大型轴流转桨式水轮机尾水管凑合节与转轮室连接处.docx

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大型轴流转桨式水轮机尾水管凑合节与转轮室连接处

大型轴流转桨式水轮机尾水管裂纹处理

吴良有1冯顺绪2

（广西平班水电开发有限公司，广西南宁）

摘要：

介绍了平班水电站尾水管凑合节与转轮室连接处存在裂纹的现象，并对裂纹产生的原因进行分析。

采用补焊、化学灌浆等处理对策与措施，解决了尾水管凑合节与转轮室出现裂纹的问题。

关键词：

轴流转桨尾水管裂纹原因修复措施

1工程概况

平班水电站位于广西壮族自治区与贵州省界河一南盘江上，是红水河综合利用规划的第三个梯级电站。

电站总装机容量为405MW，安装3台135MW轴流转桨式水轮发电机组，发电机部分由天津阿尔斯通制造，型号为：

SF135—56/10860；水轮机部分由上海福伊特西门子水电设备有限公司制造。

型号为：

ZZS-LH-722；整机的安装由武警水电部队二总队承揽，首台机组于2004年12月正式投运，2号机组于2005年4月投运。

2故障简介

2007年3月，在2号机组检修中，发现尾水管凑合节与转轮室连接部位存在裂缝，其中＋Y和－Y方向裂纹很大，整个裂缝约10m长，＋X和－X方向无裂纹；在－Y方向连接部位裂缝处，转轮室壁及凑合节上都有超过200mm的裂缝，缺陷发生后对裂缝进行焊接处理，焊接合格后采用水泥灌浆方式对凑合节、转轮室及尾水管锥等处脱空部位进行处理。

2008年4月2号机组汛前检修，再次发现：

转轮室与凑合节连接焊缝有多处穿透性裂纹，总长度约7.1m，其中－Y方向最为严重，具体分布及尺寸见下图1；另外，在转轮室的第四象限组合焊缝处有一条长1000mm的裂纹；转轮室与尾水管连接的凑合节发生脱空，其中凑合节部分基本完全脱空，总面积约11.2m2（凑合节直径7079mm，宽度500mm），转轮室与凑合节连接焊缝处裂纹脱空深度约5-30mm。

平班1号、3号机组也存在类似的缺陷，只是程度较2号机组为轻。

图2尾水管裂纹照片

3处理方法及工艺

3．1处理方案制定

2008年4月，业主组织制造厂家、检修公司及电力试验院三方技术人员召开专题会，讨论裂纹处理方案，根据现场故障情况，大家一致同意采取先补焊修复，补焊修复的施工工艺由生产厂家提供，焊接合格后采用化学灌浆方式对凑合节、转轮室及尾水管锥断脱空部位进行处理。

