施玉澤

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司機(jī)電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣境內(nèi)，安裝有6臺(tái)機(jī)組進(jìn)水閥（以下簡(jiǎn)稱球閥）。機(jī)組球閥自首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)以來運(yùn)行至今近20年。抽水蓄能電站啟停頻繁，球閥每天啟閉次數(shù)達(dá)3～6次，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)進(jìn)水閥的開關(guān)次數(shù)已達(dá)萬次左右。近年來，球閥在運(yùn)行過程及防水淹廠房自檢過程中出現(xiàn)如下安全性缺陷：球閥樞軸偏磨漏水；球閥工作密封及檢修密封漏水；球閥伸縮節(jié)活動(dòng)法蘭處漏水；為確保電站安全運(yùn)行，在2019年度決定對(duì)球閥進(jìn)行大修，拆除6臺(tái)球閥并返廠進(jìn)行修復(fù)后回裝。球閥拆除和回裝工作由中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司負(fù)責(zé)。

1 球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

進(jìn)水閥為臥軸雙接力器雙面密封球閥，油壓操作，通徑2 m，設(shè)計(jì)壓力887 m水柱。安裝在壓力鋼管和其蝸殼進(jìn)口段之間，在水泵工況啟動(dòng)、機(jī)組調(diào)相、機(jī)組正常停機(jī)和事故停機(jī)起著截?cái)嗨鞯淖饔?，在安裝初期球閥還充當(dāng)高壓輸水隧道的堵頭。球閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示

圖1 THP球閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 球閥上游側(cè)與壓力鋼管把合螺栓緊固原工藝分析

THP抽水蓄能電站球閥與上游壓力鋼管通過法蘭及螺栓進(jìn)行連接，在直徑2 600 mm的分布圓上均布M110×6 mm的32顆螺栓將球閥與上游延伸鋼管把合。受空間影響螺栓無法采用液壓拉伸的方法進(jìn)行緊固，廠家原設(shè)計(jì)為螺栓采用“氧-乙炔火焰對(duì)螺桿內(nèi)孔進(jìn)行加溫”加溫法進(jìn)行緊固以保障螺栓伸長(zhǎng)值。

（1）氧-乙炔火焰對(duì)螺桿內(nèi)孔進(jìn)行加溫裝置介紹及原理

在原廠家提供的工藝中球閥上游螺栓采用“氧-乙炔火焰對(duì)螺桿內(nèi)孔進(jìn)行加溫”的方法進(jìn)行螺栓緊固,主要由燃燒室、焊槍卡口夾套、加溫管等部分組成，焊槍卡口夾套和燃燒室均用1Cr18Ni9Ti不銹鋼加工，加溫管的材質(zhì)為3Cr19Ni4SiN不銹鋼。在進(jìn)行螺栓加溫緊固時(shí)通過接在焊槍卡口夾套上的焊槍將氧氣、乙炔按一定的比例充入燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，同時(shí)通過焊槍卡口夾套上設(shè)置的旁通管內(nèi)通入干燥壓縮空氣通過射流功效將燃燒的火焰從加溫套管吹至螺栓加溫孔底部，再?gòu)募訙靥坠芡鈧?cè)與螺栓加溫孔之間的間隙帶出從通氣孔內(nèi)排出，起到對(duì)螺栓加溫的作用?；鹧婕訙匮b置如圖2所示。

圖2 螺栓火焰加溫示意圖

（2）氧-乙炔火焰間接對(duì)螺桿內(nèi)孔進(jìn)行加溫存在的問題

1）由于在加溫過程中火焰通過加溫套管后再?gòu)奶坠芡鈧?cè)與螺栓加溫孔之間進(jìn)行燃燒加溫，比起沒有加溫套管的加溫方法溫度相對(duì)比較均勻，但加溫效率不高，且在加溫過程中加溫套管因受熱變形，套管與螺栓加溫孔之間間隙不均勻和火焰分布不均勻，火焰會(huì)集中在一側(cè)，導(dǎo)致螺栓局部受熱較大，極易發(fā)生相變及熱疲勞損傷，而且3Cr19Ni4SiN不銹鋼套管也經(jīng)常性損毀。目前此工藝已逐步淡出水電施工行業(yè)。

2）火焰加溫法是對(duì)螺栓加溫孔對(duì)應(yīng)部位全部進(jìn)行加溫，與螺母裝配部位也同時(shí)被加溫，由于螺栓與緊固螺母之間的溫度差導(dǎo)致螺栓熱膨脹量大于螺母，在施工過程中往往會(huì)出現(xiàn)螺栓伸長(zhǎng)值已達(dá)到但因螺母與裝配部位螺栓之間間隙過小而無法擰緊的狀況，只得待冷卻后重新進(jìn)行加溫，加溫的時(shí)間上不好控制，工期也無法精準(zhǔn)控制。

