□ 史恩澤 □ 陸 波

國網(wǎng)東北分部綠源水力發(fā)電公司太平灣發(fā)電廠 遼寧丹東 118000

1 技術(shù)背景

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪機(jī)重要的引水部件,作用是根據(jù)水輪機(jī)組預(yù)先設(shè)定的輸出功率,改變水輪機(jī)導(dǎo)葉的開度調(diào)節(jié)流量,實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)組的啟停和負(fù)荷調(diào)節(jié)。水輪機(jī)導(dǎo)葉是實(shí)現(xiàn)上述功能的核心部件[1]。20世紀(jì)80年代以前制造的水輪機(jī)組中,受當(dāng)時(shí)行業(yè)規(guī)范、機(jī)械加工精度和材料等方面的限制,大部分水輪機(jī)導(dǎo)葉的立面密封設(shè)計(jì)為軟密封結(jié)構(gòu),水輪機(jī)組在運(yùn)行一段時(shí)間后,會(huì)出現(xiàn)密封件破損、脫落等現(xiàn)象,導(dǎo)致水輪機(jī)導(dǎo)葉的漏水量增大,造成水資源浪費(fèi),嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使水輪機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)下產(chǎn)生低速旋轉(zhuǎn)問題,構(gòu)成水輪機(jī)組的安全隱患。

筆者以太平灣發(fā)電廠長甸電站2號(hào)水輪機(jī)組的水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)為例,介紹水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封的工作原理、改進(jìn)方案,以及改進(jìn)效果,并對(duì)后續(xù)水輪機(jī)組運(yùn)維工作提出建議。

2 現(xiàn)場情況

長甸電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣長甸鎮(zhèn)拉古哨村,在鴨綠江流域的中方側(cè)。電站廠區(qū)有A站、B站兩座引水式地面廠房。A站廠房安裝1號(hào)和2號(hào)水輪機(jī)組,單機(jī)容量為75 MW,1989年投產(chǎn)發(fā)電。B站廠房安裝3號(hào)和4號(hào)水輪機(jī)組,單機(jī)容量為100 MW,2014年投產(chǎn)發(fā)電。

A站水輪機(jī)組的水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉共有24個(gè),材質(zhì)為ZG20SiMn低碳合金鋼。水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封為壓板式橡膠軟密封結(jié)構(gòu),軟密封安裝在水輪機(jī)導(dǎo)葉的進(jìn)水邊。密封槽長度為760 mm,通過壓板將橡膠密封膠條固定在密封槽內(nèi),壓板由7個(gè)M12×25 mm沉頭螺釘固定。壓板式橡膠軟密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。水輪機(jī)導(dǎo)葉的材質(zhì)為低碳合金鋼,在運(yùn)行一段時(shí)間后,導(dǎo)葉螺栓孔的螺紋由于腐蝕而損壞,造成螺釘滑扣而脫落,壓板和橡膠密封膠條被水流整體沖走,或部分脫落脫槽,導(dǎo)致水輪機(jī)導(dǎo)葉的漏水量增大。以上情況多次發(fā)生在水輪機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下,水輪機(jī)導(dǎo)葉緩慢旋轉(zhuǎn),在造成水資源浪費(fèi)的同時(shí),加速了軸承的磨損[2],對(duì)水輪機(jī)組的安全構(gòu)成威脅。

圖1 壓板式橡膠軟密封結(jié)構(gòu)

