大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)尾水管湊合節(jié)與轉(zhuǎn)輪室連接處

1、大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)尾水管裂紋處理吳良有 1 馮順緒 2 （廣西平班水電開發(fā)有限公司，廣西 南寧） 摘要：介紹了平班水電站尾水管湊合節(jié)與轉(zhuǎn)輪室連接處存在裂紋的現(xiàn)象，并對(duì)裂 紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。采用補(bǔ)焊、化學(xué)灌漿等處理對(duì)策與措施，解決了尾水管湊合 節(jié)與轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)裂紋的問題。關(guān)鍵詞：軸流轉(zhuǎn)槳 尾水管 裂紋 原因 修復(fù)措施1 項(xiàng)目概況平班水電站位于廣西壯族自治區(qū)與貴州省界河一南盤江上， 是紅水河綜合利用 規(guī)劃的第三個(gè)梯級(jí)電站。電站總裝機(jī)容量為 405MW，安裝3臺(tái)135MV軸流轉(zhuǎn)槳式水輪 發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)部分由天津阿爾斯通制造，型號(hào)為：SF135-56/10860 ;水輪機(jī)部分由上海福伊特西門子水

2、電設(shè)備有限公司制造。型號(hào)為：ZZS-LH-722;整機(jī)的安裝由武警水電部隊(duì)二總隊(duì)承攬，首臺(tái)機(jī)組于 2004年 12月正式投運(yùn)， 2號(hào)機(jī)組于 2005年4 月投運(yùn)。2 故障簡(jiǎn)介2007 年 3 月，在 2 號(hào)機(jī)組檢修中， 發(fā)現(xiàn)尾水管湊合節(jié)與轉(zhuǎn)輪室連接部位存在裂縫，其中+ 丫和丫方向裂紋很大，整個(gè)裂縫約10m長(zhǎng)，+ X和X方向無裂紋；在 丫方向連接部位裂縫處，轉(zhuǎn)輪室壁及湊合節(jié)上都有超過200mm勺裂縫，缺陷發(fā)生后對(duì)裂縫進(jìn)行焊接處理，焊接合格后采用水泥灌漿方式對(duì)湊合節(jié)、轉(zhuǎn)輪室及尾水管錐等處 脫空部位進(jìn)行處理。2008 年 4 月 2 號(hào)機(jī)組汛前檢修， 再次發(fā)現(xiàn)： 轉(zhuǎn)輪室與湊合節(jié)連接焊縫有多處穿透性裂

3、紋，總長(zhǎng)度約7.1m，其中一丫方向最為嚴(yán)重，具體分布及尺寸見下圖1;另外， 在轉(zhuǎn)輪室的第四象限組合焊縫處有一條長(zhǎng)1000mm的裂紋；轉(zhuǎn)輪室與尾水管連接的湊合節(jié)發(fā)生脫空，其中湊合節(jié)部分基本完全脫空，總面積約11.2m2（湊合節(jié)直徑7079mm 寬度 500mm，） 轉(zhuǎn)輪室與湊合節(jié)連接焊縫處裂紋脫空深度約 5-30mm。平班 1 號(hào)、3 號(hào)機(jī)組也存在類似的缺陷，只是程度較 2 號(hào)機(jī)組為輕。1060/i +X3500.2600+Y:mm圖2尾水管裂紋照片3處理方法及工藝3.1處理方案制定2008年4月，業(yè)主組織制造廠家、檢修公司及電力試驗(yàn)院三方技術(shù)人員召開專 題會(huì)，討論裂紋處理方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障情況

4、，大家一致同意采取先補(bǔ)焊修復(fù)，補(bǔ)焊 修復(fù)的施工工藝由生產(chǎn)廠家提供，焊接合格后采用化學(xué)灌漿方式對(duì)湊合節(jié)、轉(zhuǎn)輪室及 尾水管錐斷脫空部位進(jìn)行處理。處理前詳細(xì)記錄裂紋的部位、長(zhǎng)度及裂紋性質(zhì)，要求有詳細(xì)的數(shù)據(jù)及清晰的照 片，便于存檔及技術(shù)分析。3. 2裂紋補(bǔ)焊修復(fù)的工藝3. 2. 1缺陷的清除首先用碳弧氣刨刨掉缺陷處金屬。碳弧氣刨刨掉深為t1 ；仁t-4（t為缺陷深度），當(dāng)深度約為t1時(shí)，采用砂輪對(duì)其進(jìn)行打磨。打磨完成后采用 PT僉測(cè)破口表面。 當(dāng)裂紋深度小于母材厚度時(shí)，根部應(yīng)圓滑過渡。坡口形式如圖2:45a3. 2. 2轉(zhuǎn)輪室裂紋修復(fù)工藝(1) 采用火焰加熱的方法進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)100mm