处理前详细记录裂纹的部位、长度及裂纹性质，要求有详细的数据及清晰的照片，便于存档及技术分析。

3．2裂纹补焊修复的工艺

3．2．1缺陷的清除

首先用碳弧气刨刨掉缺陷处金属。

碳弧气刨刨掉深为t1；t1=t-4（t为缺陷深度），当深度约为t1时，采用砂轮对其进行打磨。

打磨完成后采用PT检测破口表面。

当裂纹深度小于母材厚度时，根部应圆滑过渡。

坡口形式如图2：

图2

当裂纹深度为母材厚度时，根部钝边约为2mm。

坡口形式如图3：

图3

3．2．2转轮室裂纹修复工艺

（1）采用火焰加热的方法进行预热。

预热范围为焊缝两侧100mm，预热温度至少为80℃~100℃。

（2）转轮室母材为0Cr13Ni4Mo,焊接工艺规程为：

SMAW-6.6-102/0,焊接材料为：

E309L-16，焊接过程中层间温度不能超过180℃。

（3）为降低焊缝焊接应力，采用分段焊焊接方法。

先修复1区域，修复完成后再修复2区域。

焊接顺序如图4所示：

图4

3．2．3尾水管裂纹修复工艺

（1）采用火焰加热的方法进行预热。

预热范围为焊缝两侧100mm，预热温度至少为40℃。

（2）尾水管母材为Q235,焊接工艺规程为：

SMAW-1.1-101/0,焊接材料为：

J507，焊接过程中层间温度不能超过220℃

（3）骑马块与尾水管用J507焊条进行点焊

（4）为降低焊缝焊接应力，采用分段焊接方法。

先修复1区域，修复完成后再修复2区域。

焊接顺序如图3所示

3．2．4转轮室与尾水管

（1）采用火焰加热的方法进行预热，预热范围为焊缝两侧100mm,预热温度至少为40℃

（2）转轮室母材为0Cr13Ni4Mo、尾水管母材为Q235.焊接工艺规程为：

SMAW-1.6-101/0，焊接材料为E309L-16，焊接层间温度不能超过180℃

（3）骑马块与转轮室焊接端头用E309L-16焊条堆焊约2~3mm后，与转轮室及尾水管点焊

（4）为降低焊缝焊接应力，采用分段焊接方法。

按顺序依次顺序完成焊缝的修补。

焊接顺序

如图5所示：

图5

3．2．5打磨

用砂轮打磨焊缝使修补焊缝与母材光滑过渡，粗糙度为Ra3.2

3．2．6NDE检验

对修补焊缝进行超声波和着色检验，验收标准按ASMEⅧ-1

3．3化学灌浆的工艺

3．3．1灌浆材料的选择

通过对多种灌浆材料进行对比分析，结合平班工程实际情况，采用YDS环氧化灌材料进行灌浆、结构补强材料。

YDS环氧化灌材料是一种粘度低、可灌性好的新型灌浆材料，有A料和B料两种，A科和B料按1：

1比例混和，其固化后抗压强度高，具有结构补强和防水双重功能。

还能渗透到原有砼缝隙的深部，它的这种双重功能，适应于脱空隐患部位的结构补强处理，其性能指标见表1。

表1：

YDS环氧混和料（A料：

B料=1:

1）主要性能指标

比重g/cm3

粘度

CP

胶凝时间

min

收缩率

%

抗压强度

Mpa

抗拉强度

Mpa

粘结强度

Mpa

1.07

320±15

30至720

＜1%

＞38.0

＞9.8

＞5.6

3．3．2灌浆施工流程介绍

（1）确定脱空隐患部位范围；

（2）沿脱空隐患部位在钢板上按3m间距打孔，呈梅花形布置，孔深5cm，孔径Ф10mm具体布置见施工图6；

图6

图7

（3）安装Ф8mm灌浆嘴（详见图7）；

（4）用ZG瞬间堵漏胶密封，埋设Ф8mm高压灌浆管，即为灌浆管，也是导气管。

（5）待缝面封闭材料强度达标即1d后，即可进行压水试验。

压水试验压力为0.07Mpa，并做好压水记录；

（6）压水试验完成后，用0.1Mpa高压空气吹干管路及缝面水分。

如果时间不允许延后，即可灌注适量的丙酮以排除缝内积水。

（7）然后用纯压法自上而下进行化学灌浆。

灌浆机具使用手掀泵，材料为YDS环氧化灌材料混和料及催化剂，浆液配合比例为A料：

B料=1：

1；

（8）如果发生明显串漏，可掺入0.5%催化剂；

（9）水平式埋管由一端进浆，另一端作导气管。

上下式埋管以下端作进浆口，上端作导气（水）管，由下至上灌浆。

初始灌浆压力0.03到0.05Mpa，待导气管满浆，扎紧导气管，继续加压到0.1Mpa，压力控制为最高压力0.1Mpa，个别特殊部位由业主现场确定。

待进浆速率<1.0ml/min，继续保持压力0.08Mpa，保持时间不低于30分钟。

（10）采用低压慢灌，控制浆液扩散范围为顶部1.5m，两边1.5m，底部为2—3m。

具体扩散范围还可根据业主提供的相关技术资料进行现场修改。

（11）24小时后用同样方法进行复灌；

（12）如果发现零星漏浆现象，可用ZG瞬间堵漏胶进行紧急处理，处理合格后再进行补灌。

如果出现严重串漏现象，则必须用间歇法处理或调整催化剂比例或提前终结灌浆；

（13）化灌完成后，一般3天时间即可割管，再用ZG瞬间堵漏胶将管口完全封堵。

具体布置见施工图8。

图8

4裂纹成原初步分析

4．1水轮机安装施工及质量的影响

平班水电站水轮机埋件安装部分混泥土分四期浇注，一期混泥土在尾水管盘型阀安装结束后浇注，二期混泥土在尾水管里衬安装结束后浇注，三期混泥土在座环安装过程中浇注，四期混泥土则是在转轮室、底环及凑合节安装后最后浇注，四期混泥土从底环上的细小的灌浆孔浇灌。

