張應超

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 概述

上馬相迪A 水電站位于尼泊爾西部GANDAKI地區(qū)馬相迪河的上游河段上，是一座以發(fā)電為主的徑流引水式水電樞紐工程，為馬相迪河上梯級開發(fā)的一級電站。電站單機25 MW，總裝機容量50 MW。水庫總庫容60.8 萬m3，庫沙比僅0.06，屬泥沙問題比較嚴重的水庫，死庫容44.6 萬m3，有效庫容7.6 萬m3，基本無調節(jié)能力。站址距首都加德滿都約180 km，壩、廠址距Besishahar 鎮(zhèn)分別為13 km 和8 km。電站主要建筑物由泄水閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和開關站等組成。

尼泊爾上馬相迪A 水電站首臺機組于2016 年9 月18 日投產，機組泥沙特性為1.494 kg/m3，2018 年汛后機組過流部件檢查，發(fā)現轉輪葉片磨損嚴重，存在貫穿延展性裂紋，于2019 年年初對機組轉輪、導水機構、止漏環(huán)等部件進行更換，并采取了碳化鄔表面噴涂工藝，提升過流部件耐磨性能，2021 年遭受馬相迪河流域5 年一遇洪水，檢測到來水最大含沙量達27.35 kg/m3，河道高含沙量洪水倒灌入尾水渠內，經尾水管與375 r/min 額定轉速下運行的轉動部位共同作用，導致過流部件及座環(huán)、尾水管等埋件磨損嚴重。

2 磨損程度分析

2.1 座環(huán)磨損情況分析

對機組轉動部件拆除后，座環(huán)進行清理觀察與測量，座環(huán)與轉輪下環(huán)配合的立面及底面均呈不規(guī)則磨損缺口狀，座環(huán)外圍混凝土露出。運行中的轉輪夾帶高泥沙含量的尾水水流做高速渦流運動，泥沙隨著渦流對與轉輪小間隙（1.0 mm）配合的座環(huán)面產生持續(xù)高速磨蝕，直至磨穿，并持續(xù)磨蝕座環(huán)外圍灌漿體及混凝土結構，檢查座環(huán)外圍非過流部位肋板完好。

座環(huán)與下止漏環(huán)把合面內圈磨損缺失，圓周呈不規(guī)則導角狀，外圈因下止漏環(huán)抵擋了泥沙沖蝕，無磨損。詳細尺寸如圖1、圖2 及表1。

表1 座環(huán)立面磨損測量尺寸單位：mm

圖1 座環(huán)磨損部位測量圖

圖2 座環(huán)立面磨損測量展開圖

2.2 尾水管磨損情況分析

尾水管為上小下大錐管型式，按照埋件安裝工藝設計，分為上錐管（不銹鋼材質）及下錐管（普碳鋼材質，配尾水管進人門），尾水管內泥沙淤積至轉輪底部2 m（與尾水渠內泥沙淤積高度持平），上錐管完全被沖刷磨穿，并從焊縫處撕裂，外圍混凝土結構鋼筋外露，混凝土沖刷深度達150 mm，清理完尾水管內淤積的泥沙后，對下錐管管壁厚度進行測量，管壁厚度平均為10.5 mm，較原12 mm 厚設計值磨薄1.5 mm，尾水管下錐管進人門孔位置因縫隙處渦旋沖刷導致門板導流內板磨損穿孔。

從尾水管磨損程度分析，越靠近轉輪的過流部位，磨損越嚴重，底環(huán)、頂蓋、活動導葉、轉輪葉片同樣磨損嚴重，碳化鄔耐磨涂層均磨損，活動導葉上游側部位無明顯磨損痕跡，符合磨損發(fā)生原因的分析，高泥沙含水量是由下游尾水側反向倒灌，泥沙隨轉輪高速旋轉產生的渦流高速移動磨蝕，泥沙到達的位置充滿整個轉輪室，在固定導葉處與上游1.2 MPa發(fā)電用水水流發(fā)生持續(xù)性抵充稀釋，形成不同泥沙量水流邊界，尾水渠內淤積的大量泥沙受河道大洪水及尾水渠消力反坡結構影響，無法沖刷排出，高泥沙水流在轉輪室渦旋反復均衡磨蝕，機組振擺未發(fā)生明顯變化，直至尾水管埋件及混凝土磨穿滲水才被發(fā)現，立即停機處置。