3）在《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》（DL439-91）第6.7.1條中指出：“裝卸螺栓時(shí)，用氧乙炔火把加溫中心孔會(huì)使局部孔壁產(chǎn)生熱損傷”，因此該導(dǎo)則在5.4.5.1中認(rèn)定：“氧乙炔火焰加溫的缺點(diǎn)是火焰溫度高，而且集中，容易造成加溫孔壁局部金屬過熱，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，長(zhǎng)期使用會(huì)降低螺栓的使用壽命，加溫孔壁容易產(chǎn)生裂紋，應(yīng)限制這種加溫方法的使用”。THP電站原廠家的施工工藝雖然采用加溫套管避免了火焰的過度集中，但還是用火焰直接加溫，屬于限制使用類。

4）THP電站此次球閥大修6臺(tái)機(jī)都要進(jìn)行大修，由于拆除后需返廠進(jìn)行修復(fù)，工期緊，為確保工期節(jié)點(diǎn)必須3臺(tái)機(jī)同時(shí)拆裝才能滿足工期要求，如采用氧乙炔加溫方法，現(xiàn)場(chǎng)勢(shì)必會(huì)存放大量的氧氣、乙炔，帶來較大的安全隱患。

3 球閥上游側(cè)與壓力鋼管把合螺栓緊固采用電加熱棒加溫的可行性研究

通過對(duì)球閥上游側(cè)與壓力鋼管把合螺栓緊固原工藝分析，火焰加溫的方法不可取，且電站業(yè)主為確保設(shè)備能長(zhǎng)期安全運(yùn)行，此次檢修對(duì)把合螺栓全部進(jìn)行更換，采用更先進(jìn)合理的施工工藝勢(shì)在必行。經(jīng)對(duì)目前國(guó)內(nèi)螺栓加溫工藝的調(diào)查，除氧乙炔火焰加溫法外通常采用電加熱棒加溫法和電磁渦流感應(yīng)加溫法。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn)電磁渦流感應(yīng)加溫法由于加溫感應(yīng)裝置體積較大，現(xiàn)場(chǎng)無法使用，決定采用電加熱棒法進(jìn)行加溫。

（1）球閥上游側(cè)與壓力鋼管把合螺栓結(jié)構(gòu)及伸長(zhǎng)值要求分析

球閥上游側(cè)與壓力鋼管把合螺栓總長(zhǎng)為：578 mm，加溫孔深度470 mm，加溫孔直徑為Φ25（0～+0.13） mm，扣除兩端螺紋段，中間部位長(zhǎng)度為：300 mm。螺母為M110×6，螺牙長(zhǎng)度為95 mm，總長(zhǎng)為170 mm，尾部配有M85的六方頭，可用扳手緊固，螺栓緊固后要求伸長(zhǎng)值為0.88 mm。螺栓及螺母加工圖如圖3所示。

圖3 螺栓及螺母加工圖

（2）電加熱棒的功率選擇

通過對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)、尺寸的分析及伸長(zhǎng)值的要求以及加溫時(shí)間的控制要求，同時(shí)考慮熱傳導(dǎo)過程中的損失等綜合因素，也咨詢了相關(guān)廠家在加熱棒外徑、長(zhǎng)度滿足現(xiàn)場(chǎng)要求的前提條件下能制作的加熱棒的最大功率，最終確定電加熱棒的功率選擇在5～6 kW之間。通過分析加熱棒功率在此區(qū)間內(nèi)可滿足施工要求。

4 球閥上游側(cè)與壓力鋼管把合螺栓緊固采用電加熱棒加溫的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

（1）第一次試驗(yàn)

根據(jù)螺栓加溫孔等相關(guān)尺寸，第一次由廠家試制了一根功率為6 kW，總長(zhǎng)為550 mm，外徑為24.70 mm，發(fā)熱工作段長(zhǎng)度為430 mm的加熱棒，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。第一次試驗(yàn)加熱棒外形尺寸加工圖如圖4所示。

圖4 第一次試驗(yàn)加熱棒加工圖

試驗(yàn)方法：將螺栓水平放置在鋼板上，將加熱棒放入加溫孔內(nèi)，兩端布置百分表，測(cè)量加溫時(shí)間和螺栓伸長(zhǎng)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 第一次試驗(yàn)加溫時(shí)間和伸長(zhǎng)量對(duì)比圖