如图九所示，四期混泥土浇注的是三期混泥土、底环、转轮室及凑合节之间的空腔，由于底环、转轮室及凑合节安装时水平、中心调整需要，在四期混泥土浇注腔狭小的空间内布置了不少千斤顶及拉钩，空腔内容易出现浇注死角，浇注过程中预埋在空腔内的震动棒震动不充分，质量检查不够细致，四期混泥土浇灌完成后转轮室及凑合节处混泥土存在空腔，机组运行过程中受交变应力影响导致混凝土与转轮室及凑合节脱落从而产生裂纹。

图9

4．2机组运行方式的影响

平班水电站从2004年投产至今，从运行实践经验中发现，机组存在低负荷振区和最大负荷两个振动区。

2005年和2006年曾分别邀请广西电力试验研究院及华中科技大学对机组进行稳定性测试，测试结果表明：

在振动区范围比较大（20MW-80MW）、运行时水导摆度、顶盖振动值超标。

在大负荷振区，定子振动和机组噪声超标。

虽然公司已经采取各种措施保证机组尽量不在振动区运行，但由于电网调峰调频需要，负荷高峰时机组一般保持在在高负荷运行，在低谷时机组在低负荷运行，振动对机组的安全运行造成了一定的影响。

因此,机组的运行方式是造成尾水锥管产生裂纹的客观要因之一。

4．3协联曲线的影响

平班水电站调速器水头信号采集的是机组净水头，为涡壳进口压力与尾水管出口压力之差，该信号经过监控系统运算后，再引入调速器。

由于机组在运行中，涡壳进口压力和尾水管出口压力存在较大的波动，同时还有信号的干扰，都能引起水头故障信号的发生，而切为手动水头。

为避免调速器故障信号频发，至08年机组小修，机组调速器协联所需的水头信号都是人工设定的一个定值，机组运行过程中，实际水头大多偏离这个定值，协联曲线与实际工况存在较大差异，不仅影响机组的经济运行，对机组的稳定性能也造成很大的影响，加速了尾水管凑合节与转轮室连接部位裂纹的扩展。

5处理结论及防范措施

5．1处理结论

综上所述，平班水电站2号机组尾水管凑合节与转轮室连接部位存在裂缝主要原因是混泥土存在空腔、较差运行工况中频繁交变应力及转轮出口存在真空负压，调速器不能按自动水头协联，更加恶化机组的运行工况，从而加速了裂纹的扩展。

平班水电站2号机组尾水管凑合节与转轮室连接部位存在裂缝处理严格科学，处理后缺陷得到消除，大大提高了机组运行可靠性。

目前，已采用相同的处理措施处理1号、3号机组存在的类似缺陷。

5．2防范措施

（1）开展机组振动消减措施研究，消减振动

运行中振动超标，会直接对水轮机及发电机等主要设备产生严重危害，例如：

使机组的各部件的连接松动，引起转轮和其他零部件或焊缝疲劳裂纹形成并扩大；在一定的频率条件下还将引起共振，加速尾水管破坏和主轴密封损坏等等。

要想避免机组振动造成的各种严重后果，仅仅采用避开振动区运行的方式是不行的，非常有必要对振动的原因进行分析研究并提出消减措施，从根本上消减振动造成的各种危害。

（2）避振运行

机组运行的过程中,由于运行工况不同,其运行稳定性差别很大。

即使是制造质量甚佳的机组,长期在恶劣的工况下运行也会造成损坏,不仅仅是尾水锥管出现裂纹,转轮叶片也会出现裂纹,造成机组长期稳定运行安全隐患。

因此,机组避开振动区运行是避免水轮机及尾水管产生裂纹行之有效的方法。

特别是避开尾水管真空度较大的负荷区运行,是改善机组运行状况、避免缺陷再次发生的行之有效的措施之一。

（3）优化调速器协联曲线

协联运行曲线是双调机组自动运行时导叶与桨叶的关系曲线，它对机组安全稳定和经济运行起着重要的作用。

目前，平班水电站调速器协联所需水头信号采用毛水头，虽然平班水电站进水口无压力钢管，毛水头与净水头差别不大，但其总有一定的差异，通过实际远行发现，目前平班水电站调速器协联曲线与实际运行工况存在一定差异，有必要对原协联曲线进行修正，以提高机组运行稳定性及经济运行。

6结语

在处理后机组正常运行了约一年,09年3月结合机组检修,对该部位进行了检查,发现裂纹,缺陷得到了有效控制。

鉴于水电机组在运行过程中尾水管凑合节与转轮室连接处产生裂纹时有发生,处理工艺各异,缺陷产生的原因也各有不同。

笔者特撰写本文,为制定处理该类事故工艺以及分析故障形成的原因方面,提供一定的参考。