3 修復方案

3.1 尾水管修復方法

尾水管上錐管受到嚴重磨損，需按照機組大修拆機工藝對機組進行拆解，并修復尾水管及其附件等受損埋件。

上錐管磨損撕裂，且外圍混凝土磨損露出鋼筋，無法采取補丁加強措施進行修復，故采取整體更換修復的方法，對破損的尾水管上錐管進行分割拆除，對磨損的鋼筋混凝土進行修鑿清理，鑿除附著力不足或已開裂的混凝土體，修鑿面采取清水全面清洗晾干，采取化學植筋工藝在混凝土內均勻植入螺紋鋼筋，作為后期提升新混凝土與舊混凝土結合力的措施，同時新安裝的尾水管上錐管與化學植筋進行點焊固定，提高新尾水管上錐管穩(wěn)定性能，考慮尾水上錐管距離轉輪較近，日常發(fā)電沖刷磨損量也較大，故本次修復用新上錐管加厚至20 mm（原設計12 mm），尾水管上錐管上端口與座環(huán)采取環(huán)焊縫剛性連接，下端口與下錐管上端口連接，接口部位采取加強措施提高薄弱部位強度，下錐管的薄弱部位在上端口，實測厚度在9~10 mm 之間，故在此處采取布置加強板措施，提高下錐管及上、下錐管接口部位強度。

為確保尾水管上錐管穩(wěn)定性，安裝焊接工藝完成后，在尾水管上錐管上端口預留澆筑孔，考慮后期澆筑孔封堵安裝、焊接工藝實施需要，將澆筑孔設計成方形單邊30°坡口狀，方形澆筑孔配備與錐管內部同弧度的弧形蓋板，蓋板中間預留灌漿孔及絲堵，便于最后對上部無法填筑部位進行接觸灌漿。

上、下錐管對接部位采取均分的12 塊弧形板組圓拼裝加固，弧形板外圈弧度與上下錐管對接部位內圓弧度一致，保證貼板安裝時與錐管貼合，弧形板上下長邊加工成直角邊，安裝后直角邊與尾水管對接焊接呈角焊縫平滑過渡外觀，弧形板左右短邊加工成單邊30°坡口形，對接組圓貼板安裝固定后，對坡口實施焊接工藝滿焊，并將焊縫余高打磨至平滑過流面狀，按照尾水管厚度小于10 mm 的部位均采取貼板加強措施的原則，共布置2 層貼板，為盡可能減小對尾水管內部渦流影響，選用厚度為10 mm，采用與下錐管相同的普碳鋼材質。

尾水管下錐管進人門內側導流板磨損較嚴重，采取更換新導流板方法進行修復，導流板在工廠內卷制成形，現場進行配裝焊接修復。

3.2 座環(huán)修復方法

座環(huán)與轉輪間隙配合部位磨損嚴重，存在整圈磨損缺失情況，且內部混凝土及灌漿體均出現不同程度磨損，座環(huán)作為整臺機組的安裝基準部件，整體替換修復座環(huán)代價過大，工程量巨大，經過對磨損部位外觀進行分析，對磨損部位邊界進行工藝修割平整，可采用局部修補替換的修復思路進行設計，故采取局部修整清理，精準測量放樣，同步測量數據至工廠開展瓦片制作，現場進行拼裝、焊接的方法，對座環(huán)磨損部位進行修復。

座環(huán)安裝下止漏環(huán)的承臺面，經現場檢測，原103 mm 寬的法蘭面從內圈磨損，剩余42 mm 寬度外圈法蘭面完好，考慮以完好的法蘭面為基準面，將內圈剩余鋸齒狀磨損部位進行切割并修磨平整，法蘭面總厚度40 mm，上表面修割單邊10 mm×30°坡口，反面修割7 mm×45°單邊坡口，詳見圖3，保障與內圈法蘭板組拼焊接熔深。因內圈新法蘭圈廠內制作，為便于跨境運輸，防止發(fā)生大尺寸變形，采取對半分瓣出廠，現場組拼安裝。法蘭面上的密封槽取消，將密封槽反向設置于下止漏環(huán)底面，保證了裝配面密封性能。

