陳漢輝,白久武,趙偉光,馮偉濤

(陸水試驗(yàn)樞紐管理局,湖北 赤壁 437300)

1 概 述

陸水水力發(fā)電廠裝有4臺(tái)10.1 MW的軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組和1臺(tái)2.3 MW混流式機(jī)組,總裝機(jī)容量為42.7 MW。四臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)S591-LH-300,轉(zhuǎn)輪直徑為3 000mm,設(shè)計(jì)水頭20m,最高水頭 26m,最低水頭 14m,額定流量62m3/s,機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為187.5r/min。

2008年9月在對(duì)3#機(jī)組進(jìn)行大修時(shí),發(fā)現(xiàn)該機(jī)組轉(zhuǎn)輪室汽蝕較嚴(yán)重,特別是轉(zhuǎn)輪中心線上下約500mm范圍的整個(gè)圓周上有一圈坑坑洼洼的汽蝕區(qū)域,汽蝕面積達(dá)到整個(gè)轉(zhuǎn)輪室面積的60%,汽蝕深度達(dá)到12mm以上,局部出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象。

軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的汽蝕主要是間隙汽蝕。它主要是由于水流通過轉(zhuǎn)輪室與轉(zhuǎn)輪的較小通道或夾縫時(shí),由于流速升高、壓力降低所產(chǎn)生的。在間隙汽蝕的作用下,轉(zhuǎn)輪室和葉片外緣等都將遭到破壞。汽蝕的后果是嚴(yán)重的,它不僅破壞機(jī)件,還會(huì)引起噪聲、振動(dòng)和效率下降,而且使大修周期縮短、工期延長(zhǎng)、檢修費(fèi)用增加。目前,在國(guó)內(nèi)外對(duì)轉(zhuǎn)輪室汽蝕的防護(hù)普遍采取的措施除了盡量避免機(jī)組在汽蝕區(qū)運(yùn)行外,再就是對(duì)汽蝕部位采取一些保護(hù)措施,如用不銹鋼焊條補(bǔ)焊、在轉(zhuǎn)輪室基面噴涂不銹鋼等。但這些措施仍然不能較好地解決問題,如用不銹鋼焊條補(bǔ)焊由于受施工工藝限制,焊渣難以完全清除干凈,焊條與焊接母材之間結(jié)合力差,經(jīng)過一段時(shí)間后,汽蝕仍然發(fā)生;基面噴涂不銹鋼雖然硬度、耐磨性及抗壓強(qiáng)度高,但噴涂層本身抗拉、抗剪切和抗沖擊能力低。

要較好地解決汽蝕問題,目前有資料可查的處理辦法除了新轉(zhuǎn)輪室材料采用特殊不銹鋼外,通常采用的辦法是:鑿除轉(zhuǎn)輪室鋼襯后面的一期混凝土,割除原來的鋼筋,拆除被破壞的鋼襯,重新選用特殊不銹鋼材料加工制作新轉(zhuǎn)輪室,新轉(zhuǎn)輪室安裝就位再澆筑,恢復(fù)鑿除部位的鋼筋混凝土。這種辦法雖然能基本解決問題,但要重新施工安裝,要投入巨大的人力物力,預(yù)計(jì)所需時(shí)間為一年左右,費(fèi)用特別高。因此,我廠經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較,提出了一種全新的處理方案即整體鑄造加工分瓣安裝的轉(zhuǎn)輪室整體更換方法。這種方法的成功實(shí)施,為國(guó)內(nèi)早期興建的水電廠轉(zhuǎn)輪室類似汽蝕問題的處理提供了新的思路。

2 方案簡(jiǎn)介

轉(zhuǎn)輪室高度為850mm,轉(zhuǎn)輪室上端面加強(qiáng)筋用螺栓與機(jī)組座環(huán)連接,下端面通過焊接與尾水錐管連接,而發(fā)生汽蝕的部位主要在轉(zhuǎn)輪室中部約500mm高度的整個(gè)圓環(huán)范圍內(nèi)。因此,我們的初步方案就是既考慮轉(zhuǎn)輪室安裝基準(zhǔn)予以保留,又要從根本上解決轉(zhuǎn)輪室汽蝕問題,決定將轉(zhuǎn)輪室易汽蝕部位整圓剔除,制作一個(gè)分塊轉(zhuǎn)輪室重新裝上替代剔除的已嚴(yán)重汽蝕部分。

3 剔除舊轉(zhuǎn)輪室汽蝕部位

由于汽蝕部位主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪室中部的球面位置,因此以水輪機(jī)座環(huán)水平面為基準(zhǔn),確定剔除部位的高度尺寸,再設(shè)計(jì)繪制出分塊轉(zhuǎn)輪室制作尺寸?？紤]到新轉(zhuǎn)輪室安裝的基準(zhǔn),舊轉(zhuǎn)輪室拆除時(shí)以水輪機(jī)座環(huán)水平面為基準(zhǔn)將轉(zhuǎn)輪室上部汽蝕不嚴(yán)重的部位 70mm予以保留,下部汽蝕不嚴(yán)重的部位150mm予以保留,采用氣刨設(shè)備將中間整個(gè)圓周高度620mm的汽蝕部位內(nèi)的鋼襯連同橫筋和豎筋全部拆除。具體拆除范圍見示意圖1。

