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_圖文

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(wèn)題。關(guān)鍵詞：軸流轉(zhuǎn)槳尾水管裂紋原因修復(fù)措施1工程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)135MW 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：SF13556/10860；水輪機(jī)部分由上海福伊特西門子水電設(shè)備有限公司制造。型號(hào)為：ZZS

2、-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Y 和Y 方向裂紋很大，整個(gè)裂縫約10m 長(zhǎng)，X 和X 方向無(wú)裂紋；在Y 方向連接部位裂縫處，轉(zhuǎn)輪室壁及湊合節(jié)上都有超過(guò)200mm 的裂縫，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紋，總長(zhǎng)度約7.1m ，其中Y 方向最為嚴(yán)重，具體分布及尺寸見(jiàn)下圖1

3、；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11.2m 2(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。 圖1 圖2 尾水管裂紋照片 3 處理方法及工藝31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，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

4、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。32裂紋補(bǔ)焊修復(fù)的工藝321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；t1=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 檢測(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(guò)渡。坡口形式如圖2： 圖 2當(dāng)裂紋深度為母材厚度時(shí)，根部鈍邊約為2mm 。坡口形式如圖3： 圖 3322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 ，預(yù)熱溫度至少為80100。（2）轉(zhuǎn)輪室母材為0Cr13Ni4Mo

5、, 焊接工藝規(guī)程為：SMAW-6.6-102/0,焊接材料為：E309L-16，焊接過(guò)程中層間溫度不能超過(guò)180。（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： 圖4323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40。（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(guò)程中層間溫度不能超過(guò)220（3）騎馬塊與尾水管用J507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

6、圖3所示324 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40（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(guò)180（3）騎馬塊與轉(zhuǎn)輪室焊接端頭用E309L-16焊條堆焊約23mm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： 圖5325打磨用砂輪打磨焊縫使修補(bǔ)焊縫與母材光滑過(guò)渡，粗糙度為Ra3.2326NDE 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AS

7、ME -133化學(xué)灌漿的工藝331灌漿材料的選擇通過(guò)對(duì)多種灌漿材料進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合平班工程實(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，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(jiàn)表1。表1：YDS 環(huán)氧混和料（A 料：B 料=1:1）主要性能指標(biāo) 332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3m 間距打孔，呈梅花形布置，孔深5cm ，孔徑

8、10mm 具體布置見(jiàn)施工圖6； 圖6 圖 7 （3）安裝8mm 灌漿嘴（詳見(jiàn)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）待縫面封閉材料強(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

9、，另一端作導(dǎo)氣管。上下式埋管以下端作進(jìn)0.08Mpa ，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23m 。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(jiàn)施工圖8。 圖 84 裂紋成原初步分析41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

10、裝部分混泥土分四期澆注，一期混泥土在尾水管盤型閥安裝結(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(guò)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，由于底環(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(guò)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(guò)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

11、產(chǎn)生裂紋。 圖 942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，但由于電網(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。43協(xié)聯(lián)曲線的

12、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(guò)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)算后，再引入調(diào)速器。由于機(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(guò)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51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)

13、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)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。

14、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(guò)程中, 由于運(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(wú)壓力鋼管，毛水頭與凈水頭差別不大，但其總有一定的差異，