圖3 座環(huán)基礎環(huán)板修割圖

座環(huán)與轉輪下環(huán)外緣間隙配合的立面部位存在嚴重磨損，按照基礎板相同的修復思路，對磨損部位進行修割打磨，測量精準數據，對接加工廠進行瓦片下料制作，考慮到座環(huán)背部均布10 個加強肋板的結構特點，且10 個加強肋板均無明顯磨損，為提高瓦片安裝后的修復強度與穩(wěn)定性，將圓周瓦片等分為10 份，每塊瓦片四邊均加工成單邊30°的坡口型式，安裝調整定位完成后進行滿焊打磨，完成修復。

座環(huán)立面修補用瓦片中間部位預留灌漿孔及絲堵，瓦片組圓安裝焊接完成后，對瓦片背部進行接觸灌漿，保證修復后座環(huán)穩(wěn)定性。為提高此部位耐磨性能，選用不銹鋼材質制作下料，選用不銹鋼焊條進行焊接。因此部位與轉輪配合間隙為1.0 mm，且軸向間隙應保證均勻，否則不利于機組運行過程流態(tài)穩(wěn)定性需要，故單體瓦片采取支撐加固方式進行固定，安裝固定完成后統(tǒng)一切除修整。

3.3 主要技術要求與注意事項

（1）尾水錐管過流面的焊縫須打磨光滑，流道內的焊縫應做PT 檢查，并符合NB/T 47013.5-2015《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》[1]標準Ⅱ級要求。

（2）上尾水錐管外表面應按10 根/m2布置錨桿，并與錨桿焊接固定。

（3）尾水管上錐管分半面處須設置長錨桿打入混凝土內，與錐管焊牢將其固定。

（4）根據現場情況配割尾水管進人門外補強板并割制焊接坡口，貼緊補強板與錐管后進行施焊。

（5）尾水管上錐管凡與混凝土接觸的部件表面應涂水泥涂料。

（6）澆搗混凝土前，尾水管上錐管均須用撐桿支撐，以防變形。

（7）澆搗尾水管上錐管里襯部分的混凝土，保證灌漿板可以放進去的前提下，盡量將混凝土澆搗到頂部位置。

（8）尾水管下錐管貼板修復中，按照廠家圖紙，采取上下分段（每段高度不超過100 mm）、圓周方向分塊（每塊弦長約485 mm）的方式。

（9）尾水管下錐管貼板焊接時，錐管須用撐桿支撐，確保內板與錐管貼合緊密，焊接縱縫應錯開。

（10）對于尾水進入門外補強加固，采取廠內整體成型，Φ650 孔割下弧板作為進入門板?，F場根據尾水管進入門實際情況配割成數塊后貼于進人廊道處錐管外側，并根據實際情況采取單邊V 型、雙邊V 型坡口焊接及塞焊，割制焊接坡口，焊接時應加足夠的支撐以防止變形。

（11）座環(huán)基礎環(huán)內環(huán)廠內分兩半制作，每半整體下料，不允許拼焊。

（12）座環(huán)基礎環(huán)內環(huán)分半面組拼工地焊縫焊接后應做PT 檢查，并符合NB/T 47013.5-2015《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》標準Ⅱ級要求。

4 修復實施布置及成效

4.1 尾水管修復實施步驟

（1）尾水錐管外表面安裝有較多拉筋，且防水翼環(huán)與混凝土結合緊密，采用等離子切割機及碳弧氣刨方法，將錐上里襯（不銹鋼材質）部分分割成小塊瓦片，采用電動錘擊震動方法，將鋼里襯與混凝土剝離后分塊拆除，與新錐管搭接部位修磨呈平整坡口。

（2）對已經拆除的錐管里襯四周混凝土進行鑿除，按照錐管外形邊線，周邊鑿除空間為200 mm（座環(huán)基礎環(huán)板設計寬度為531 mm）。為保護座環(huán)及蝸殼下部混凝土結構完整，保護原基礎混凝土結構，采用小能量電鎬工具進行鑿除，鑿除過程原基礎暴露的鋼筋及預埋傳感器管路均保留原樣不得破壞，鑿除完成后使用高壓水進行沖洗，清理露出的鋼筋，去除表面銹蝕和殘留混凝土，便于新里襯錨筋及拉緊器的焊接固定。