5、預(yù)熱溫度至少為80C 100°C。(2) 轉(zhuǎn)輪室母材為0Cr13Ni4Mo,焊接工藝規(guī)程為：SMAW-6.6-102/0,焊接材料為：E309L-16,焊接過程中層間溫度不能超過180C。(3) 為降低焊縫焊接應(yīng)力，采用分段焊焊接方法。先修復(fù)1區(qū)域，修復(fù)完成后再修復(fù)2區(qū)域。焊接順序如圖4所示：3. 2. 3尾水管裂紋修復(fù)工藝(1) 采用火焰加熱的方法進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)100mm預(yù)熱溫度至少為40C。(2) 尾水管母材為Q235,焊接工藝規(guī)程為：SMAW-1.1-101/0,焊接材料為：J507 , 焊接過程中層間溫度不能超過220 °C(3) 騎馬塊與尾水管用J5

6、07焊條進(jìn)行點(diǎn)焊(4) 為降低焊縫焊接應(yīng)力，采用分段焊接方法。先修復(fù)1區(qū)域，修復(fù)完成后再修復(fù)2 區(qū)域。焊接順序如圖3所示3. 2. 4轉(zhuǎn)輪室與尾水管(1) 采用火焰加熱的方法進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)100mm預(yù)熱溫度至少為40C(2) 轉(zhuǎn)輪室母材為0Cr13Ni4Mo尾水管母材為Q235.焊接工藝規(guī)程為：SMAW-1.6-101/0,焊接材料為E309L-16,焊接層間溫度不能超過180C(3) 騎馬塊與轉(zhuǎn)輪室焊接端頭用E309L-16焊條堆焊約23m后，與轉(zhuǎn)輪室及尾水管 點(diǎn)焊(4) 為降低焊縫焊接應(yīng)力，采用分段焊接方法。按順序依次順序完成焊縫的修補(bǔ)。焊接順序如圖5所示：3. 2. 5打磨

7、用砂輪打磨焊縫使修補(bǔ)焊縫與母材光滑過渡，粗糙度為Ra3.23. 2. 6ND檢驗(yàn)對(duì)修補(bǔ)焊縫進(jìn)行超聲波和著色檢驗(yàn)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按 ASMIffl-13. 3化學(xué)灌漿的工藝3. 3. 1灌漿材料的選擇通過對(duì)多種灌漿材料進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合平班項(xiàng)目實(shí)際情況，采用YDS環(huán)氧化灌材料進(jìn)行灌漿、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)材料。YDS環(huán)氧化灌材料是一種粘度低、可灌性好的新型灌漿材料，有A料和B料兩種，A科和B料按1: 1比例混和，3m間距打孔，呈梅花形布置， 孔深5cm,其固化后抗壓強(qiáng)度高，具有結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和防水雙重功能。還能滲透到原有砼縫 隙的深部，它的這種雙重功能，適應(yīng)于脫空隱患部位的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)處理，其性 能指標(biāo)見表10表1 : Y

8、DS環(huán)氧混和料(A料：B料=1:1 )主要性能指標(biāo)比重g/cm 3. 2灌漿施工流程介紹(1) 確定脫空隱患部位范圍；(2) 沿脫空隱患部位在鋼板上按孔徑10mm具體布置見施工圖6;粘度CP膠凝時(shí)間min收縮率%抗壓強(qiáng)度Mpa抗拉強(qiáng)度Mpa粘結(jié)強(qiáng)度Mpa1.07320 ± 1530 至 720V 1%> 38.0> 9.8> 5.6(3)安裝8mm灌漿嘴(詳見圖 7);(4 )用ZG瞬間堵漏膠密封，埋設(shè)8mm高壓灌漿管，即為灌漿管，也是導(dǎo)氣管(5 )待縫面圭寸閉材料強(qiáng)度達(dá)標(biāo)即1d后，即可進(jìn)行壓水試驗(yàn)。壓水試驗(yàn)壓力為0.07Mpa，并做好壓水記錄;(6) 壓水試驗(yàn)完成

