李進軍 張雷 張騰飛 王偉博 欒少帥 翁陳成

摘要：萬家寨水電站水輪機組在高速高含沙水流長期沖刷作用下，活動導葉的剛性立面密封面磨損汽蝕嚴重，造成導葉漏水量加大，導致機組出現(xiàn)“潛動”問題。在分析導葉密封失效原因和總結(jié)傳統(tǒng)堆焊打磨修復處理方式缺陷的基礎上，提出了活動導葉立面密封技術改造方案，首次采用黃河水利科學研究院自主研發(fā)的鋼塑復合聚氨醋導葉密封板，對1#和4#機組進行技術改造，對改造的技術細節(jié)和中間安裝過程進行了精確控制和嚴格質(zhì)量把關。經(jīng)過兩個汛期運行檢驗表明：活動導葉立面密封技術改造提高了導葉全關狀態(tài)下的密封性能，可以有效杭磨和抑制漏水，解決了活動導葉密封失效的問題。

關鍵詞：活動導葉；磨蝕；聚氨醋；密封板；水輪機組；技術改造

中圖分類號：TV734.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.030

黃河是世界上輸沙量最大、水流含沙量最高的河流，其干流上的水輪發(fā)電機組不同程度地受到泥沙磨蝕的危害[1]。萬家寨水利樞紐工程位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段，總裝機容量108萬kW，年發(fā)電量27.5億kW·h。水庫設計總庫容8.96億m3，調(diào)節(jié)庫容4.45億m3。壩址控制流域面積39.5萬km2，設計多年平均入庫沙量1.49億t、設計多年平均含沙量6.6kg/m3。淤積測驗結(jié)果顯示[2]，截至2010年9月，水庫總庫容由8.96億m3減小至4.85億m3，庫容損失45.87%，水庫縱向淤積為三角洲淤積形態(tài)，淤積集中發(fā)生在壩上0～57km河段內(nèi)，水庫已基本達到設計沖淤平衡狀態(tài)。

樞紐上游來沙顆粒質(zhì)堅粒硬，機組運行工況惡劣，在高速高含沙水流條件下，自2012年開始，萬家寨水輪機嚴重磨蝕逐年顯現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片、下環(huán)及導葉等部位出現(xiàn)了較大的汽蝕坑和魚鱗坑，部分坑深達20mm。在水力空蝕和泥沙磨損聯(lián)合作用下，水輪機偏離設計工況，過流部件的磨蝕破壞加劇，機組停機狀態(tài)下漏水嚴重，水力效率降低，檢修時間延長。

針對水輪機活動導葉磨蝕導致漏水嚴重的問題，萬家寨水電站管理部門采用黃河水利科學研究院研發(fā)的鋼塑復合聚氨醋導葉密封板，對1#和4#機組進行技術改造。

1 活動導葉立面密封磨蝕情況

萬家寨水電站1#-4#機組水輪機導葉由法國阿爾斯通水電設備有限公司設計和制造，每臺機組有24個導葉，材質(zhì)為ZG20SiMn，總高度3614mm，導葉上下端面凈距離為1747.2mm，單個導葉質(zhì)量為3050kg，導葉密封形式為傳統(tǒng)的剛性密封，密封部位見圖1。

萬家寨水電站水輪機導葉立面密封設計采用不銹鋼金屬硬密封方式，通過接力器的壓緊行程來實現(xiàn)關機狀態(tài)下導葉密封，接力器壓緊行程為5～7mm[3]。理論上密封效果應該很好，但黃河水流含沙量大，電站經(jīng)過多年運行，在高含沙水流長期沖刷作用下，導葉的剛性立面密封面發(fā)生磨損，加劇了密封處的氣蝕，并且形成惡性循環(huán)，導致導葉立面密封磨蝕嚴重，見圖2、圖3。

導葉磨蝕嚴重導致機組停機狀態(tài)下漏水量很大，造成機組停機時間延長，增加了風閘制動機構(gòu)的磨損。同時，當導葉漏水較多時，機組有“潛動”現(xiàn)象，嚴重威脅機組推力軸承等設備的安全，導致水車室噪音嚴重超標。大量的漏水也直接影響電站的發(fā)電效益。2導葉剛性密封磨蝕傳統(tǒng)處理方式