（3）使用沖擊鉆鉆孔，鉆孔直徑32 mm,水平徑向鉆孔，鉆孔深度從鋼板外側算起350 mm，用刷子、檢修壓縮空氣及高壓水進行清孔干燥后植入鋼筋，鋼筋采用二級螺紋鋼, 直徑25 mm,鋼筋長度450 mm。

（4）使用吊帶用主廠房橋機吊裝錐管瓦片至尾水工作平臺，利用手鏈葫蘆和吊帶對里襯進行位置調整，為保證新里襯與座環(huán)基礎環(huán)板的對接尺寸，安裝時若里襯長度偏大，對下部與切口對接部位進行修割。逐節(jié)安裝3 瓣錐管上里襯，每安裝完成1 瓣瓦片，將瓦片使用拉緊器與混凝土植入的鋼筋進行搭接焊接固定。上下里襯與座環(huán)中心軸線同軸度達到規(guī)范要求后，開展瓦片對接縱縫焊接，再進行與座環(huán)對接環(huán)縫焊接（采用CO2氣體保護焊施焊）最后完成與錐管下里襯對接環(huán)縫及貼板對接焊縫焊接。所有焊縫在混凝土澆筑前完成[2，3]。

（5）通過搭設斜滑槽往上里襯內澆筑細石混凝土，澆筑過程使用軟軸式振搗器對混凝土進行振搗勻實，澆筑完成后，將澆筑孔邊緣打磨清理干凈，待混凝土等強合格后，回裝焊接澆筑孔瓦片。

（6）通過錐管上部預留的澆筑孔板上的灌漿孔，對尾水錐管進行接觸灌漿[4]，采用敲擊檢查，確保無空洞回聲為合格。

（7）灌漿完成后采取脫空位置查找、鉆孔、清掃、灌漿嘴安裝、備料、灌漿、閉漿、待強后檢查、灌漿嘴封堵的工藝順序，確保灌漿質量。

（8）脫空位置查找：使用錘擊聽音法檢查脫空位置，確定脫空位置，并對脫空位置進行標記。

（9）鉆孔：在一個脫空范圍內標記鉆孔位置，每個脫空位置至少保證2 個孔，對于范圍較大區(qū)域需要鉆多個孔，約間距500~700 mm 長度位置鉆孔，鉆孔深度沒過鋼管壁，孔直徑10~12 mm，并能看見混凝土面；鉆孔時，選用合適鉆頭，并需要對鉆頭進行降溫冷卻。

（10）清掃：使用低壓氣吹掃，清理灌漿孔內鐵屑等雜物，氣壓低于灌漿壓力0.1 MPa。

（11）灌漿嘴安裝：根據鉆孔直徑制作灌漿嘴（銅管+軟管，部分區(qū)域需要使用帶孔墊板，在墊板上粘連銅管和軟管，再將墊板粘連到灌漿口上），使用環(huán)氧樹脂將灌漿嘴粘連在灌漿口上，粘連時保證灌漿嘴和灌漿口通暢，環(huán)氧樹脂待強12 h 后，檢查灌漿嘴與灌漿口粘連強度。

（12）備料：灌漿材料、灌漿設備就位（配料前檢查灌漿機完好，可以上電加水運行灌漿機）；灌漿材料配料，組份A、組份B 按1∶2 配料；使用慢速攪拌器攪拌，攪拌時間控制在5 min，不宜過長或者過短。

（13）灌漿：灌漿設備連接灌漿嘴軟管，并用鐵絲綁扎牢固；一人操作灌漿機，一人加攪拌均勻的灌漿材料，確保灌漿壓力0.1 MPa;灌漿時，從底部灌漿嘴進行灌漿，頂部灌漿嘴出漿。

（14）閉漿：待頂部灌漿嘴出漿后，立即對頂部灌漿嘴進行封閉，并綁扎軟管，防止流漿，再使用灌漿機保壓0.1 MPa 5 min，結束該孔灌漿，拆除灌漿機接口，再對該灌漿嘴進行封閉，結束該孔灌漿。