為解決由于腐蝕而造成水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封結(jié)構(gòu)中橡膠密封膠條及壓板脫落的問題,長甸電站運(yùn)維管理單位結(jié)合水輪機(jī)組大修,對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉螺紋孔進(jìn)行改造,用電鉆在水輪機(jī)導(dǎo)葉螺紋孔位置擴(kuò)孔,內(nèi)鑲不銹鋼材料,焊接固定后,在不銹鋼材料上鉆孔攻絲,壓板和沉頭螺釘也更換為不銹鋼材質(zhì)。改造后,在相當(dāng)長階段內(nèi)取得了一定效果。但是,由于壓板與密封槽接觸面之間存在間隙,在水輪機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后,壓板和螺紋孔位置出現(xiàn)汽蝕缺陷,加之水輪機(jī)組運(yùn)行中水流的沖擊作用,個(gè)別壓板和橡膠密封膠條被沖走或局部脫落。另一方面,橡膠密封膠條在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)老化。由此可見,處理水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封槽、螺紋孔,更換壓板、螺釘、橡膠密封膠條,是水輪機(jī)組大修必須進(jìn)行的項(xiàng)目,需要投入大量人力。針對(duì)這一問題,筆者對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3 改進(jìn)方案

為了徹底解決長甸電站水輪機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封存在的缺陷,減小停機(jī)狀態(tài)下水輪機(jī)漏水量,減小檢修工作量,電站運(yùn)維管理單位于2018年組織技術(shù)人員對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉存在的問題進(jìn)行研究,計(jì)劃結(jié)合2019年水輪機(jī)組改造時(shí)實(shí)施改進(jìn)。經(jīng)過技術(shù)論證,確定將水輪機(jī)導(dǎo)葉的壓板式軟密封結(jié)構(gòu)改為鋼性密封結(jié)構(gòu)。

水輪機(jī)導(dǎo)葉立面采用軟密封時(shí),利用橡膠密封材料的壓縮量,輔以接力器的壓緊行程,橡膠密封凸出水輪機(jī)導(dǎo)葉表面,凸出量的大小根據(jù)電站水頭、出力、水輪機(jī)導(dǎo)葉尺寸決定,一般在3～7 mm之間。軟密封的優(yōu)點(diǎn)是密封部位接合緊密,止水效果優(yōu)于鋼性密封。軟密封的缺點(diǎn)是水輪機(jī)導(dǎo)葉線形差,受金屬腐蝕、汽蝕和水流沖擊的影響大,密封件易脫落。軟密封材料屬于易損件,需要定期更換。軟密封主要適用于工作水頭較低的貫流式和軸流式水輪機(jī)組。采用鋼性密封時(shí),密封與水輪機(jī)導(dǎo)葉加工成一體,材質(zhì)為不銹鋼。水輪機(jī)導(dǎo)葉的進(jìn)水邊一般加工成寬度為15～25 mm的平面,利用高質(zhì)量加工精度,輔以接力器的壓緊行程,實(shí)現(xiàn)密封。鋼性密封的優(yōu)點(diǎn)是水輪機(jī)導(dǎo)葉線形好,檢修維護(hù)工作量小,主要適用于中、高水頭的混流式水輪機(jī)組。鋼性密封的缺點(diǎn)是對(duì)于泥沙含量大、水力沖擊大和汽蝕較嚴(yán)重的電站,密封部位易受腐蝕使密封面破壞,水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量增大。

20世紀(jì)90年代后,由于機(jī)械加工設(shè)備精度提高,特別是數(shù)控加工機(jī)床的應(yīng)用,使鋼性密封的水輪機(jī)導(dǎo)葉立面普遍應(yīng)用于中、高水頭水輪機(jī)組,且效果較好。長甸電站所處流域位于鴨綠江上游,庫區(qū)水質(zhì)條件較好,水輪機(jī)金屬部件不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重汽蝕、磨蝕現(xiàn)象。廠區(qū)B站2014年投產(chǎn)的3號(hào)和4號(hào)水輪機(jī)組中,水輪機(jī)導(dǎo)葉立面即為鋼性密封,應(yīng)用效果較好,為2號(hào)水輪機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉改進(jìn)為鋼性密封提供了參考。