9、后，用0.1Mpa高壓空氣吹干管路及縫面水分。如果時(shí)間不允許延后，即可灌注適量的丙酮以排除縫內(nèi)積水。(7) 然后用純壓法自上而下進(jìn)行化學(xué)灌漿。灌漿機(jī)具使用手掀泵，材料為YDS環(huán)氧化灌材料混和料及催化劑，漿液配合比例為A料：B料=1:1 ;(8) 如果發(fā)生明顯串漏，可摻入0.5%催化劑；(9 )水平式埋管由一端進(jìn)漿，另一端作導(dǎo)氣管。上下式埋管以下端作進(jìn)漿口，上端作導(dǎo)氣(水)管，由下至上灌漿。初始灌漿壓力0.03到0.05Mpa，待導(dǎo)氣管滿漿，扎緊導(dǎo)氣管，繼續(xù)加壓到0.1Mpa，壓力控制為最高壓力0.1Mpa，個(gè)別特殊部位由業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)確定。待進(jìn)漿速率<1.0ml/mi n ，繼續(xù)保持壓力0.0

10、8Mpa，保持時(shí)間不低于 30分鐘。(10)采用低壓慢灌，控制漿液擴(kuò)散范圍為頂部1.5 m，兩邊1.5m，底部為2 3m。具體擴(kuò)散范圍還可根據(jù)業(yè)主提供的相關(guān)技術(shù)資料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修改。(11) 24小時(shí)后用同樣方法進(jìn)行復(fù)灌；(12 )如果發(fā)現(xiàn)零星漏漿現(xiàn)象，可用ZG瞬間堵漏膠進(jìn)行緊急處理，處理合格后再進(jìn)行補(bǔ)灌。如果出現(xiàn)嚴(yán)重串漏現(xiàn)象，則必須用間歇法處理或調(diào)整催化劑比例或提前終結(jié)灌漿;(13)化灌完成后，一般 3天時(shí)間 即可割管，再用ZG瞬間堵漏膠將管口完全封堵。具體布置見施工圖8。圖84裂紋成原初步分析4. 1水輪機(jī)安裝施工及質(zhì)量的影響平班水電站水輪機(jī)埋件安裝部分混泥土分四期澆注，一期混泥土在尾水管盤型

11、閥安裝結(jié)束后澆注，二期混泥土在尾水管里襯安裝結(jié)束后澆注，三期混泥土在座環(huán)安裝 過程中澆注，四期混泥土則是在轉(zhuǎn)輪室、底環(huán)及湊合節(jié)安裝后最后澆注，四期混泥土 從底環(huán)上的細(xì)小的灌漿孔澆灌。如圖九所示，四期混泥土澆注的是三期混泥土、 底環(huán)、 轉(zhuǎn)輪室及湊合節(jié)之間的空腔，因?yàn)榈篆h(huán)、轉(zhuǎn)輪室及湊合節(jié)安裝時(shí)水平、中心調(diào)整需要， 在四期混泥土澆注腔狹小的空間內(nèi)布置了不少千斤頂及拉鉤，空腔內(nèi)容易出現(xiàn)澆注死角，澆注過程中預(yù)埋在空腔內(nèi)的震動(dòng)棒震動(dòng)不充分，質(zhì)量檢查不夠細(xì)致，四期混泥土 澆灌完成后轉(zhuǎn)輪室及湊合節(jié)處混泥土存在空腔，機(jī)組運(yùn)行過程中受交變應(yīng)力影響導(dǎo)致 混凝土與轉(zhuǎn)輪室及湊合節(jié)脫落從而產(chǎn)生裂紋。shimsTinned

12、394.008phase | 三期混凝土coCNphase l H fAl<1tz390.9384. 2機(jī)組運(yùn)行方式的影響平班水電站從2004年投產(chǎn)至今，從運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，機(jī)組存在低負(fù)荷振區(qū)和 最大負(fù)荷兩個(gè)振動(dòng)區(qū)。2005年和2006年曾分別邀請(qǐng)廣西電力試驗(yàn)研究院及華中科技大 學(xué)對(duì)機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：在振動(dòng)區(qū)范圍比較大（20MW-80MW運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)擺度、頂蓋振動(dòng)值超標(biāo)。在大負(fù)荷振區(qū)，定子振動(dòng)和機(jī)組噪聲超標(biāo)。雖然公司 已經(jīng)采取各種措施保證機(jī)組盡量不在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，但因?yàn)殡娋W(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需要，負(fù)荷高 峰時(shí)機(jī)組一般保持在在高負(fù)荷運(yùn)行，在低谷時(shí)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行，振動(dòng)對(duì)機(jī)組的安全 運(yùn)行