試驗(yàn)結(jié)論：加溫時(shí)間20 min左右螺栓伸長(zhǎng)值達(dá)到1.2～1.4 mm，滿足螺栓緊固后伸長(zhǎng)值0.88 mm的要求，但加熱棒的尺寸設(shè)計(jì)不合理，加熱棒直徑偏小導(dǎo)熱效果沒有達(dá)到最佳，在加溫時(shí)間和螺栓伸長(zhǎng)值線性關(guān)系非理想狀態(tài)；加熱棒的發(fā)熱段過長(zhǎng)，加熱棒的發(fā)熱段已經(jīng)到螺栓尾端螺牙部分，這樣將會(huì)導(dǎo)致螺栓和螺母之間膨脹不同而咬死，而且根據(jù)螺母的結(jié)構(gòu)來看，在安裝螺母后尾端還需要延長(zhǎng)出75～80 mm，這樣加溫主要集中部位將在與螺母裝配段，不利于螺栓的拆除和安裝。

圖6 第一次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)圖片

（2）第二次試驗(yàn)

根據(jù)第一次的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)加熱棒的尺寸進(jìn)行優(yōu)化：將加熱棒的總長(zhǎng)度修改為573 mm，發(fā)熱段長(zhǎng)度從430 mm修改為320 mm，直徑修改為24.9 mm。由于發(fā)熱段縮短，加熱棒功率調(diào)整為5 kW。第二次試驗(yàn)加熱棒外形尺寸加工圖如圖7所示。

圖7 第二次試驗(yàn)加熱棒外形尺寸加工圖

第二在試驗(yàn)加熱棒到貨后用同樣的方法進(jìn)行了第二次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 第二次驗(yàn)加溫時(shí)間、溫度和伸長(zhǎng)量對(duì)比圖

試驗(yàn)結(jié)論：通過對(duì)加熱棒尺寸及發(fā)熱段長(zhǎng)度的調(diào)整，試驗(yàn)取得較好的成果，螺栓伸長(zhǎng)值滿足要求，加溫時(shí)間和螺栓伸長(zhǎng)值線性關(guān)系非常理想，而且新加熱棒符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的相關(guān)要求，試驗(yàn)取得成功，下一步將轉(zhuǎn)入實(shí)踐應(yīng)用階段。

5 球閥上游側(cè)與壓力鋼管把合螺栓緊固采用電加熱棒加溫的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

在經(jīng)過二次試驗(yàn)后，最終確定了電加熱棒的外形尺寸及相關(guān)參數(shù)，并與廠家訂制了一批電加熱棒用于THP電站球閥上游側(cè)與壓力鋼管把合螺栓的拆除除和緊固工作。

雖然在前期做了大量的研究和試驗(yàn)，但在實(shí)際應(yīng)用過程中還是出現(xiàn)了加熱棒燒損的問題，通過現(xiàn)場(chǎng)了解，損壞的加熱棒多發(fā)生在剛通電時(shí)段，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過分析導(dǎo)致加熱棒損壞的原因主要是螺栓加溫孔直徑為Φ25.00（0～+0.13） mm,是正偏差，而加工的加熱棒外徑為Φ24.85～24.9 mm之間，螺栓為水平安裝，在加熱棒初始階段，加熱棒與螺栓只有底部線性接觸，傳熱性能不好導(dǎo)致加熱棒本體溫度過高而損壞。在發(fā)現(xiàn)加熱棒損壞原因后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)：①在加熱棒上涂抹耐高溫導(dǎo)熱膏以增加初期傳熱效果。②在電加熱棒電源輸入端增加溫控裝置，在剛通電階段將工作電壓從220 V降至150 V，待加熱棒本體膨脹與螺栓加溫孔完全貼合后，再將電壓調(diào)至正常工作電壓。通過上述工藝改進(jìn)后，順利完成了THP電站6臺(tái)機(jī)球閥192顆螺栓拆除、回裝工作。

6 結(jié)語(yǔ)

目前天荒坪抽水蓄能電站球閥檢修工程已全部結(jié)束，球閥檢修質(zhì)量?jī)?yōu)良。在檢修過程中，通過對(duì)球閥與上游側(cè)壓力鋼管把合螺栓結(jié)構(gòu)、緊固伸長(zhǎng)值的要求進(jìn)行了研究，分析了原火焰加溫工藝存在的問題，對(duì)采用電加熱棒進(jìn)行螺栓緊固可行性進(jìn)行研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較理想的成果并成功實(shí)踐應(yīng)用，可供同類型工程參考借鑒。