整個(gè)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)至具備水輪機(jī)制造和加工能力的機(jī)械廠,對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉配合及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測量、記錄,對(duì)原有立面密封壓板安裝槽位置進(jìn)行加工處理。密封槽位置安裝0Cr13Ni5Mo不銹鋼板材。不銹鋼板材四周打坡口,封焊。鋼板表面鉆孔,塞焊。焊接完畢后,進(jìn)行焊縫部位打磨。進(jìn)行100%滲透無損探傷檢測,檢測合格后,按設(shè)計(jì)圖紙的要求對(duì)不銹鋼板材密封面進(jìn)行精加工,表面粗糙度Ra不大于1.6 μm。水輪機(jī)導(dǎo)葉進(jìn)水邊立面鋼性密封加工如圖2所示。

圖2 水輪機(jī)導(dǎo)葉進(jìn)水邊立面鋼性密封加工

對(duì)于水輪機(jī)導(dǎo)葉尾部出水邊的密封面,用具有抗氣蝕性能的AWS ER410NiMo不銹鋼焊絲堆焊。打磨堆焊部位,進(jìn)行100%滲透無損探傷檢測。檢測合格后,按設(shè)計(jì)圖紙要求對(duì)密封面進(jìn)行精加工,表面粗糙度Ra不大于1.6 μm。水輪機(jī)導(dǎo)葉出水邊立面鋼性密封加工如圖3所示。

圖3 水輪機(jī)導(dǎo)葉出水邊立面鋼性密封加工

在工廠進(jìn)行導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝,預(yù)裝后需要檢查的項(xiàng)目如下[4-5]:① 頂蓋抗磨板面位置的平面度要求不大于0.05 mm/m;② 頂蓋、底環(huán)的固定止漏環(huán)同軸度要求不大于0.20 mm;③ 水輪機(jī)導(dǎo)葉、立面間隙不大于0.2 mm;④ 水輪機(jī)導(dǎo)葉動(dòng)作試驗(yàn)要求靈活、無卡阻;⑤ 在33.4%、50%、100%三個(gè)開度狀態(tài)下進(jìn)行水輪機(jī)導(dǎo)葉的開口尺寸測量,考核100%開度時(shí)24個(gè)水輪機(jī)導(dǎo)葉開口大小與平均值偏差相對(duì)不超過±2%。在驗(yàn)收達(dá)到設(shè)計(jì)要求的條件下,水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒現(xiàn)場配銷釘,定位。預(yù)裝拆解前,對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉及其操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行編號(hào),方便電站安裝。

4 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配

2019年9月,長甸電站2號(hào)水輪機(jī)組改造及A級(jí)檢修開始。水輪機(jī)組分解完成后,水輪機(jī)導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)和控制環(huán)等全套導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)抵哈爾濱銀河電機(jī)制造有限公司。水輪機(jī)導(dǎo)葉密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,檢查尺寸,滿足設(shè)計(jì)圖紙要求。水輪機(jī)導(dǎo)葉進(jìn)水邊立面密封面寬度為20 mm,表面粗糙度Ra小于1.6 μm,如圖4所示。焊接部位100%滲透無損探傷檢測合格。水輪機(jī)導(dǎo)葉出水邊立面密封面寬度為10 mm,表面粗糙度Ra小于1.6 μm,如圖5所示。焊接部位100%滲透無損探傷檢測合格。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝前,對(duì)頂蓋、底環(huán)的汽蝕部位進(jìn)行檢查,并在制造廠進(jìn)行修復(fù)[6-8],對(duì)軸承套等密封件進(jìn)行更換。水輪機(jī)導(dǎo)葉預(yù)裝完成的整體外形如圖6所示。水輪機(jī)導(dǎo)葉在無油壓狀態(tài)下的密封情況如圖7所示。水輪機(jī)導(dǎo)葉立面間隙的測量數(shù)據(jù)滿足水輪機(jī)導(dǎo)葉立面鋼性密封間隙的要求,允許導(dǎo)葉體1/4高度范圍內(nèi)間隙不大于0.20 mm[9],見表1。不同開度條件下水輪機(jī)導(dǎo)葉開口尺寸測量數(shù)據(jù)見表2,其中100%開度條件下滿足24個(gè)水輪機(jī)導(dǎo)葉開口大小與平均值相對(duì)偏差不超過±2%的設(shè)計(jì)要求。其它檢查項(xiàng)目均滿足行業(yè)規(guī)范要求。