13、造成了一定的影響。因此，機(jī)組的運(yùn)行方式是造成尾水錐管產(chǎn)生裂紋的客觀要因 之一。4. 3協(xié)聯(lián)曲線的影響平班水電站調(diào)速器水頭信號(hào)采集的是機(jī)組凈水頭，為渦殼進(jìn)口壓力與尾水管出口壓力之差，該信號(hào)經(jīng)過監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)算后，再引入調(diào)速器。因?yàn)闄C(jī)組在運(yùn)行中，渦殼進(jìn)口壓力和尾水管出口壓力存在較大的波動(dòng)，同時(shí)還有信號(hào)的干擾，都能引起水頭故 障信號(hào)的發(fā)生，而切為手動(dòng)水頭。為避免調(diào)速器故障信號(hào)頻發(fā)，至 08 年機(jī)組小修， 機(jī)組調(diào)速器協(xié)聯(lián)所需的水頭信號(hào)都是人工設(shè)定的一個(gè)定值，機(jī)組運(yùn)行過程中，實(shí)際水 頭大多偏離這個(gè)定值， 協(xié)聯(lián)曲線與實(shí)際工況存在較大差異， 不僅影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行， 對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性能也造成很大的影響， 加速了尾

14、水管湊合節(jié)與轉(zhuǎn)輪室連接部位裂紋的 擴(kuò)展。5 處理結(jié)論及防范措施5 1 處理結(jié)論綜上所述， 平班水電站 2 號(hào)機(jī)組尾水管湊合節(jié)與轉(zhuǎn)輪室連接部位存在裂縫主要原 因是混泥土存在空腔、較差運(yùn)行工況中頻繁交變應(yīng)力及轉(zhuǎn)輪出口存在真空負(fù)壓，調(diào)速 器不能按自動(dòng)水頭協(xié)聯(lián)，更加惡化機(jī)組的運(yùn)行工況，從而加速了裂紋的擴(kuò)展。平班水電站 2 號(hào)機(jī)組尾水管湊合節(jié)與轉(zhuǎn)輪室連接部位存在裂縫處理嚴(yán)格科學(xué)， 處 理后缺陷得到消除，大大提高了機(jī)組運(yùn)行可靠性。目前，已采用相同的處理措施處理 1 號(hào)、 3 號(hào)機(jī)組存在的類似缺陷。52 防范措施（1）開展機(jī)組振動(dòng)消減措施研究，消減振動(dòng) 運(yùn)行中振動(dòng)超標(biāo)，會(huì)直接對(duì)水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)等主要設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)

15、重危害，例如：使 機(jī)組的各部件的連接松動(dòng)，引起轉(zhuǎn)輪和其他零部件或焊縫疲勞裂紋形成并擴(kuò)大；在一 定的頻率條件下還將引起共振，加速尾水管破壞和主軸密封損壞等等。要想避免機(jī)組 振動(dòng)造成的各種嚴(yán)重后果，僅僅采用避開振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的方式是不行的，非常有必要對(duì) 振動(dòng)的原因進(jìn)行分析研究并提出消減措施，從根本上消減振動(dòng)造成的各種危害。（2）避振運(yùn)行機(jī)組運(yùn)行的過程中 , 因?yàn)檫\(yùn)行工況不同 , 其運(yùn)行穩(wěn)定性差別很大。 即使是制造質(zhì)量 甚佳的機(jī)組 , 長(zhǎng)期在惡劣的工況下運(yùn)行也會(huì)造成損壞 ,不僅僅是尾水錐管出現(xiàn)裂紋 ,轉(zhuǎn) 輪葉片也會(huì)出現(xiàn)裂紋 ,造成機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行安全隱患。 因此, 機(jī)組避開振動(dòng)區(qū)運(yùn)行是 避免水輪機(jī)及尾水管產(chǎn)生裂紋行之有效的方法。 特別是避開尾水管真空度較大的負(fù)荷 區(qū)運(yùn)行 , 是改善機(jī)組運(yùn)行狀況、避免缺陷再次發(fā)生的行之有效的措施之一。（3）優(yōu)化調(diào)速器協(xié)聯(lián)曲線協(xié)聯(lián)運(yùn)行曲線是雙調(diào)機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉與槳葉的關(guān)系曲線， 它對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定 和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用。 目前，平班水電站調(diào)速器協(xié)聯(lián)所需水頭信號(hào)采用毛水頭， 雖然平班水電站進(jìn)水口無壓力鋼管， 毛水頭與凈水頭差別不大， 但