導葉剛性密封磨蝕后一般通過堆焊的方式對其進行修復，即先刨去磨蝕區(qū)，然后進行電焊堆焊處理，堆焊完畢后再用角磨機打磨處理。該方法往往通過電焊、打磨多次重復處理才能滿足要求，剛性密封面修形比較困難，現(xiàn)場加工處理條件很難保證密封面本身的平直度和粗糙度，容易引起導葉處理后開度不均勻。根據(jù)機組運行實際情況來看，采用傳統(tǒng)堆焊技術處理后，堆焊點變成了金屬汽蝕的脆弱點，經(jīng)過一個小修周期后，堆焊面即被磨蝕殆盡，進一步汽蝕傷害到活動導葉的本體母材，嚴重影響了活動導葉的使用壽命。

3 活動導葉立面密封磨蝕技術改造

參照國內(nèi)其他電站密封改造的先進經(jīng)驗以及萬家寨水電站導葉的實際情況，決定將導葉密封方式由剛性硬密封改為彈性軟密封，密封材料可在小修期間自行更換。文獻[4-7]研究表明，已有水電站采用三角形實心和空心兩種密封條對導葉剛性密封進行改造，在導葉立面密封大頭面開燕尾槽或者梯形槽進行安裝和固定。這種密封方式投運初期密封效果較好，但是運行一段時間后，密封條與燕尾槽或梯形槽交接位置易出現(xiàn)汽蝕，加上密封條體積小、材質(zhì)軟，易從固定槽內(nèi)脫落導致密封失效。

為了避免出現(xiàn)上述問題，將密封條設計為矩形板狀結(jié)構(gòu)，中間有突起，見圖4。在導葉大頭密封面開方形槽加裝聚氨酯密封板，在密封板上加工螺栓孔，根據(jù)密封板螺栓孔布置，在密封槽底平面加工螺栓孔，通過內(nèi)六角螺栓將密封板可靠地固定于導葉上。同時，導葉小頭的剛性密封面與大頭的彈性密封面剛?cè)峤Y(jié)合，具有一定的互補作用，可有效抑制漏水。

3.1 密封板材料選擇

表1列出了各種材料的抗磨指數(shù)，指數(shù)越小，抗磨性能越高。聚氨酯材料的抗磨蝕性能明顯優(yōu)于其他材料，因此選擇聚氨醋作為密封板的主要材料。通過對聚氨醋材料進行改性，使其具有較高的彈性及強度，同時具有優(yōu)異的耐水性、耐磨性、耐油性、耐疲勞、耐撕裂及抗震動性等。

3.2 聚氨酯密封板設計

為了控制圓弧突起引起的汽蝕影響，在止水圓弧后仍采用聚氨酯彈性體（見圖5），可較好地解決導葉加裝密封條后產(chǎn)生汽蝕問題。

3.3密封板安裝

在導葉大頭密封面開方形槽加裝密封板，方形槽尺寸及固定螺栓孔位置與聚氨酯密封板尺寸相對應。方形槽底部、側(cè)面及不銹鋼內(nèi)六角螺栓螺絲上涂刷復合樹脂膠液。按照螺栓孔對齊的原則，將鋼塑復合聚氨酯密封板放置在活動導葉方形槽內(nèi)，迅速用不銹鋼螺栓進行把合。聚氨酯密封板固定后，在不銹鋼螺栓孔、密封板與活動導葉相鄰臺階用配置好的聚氨酯復合樹脂砂漿進行封孔和光滑過渡處理（見圖6）。這樣一方面避免密封板兩側(cè)與導葉接觸部位受水流沖刷而產(chǎn)生磨損，另一方面保證導葉大頭的型線，防止水流經(jīng)過導葉時出現(xiàn)擾動、脫流等現(xiàn)象。

4 運行效果

萬家寨水電站于2014年6月對1#機組進行改造，2015年1月檢查，導葉密封良好，未見磨蝕情況，只有局部過渡復合樹脂砂漿出現(xiàn)了脫落情況，事后采用快速修補砂漿進行修復處理。2015年12月第二次檢查，密封效果好，未見磨蝕情況。為了解決密封條過渡砂漿因過渡范圍太小易脫落的問題，同時有效抑制導葉磨蝕加劇，2015年7月對4#機組進行改造，并采用復合樹脂砂漿對導葉進行了整體防護，2016年1月檢查，效果良好，未見磨蝕情況，見圖7。

5 結(jié)論

聚氨酯密封板具有較高的強度，優(yōu)異的m3磨性、m3水性，現(xiàn)場施工簡便，安裝拆卸方便，能夠起到有效的抗磨和抑制漏水的作用，成功地解決了萬家寨水電站活動導葉密封失效的問題，提高了導葉全關狀態(tài)下的密封性能，消除了正常停機時因?qū)~漏水量大而導致的機組“潛動”現(xiàn)象，取得了良好的效果，可為其他水電站活動導葉密封改造提供借鑒。

參考文獻：

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