圖1 拆除部位示意圖

拆除鋼襯后,鑿除鋼襯下的部分混凝土,鑿除混凝土的厚度既要保證新轉(zhuǎn)輪室的安裝尺寸,又不能破壞原轉(zhuǎn)輪室二期混凝土內(nèi)的鋼筋,我們選擇鑿除混凝土的厚度在150～170mm。

4 新轉(zhuǎn)輪室設(shè)計(jì)制作

經(jīng)過咨詢相關(guān)專家,我們委托西安奇峰能源動(dòng)力設(shè)備有限公司進(jìn)行新轉(zhuǎn)輪室的設(shè)計(jì)和加工。選用抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度較高的ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼材料鑄造。

為解決新轉(zhuǎn)輪室安裝難度大的問題,經(jīng)與設(shè)計(jì)及制造方研究共同制定轉(zhuǎn)輪室加工方案。先進(jìn)行轉(zhuǎn)輪室整體鑄造及熱處理,熱處理后的整體鑄件切割成四瓣,然后用把合螺栓把四瓣拼裝成整圓在數(shù)控車床上加工內(nèi)壁和上下平面。

在每一瓣把合螺栓連接縫附近,用線切割機(jī)割出4個(gè)100×150mm的把合螺栓連接安裝孔,在上下端面加工出V型焊接坡口。具體制作見示意圖2。

圖2 轉(zhuǎn)輪室加工示意圖

5 安 裝

安裝前,將舊轉(zhuǎn)輪室混凝土表面清洗干凈,上下兩端面打磨平整,在下端面適當(dāng)位置刨出安裝楔鐵的窄槽,在窄槽內(nèi)放入成對(duì)楔鐵,以備調(diào)整水平時(shí)用。

將每塊轉(zhuǎn)輪室部件吊入就位并依次用螺栓連接,以座環(huán)和舊轉(zhuǎn)輪室下部為基準(zhǔn),用轉(zhuǎn)輪室流線模型檢查,以保證分瓣新轉(zhuǎn)輪室平齊或略低于原轉(zhuǎn)輪室0.5mm左右,用千斤頂調(diào)整轉(zhuǎn)輪室中心和橢圓度。符合要求后,將楔入塊的立縫進(jìn)行分段分層焊接。調(diào)整高程時(shí)以底環(huán)為基準(zhǔn),用楔鐵調(diào)、鋼板尺測(cè)量,使轉(zhuǎn)輪室高程下偏差在-3mm范圍內(nèi),水平偏差在0.5mm內(nèi)。

上述粗調(diào)工序完成后,在上機(jī)架與錐管間安裝求心器,用內(nèi)徑千分尺來測(cè)量定子、底環(huán)中心,反求轉(zhuǎn)輪室中心,利用千斤頂和楔鐵來精調(diào),使中心、高程、水平誤差控制在允許范圍內(nèi)。符合要求后,將新舊轉(zhuǎn)輪室接觸面點(diǎn)焊固定。

6 轉(zhuǎn)輪室焊接、打磨

由于新舊轉(zhuǎn)輪室材質(zhì)分別為ZG06Cr13Ni4Mo、ZG25B,新舊轉(zhuǎn)輪室上下兩條連接縫采用異種不銹鋼207焊條施焊,新轉(zhuǎn)輪室螺栓連接安裝孔由于是同種材質(zhì),可用普通不銹鋼焊條施焊。為防止焊接過程的焊接變形,將上下兩端面需焊接部分分別劃分為20～30cm的小段,兩名焊工嚴(yán)格按照分步對(duì)稱跳步焊接法進(jìn)行分層焊接。用百分表監(jiān)視轉(zhuǎn)輪室內(nèi)圓尺寸變化。16個(gè)螺栓連接安裝孔中,在對(duì)稱的兩個(gè)連接孔邊緣預(yù)留 Φ 30mm灌漿孔,其余部位同樣按照分步對(duì)稱跳步焊接法進(jìn)行分層焊接。全部焊接完工后,用砂輪機(jī)將焊縫打磨平整。復(fù)查轉(zhuǎn)輪室中心、高程、水平,直至符合要求止。

7 混凝土澆筑

由于四瓣轉(zhuǎn)輪室與基礎(chǔ)混凝土之間有約150mm左右的間隙,必須澆筑混凝土以將水流對(duì)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁的壓力傳遞到基礎(chǔ)混凝土上。

為防止轉(zhuǎn)輪室鋼襯后面出現(xiàn)空心或蜂窩等,我們采用了壓力灌漿的方式進(jìn)行澆筑。澆筑過程中,在轉(zhuǎn)輪室不同方向架設(shè)百分表進(jìn)行監(jiān)視,調(diào)整控制灌漿壓力在2～3kg/cm2之間,保證轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁受壓不發(fā)生較大的變形。灌漿完成后,封堵灌漿孔并打磨。安裝、打磨、灌漿等工序完成后,可用模型進(jìn)行檢查,也可吊入轉(zhuǎn)輪體進(jìn)行檢查,保證槳葉與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁之間的間隙符合要求。

混凝土澆筑后即可進(jìn)行機(jī)組回裝,經(jīng)過一段時(shí)間凝固保養(yǎng)后機(jī)組就可正常開機(jī)發(fā)電。