（15）待強后檢查：完成灌漿工作12 h 后，敲擊檢查是否存在脫空，若存在重復以上步驟。

（16）灌漿嘴封堵：檢查灌漿部位填實后，進行灌漿嘴封堵，使用堵頭、堵絲對灌漿口進行封堵，再進行焊接，焊縫打磨光滑即可。

（17）其他脫空位置重復以上步驟，待全部脫空位置灌漿后，結束該部位灌漿工作。

4.2 座環(huán)修復實施步驟

（1）以座環(huán)與下止漏環(huán)配合的立面為基準面，按照42 mm 環(huán)向等間距控制尺寸，將磨損呈鋸齒狀的基礎環(huán)板內圈進行切除，并在加工廠定制與此尺寸配合的內環(huán)。

（2）通過將定制的內環(huán)與座環(huán)基礎環(huán)焊接連接方式，實現基礎環(huán)磨損部位修復。焊接過程采取定位板、二保焊、對稱分段退步跳焊等防變形措施，焊前編制焊接作業(yè)指導書，嚴格把控焊接工藝。

（3）減少焊接對座環(huán)基準造成的變形。焊接完成后需將上表面裝配面焊縫余高進行打磨平整，后期與止漏環(huán)配裝時，考慮修復后此平面為非機加工面，裝配后的縫隙采取環(huán)氧樹脂膠進行灌注填充，防止縫隙過水空蝕。

（4）采用樣沖，將磨損部位制造焊縫進行標記，采用手持式切割設備，順著標記將磨損的座環(huán)過流部位平整切除，并采用磨光工具進行修磨。清理被沖刷開裂的表層混凝土，并灑水濕潤，采用干硬性水泥將磨損缺失的部位進行粗填充，填充高度不得影響瓦片安裝。

（5）以安裝部位的下部分立面為參照控制基準，逐片配裝瓦片，過程中采用弧形樣板檢查，將10 塊環(huán)板安裝就位，并點焊固定，最終采用外徑千分尺，并以座環(huán)中心軸線為基準進行復驗，確保滿足設計及規(guī)范要求后，對瓦片增加焊接防變形支撐等措施進行組焊，對接環(huán)縫按照環(huán)板分成10 份，兩個焊工對稱、分段、退焊、跳焊的順序進行施焊，首先焊接一層一道，逐個焊接環(huán)板對接立縫，按照先縱縫后環(huán)縫順序焊接，將角縫、環(huán)縫按照環(huán)板分成10 份，兩個焊工按照對稱位置、分段退焊、跳焊的順序進行施焊，每個環(huán)板與筋板對接處預留灌漿排氣孔，焊接采用CO2氣體保護焊。

（6）每塊座環(huán)修復瓦片上均預留了灌漿孔，通過灌漿孔，對瓦背進行灌漿處理，工藝與尾水管灌漿工藝一致。

4.3 修復成效

尼泊爾上馬相迪A 水電站1 號機組修復工作于2021 年8 月開始，2021 年10 月17 日全部完成，機組并網發(fā)電；2 號機組修復工作于2021 年10 月18 月開始，2021 年12 月10 日機組一次順利并網發(fā)電。機組投運后經過負荷運行、甩負荷運行及不同轉速下運行狀態(tài)等各項試驗檢測，機組運行平穩(wěn)可靠，在設計出力狀態(tài)下長期運行平穩(wěn)，尾水錐管運行正常，長期運行后錐管處無任何滲水或異常振動，金屬結構及混凝土回填灌漿等處理效果得到實踐驗證，修復效果良好。2022 年3 月、7 月及9 月份對機組進行了過流部件檢查，2023 年3 月對機組進行了年度C 級檢修，經檢查測量，機組過流部位埋件無空鼓、無變形等任何異常情況，尾水管厚度測量無變薄趨勢，驗證了采用的修復方案切實有效，施工質量可靠，達到了修復預期目的。

5 結語

水輪機埋件磨損在所有水電站都不同程度存在，只是輕重程度不同，針對此類問題，應本著早發(fā)現早處理的原則，盡早開展修復，磨損程度越小修復難度越小，對機組運行性能影響也較小。采取局部替換方法進行修補，可針對性采取耐磨材料或表面硬度處理工藝，對易磨部位進行強化處理，能有效減少機組的磨損程度、檢修率及運行維護成本。