表1 水輪機(jī)導(dǎo)葉立面間隙測量數(shù)據(jù)

表2 水輪機(jī)導(dǎo)葉開口尺寸測量數(shù)據(jù)

圖4 水輪機(jī)導(dǎo)葉進(jìn)水邊立面密封面

圖5 水輪機(jī)導(dǎo)葉出水邊立面密封面

圖6 水輪機(jī)導(dǎo)葉預(yù)裝完成整體外形

圖7 水輪機(jī)導(dǎo)葉無油壓狀態(tài)下密封情況

5 改進(jìn)效果

2020年7月,長甸電站2號(hào)水輪機(jī)組改造及A級(jí)檢修工作完成,水輪機(jī)組充水前對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉立面間隙和100%開度條件下水輪機(jī)導(dǎo)葉開口尺寸進(jìn)行檢查測量,均滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)哈爾濱電機(jī)廠有限公司關(guān)于長甸電站2號(hào)水輪機(jī)組改造后接力器壓緊行程調(diào)整的核算,接力器壓緊行程調(diào)整至4～6 mm。水輪機(jī)組試運(yùn)行期間,委托專業(yè)單位對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量進(jìn)行測定,測量數(shù)據(jù)換算至額定工作水頭條件下為0.29 m3/s,滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量不大于3‰額定流量的要求[10]。水輪機(jī)組經(jīng)歷2020年汛期長時(shí)間大發(fā)電考驗(yàn),未發(fā)生異常。2021年4月水輪機(jī)組C級(jí)檢修時(shí),對(duì)改進(jìn)后的密封面進(jìn)行檢查,密封面良好,未發(fā)現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象。目前水輪機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定,各部分振動(dòng)擺度正常,長甸電站2號(hào)水輪機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)取得了較好的效果。

6 后續(xù)建議

盡管目前水輪機(jī)導(dǎo)葉立面鋼性密封的設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟,長甸電站庫區(qū)的自然條件也適合鋼性密封的應(yīng)用,但是因?yàn)樵撍啓C(jī)組為20世紀(jì)80年代產(chǎn)品,在設(shè)計(jì)、制造等方面與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)還有一定差距,且水輪機(jī)導(dǎo)葉本體仍為非不銹鋼材質(zhì),所以后續(xù)還應(yīng)進(jìn)行運(yùn)行跟蹤。建議結(jié)合電站每年水輪機(jī)組的C級(jí)檢修,對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉密封部位進(jìn)行檢查、記錄。如果密封面部位的磨蝕量超標(biāo),可以考慮對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉金屬密封部位使用碳化鎢涂層進(jìn)行防護(hù)[11]。碳化鎢涂層抗汽蝕、磨損、腐蝕的性能相當(dāng)強(qiáng),在國內(nèi)多個(gè)水電站已成功應(yīng)用,效果良好。

7 結(jié)束語

水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封的結(jié)構(gòu)形式和制造安裝質(zhì)量決定著停機(jī)狀態(tài)下水輪機(jī)組漏水量的大小,關(guān)系到水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及水輪機(jī)組的安全性。水輪機(jī)組在設(shè)計(jì)和制造階段,選擇合適的水輪機(jī)導(dǎo)葉密封結(jié)構(gòu)相當(dāng)重要。長甸電站2號(hào)水輪機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉由壓板式橡膠軟密封改為鋼性密封,取得了較好的效果,解決了改進(jìn)前水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封存在的橡膠密封膠條和壓板容易脫落的問題,減小了水輪機(jī)組的漏水量,并減小了大修中檢修的工作量,提高了水輪機(jī)組的安全性、穩(wěn)定性和水資源利用率。長甸電站2號(hào)水輪機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn),為中、高水頭且水輪機(jī)導(dǎo)葉立面為軟密封的水輪機(jī)組解決漏水嚴(yán)重問題提供了經(jīng)驗(yàn),具有實(shí)用價(jià)值。