú)混凝土包裹，因此進(jìn)人門附近振動(dòng)比較大，焊縫容易產(chǎn)生裂紋。

（2）2號(hào)機(jī)尾水門左側(cè)少焊2塊短筋板，該筋板作用是增加剛強(qiáng)度，缺失對(duì)整體受力產(chǎn)生影響。

（3）進(jìn)人門附近焊縫焊腳偏小，焊接質(zhì)量較差。

因機(jī)組暫不具備消缺條件，因此為保證機(jī)組安全運(yùn)行，將進(jìn)行以下幾個(gè)方面研究，擇出最優(yōu)工況，并每天進(jìn)行機(jī)組巡視檢查，確保裂紋無(wú)擴(kuò)大趨勢(shì)。

3 壓力脈動(dòng)對(duì)尾水管壁產(chǎn)生的影響

研究表明，轉(zhuǎn)輪出口、直錐段進(jìn)口處壓力脈動(dòng)值很大，沿尾水管流動(dòng)方向減弱，肘管處略有增強(qiáng)[1]。同時(shí)由于尾水管內(nèi)本來(lái)就會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)，尤其是在過(guò)渡過(guò)程中，更是伴隨著壓力脈動(dòng)，氣泡產(chǎn)生和潰滅，這樣就使得尾水管內(nèi)的水流呈三維的氣液兩相流狀態(tài)[2]。更加難以進(jìn)行研究。

尾水管壓力脈動(dòng)產(chǎn)生和機(jī)組運(yùn)行的工況有很大關(guān)系，經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)，明顯感覺(jué)較大振動(dòng)，在滿負(fù)荷及超負(fù)荷時(shí)振動(dòng)較小，因此本文將通過(guò)水輪機(jī)模型數(shù)據(jù)及大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析，擇出最優(yōu)運(yùn)行工況，以滿足機(jī)組健康穩(wěn)定運(yùn)行。水輪機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水輪機(jī)主要參數(shù)

4 水輪機(jī)模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

HLD538-LJ-770水輪機(jī)在出廠時(shí)已進(jìn)行詳細(xì)模型實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告部分如下（模型測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖6、表2）：

圖6 水輪機(jī)模型測(cè)點(diǎn)

表2 模型測(cè)點(diǎn)示意圖

（1）在長(zhǎng)期連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)，尾水錐管距轉(zhuǎn)輪出口0.30D2測(cè)點(diǎn)處所測(cè)得的壓力脈動(dòng)時(shí)域相對(duì)幅值最大6.5%，出現(xiàn)在最低水頭45%預(yù)想出力附近，頻譜分析表明，無(wú)明顯的激振頻率；在部分負(fù)荷運(yùn)行工況，頻譜分析表明，壓力脈動(dòng)頻率為0.25~0.4倍的轉(zhuǎn)頻，為典型低頻渦帶頻率。

（2）模型水輪機(jī)尾水錐管距轉(zhuǎn)輪出口0.30D2處壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

5 運(yùn)行過(guò)程中曲線分析

曲線分析主要截取不同出力下，導(dǎo)葉開(kāi)度及尾水管壓力脈動(dòng)變化規(guī)律（如圖7、圖8、圖9所示）。

圖7 出力變化下壓力脈動(dòng)變化值

圖8 90%額定出力下壓力脈動(dòng)變化值

圖9 額定出力下壓力脈動(dòng)變化值

曲線分析可以得知，機(jī)組調(diào)整負(fù)荷時(shí)壓力脈動(dòng)變化最大，90%額定出力下，壓力值為0.19 MPa，額定出力下，壓力值為0.20 MPa。可以得知壓力在80%~100%P下，尾水管所受壓力脈動(dòng)最小。

6 尾水門筋板裂紋處理

由以上分析可以得出，為保證機(jī)組安全運(yùn)行，做出以下措施：

（1）盡量減少2號(hào)機(jī)作為調(diào)峰、調(diào)頻機(jī)組運(yùn)作。

（2）根據(jù)水頭變化，及時(shí)調(diào)整負(fù)荷，盡量使2號(hào)機(jī)處于壓力脈動(dòng)最小的出力范圍。

（3）每天進(jìn)行巡視檢查，每周進(jìn)行一次PT探傷，如有延伸趨勢(shì)，立即匯報(bào)處理。

（4）根據(jù)工作安排在具備處理?xiàng)l件（尾水管完全排空）時(shí)完全處理缺陷。

2020年~2021年機(jī)組檢修期間，對(duì)2號(hào)機(jī)尾水門筋板裂紋進(jìn)行了完全的處理。在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)并排空尾水后，將原門蓋拆下，并對(duì)所有焊縫進(jìn)行PT探傷，在過(guò)流面尾水門區(qū)域周圍全面進(jìn)行UT探傷，以檢查是否存在隱形缺陷。安裝工藝門蓋（如圖10所示），以增加門座密封面在焊接過(guò)程中的剛性，避免因焊接導(dǎo)致門座變形，產(chǎn)生不良后果，通過(guò)工藝門蓋中間，焊接人員可自由進(jìn)出流道，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)工藝門蓋與密封面的把合間隙調(diào)節(jié)速度和方位，確保門座密封面焊接后的平整度。具體處理方法及要求如下：

圖10 工藝門蓋結(jié)構(gòu)圖

（1）對(duì)存在裂紋處的門座焊縫清理掉長(zhǎng)100 mm（對(duì)稱裂紋處），對(duì)裂紋按30°角，深25 mm刨開(kāi)（碳弧氣刨）。用錐磨頭或旋轉(zhuǎn)銼清理刨開(kāi)斜面見(jiàn)金屬光澤。PT探傷檢查斜面上及清理門座焊縫處不能存在裂紋，否則繼續(xù)清理至無(wú)裂紋為止。清理斜面見(jiàn)金屬光澤。焊補(bǔ)各清理處，要求預(yù)熱到90℃~110℃，焊接電流130 A~160 A，逐層錘擊消應(yīng)，到距離表面10 mm時(shí)暫停。過(guò)流面沿焊縫位置清理坡口，清根，按30°角深25 mm刨開(kāi)（碳弧氣刨），用錐磨頭或旋轉(zhuǎn)銼清理刨開(kāi)斜面見(jiàn)金屬光澤。PT探傷檢查底、斜面上不能存在裂紋，否則繼續(xù)清理至無(wú)裂紋為止。清理斜面見(jiàn)金屬光澤。 焊補(bǔ)清理處，要求預(yù)熱到90℃~110℃，焊接電流130 A~160 A，逐層錘擊消應(yīng)，滿焊。將過(guò)流面外側(cè)焊縫滿焊。打磨焊縫表面平滑過(guò)渡。分段、對(duì)稱清理門座角焊縫、打磨見(jiàn)金屬光澤。PT檢查是否存在裂紋，焊接門座清理處的角焊縫，每段按200 mm長(zhǎng)一次各分4段對(duì)稱進(jìn)行。注意檢查工具門蓋與門座密封平面的間隙，按間隙變化的情況調(diào)整焊接方位及焊接速度。至門座焊縫滿足設(shè)計(jì)要求為止，打磨角焊縫，PT探傷檢查合格。錐管本體裂紋處理完成后再裝焊筋板。焊接要求同上述焊接要求一致。

（2）按原圖紙要求增加左側(cè)兩塊筋板；在進(jìn)人門上、下方各增加一處筋板，以增加進(jìn)人門剛性，減少焊縫疲勞。

（3）將筋板與門座間角焊由10改為12，以增加焊量，保證焊縫強(qiáng)度。

（4）將原機(jī)組的焊縫全部進(jìn)行打磨處理，并按角焊12進(jìn)行補(bǔ)焊，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行PT探傷，以確保焊接質(zhì)量。

（5）焊接前預(yù)熱，焊接過(guò)程中必須逐層錘擊消應(yīng)，確保焊后門座密封平面的平面度要求。錐管焊接部位應(yīng)采用AWSE309L不銹鋼焊條，筋板與門座焊接部分應(yīng)采用CHE5015碳鋼焊條。

缺陷處理后，經(jīng)PT探傷無(wú)問(wèn)題，滿足運(yùn)行要求，并在后續(xù)運(yùn)行期間進(jìn)行6個(gè)月定期探傷檢查均未發(fā)現(xiàn)異常，將尾水門焊縫探傷列入機(jī)組后期檢修重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，進(jìn)行跟蹤檢查。至此，電站尾水進(jìn)人門缺陷已完全進(jìn)行處理。

7 結(jié)論

（1）水電站水輪機(jī)組在機(jī)組調(diào)整負(fù)荷時(shí)壓力脈動(dòng)變化最大，因此應(yīng)避免尾水門或尾水錐管有缺陷并暫時(shí)不具備條件處理的機(jī)組擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻機(jī)組。

（2）根據(jù)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)論及運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)分析，可以得出在不同水頭下，調(diào)整出力可有效減少尾水管壓力脈動(dòng)產(chǎn)生，在80%～100%P下，尾水管所受壓力脈動(dòng)最小。

（3）結(jié)合機(jī)組檢修工作，在具備條件的情況下，該水電站對(duì)機(jī)組尾水進(jìn)人門進(jìn)行了全面的檢查、處理，經(jīng)過(guò)1年運(yùn)行，目前均無(wú)新增裂紋，機(jī)組運(yùn)行良好。

研究水電站尾水進(jìn)人門缺陷有助于提升混流式電站面對(duì)相似問(wèn)題處理能力及方法，具有較大的參考意義。