水轮机止漏环脱落原因分析及处理

成 安

(安康水力发电厂，陕西省安康市 725000)

摘 要：安康联营水电站水轮机下固定止漏环运行中发生了脱落现象。文章从机组设计、制造安装、设备运行3个方面分析了水轮机止漏环脱落的原因；介绍了水轮机下固定止漏环修复处理的工艺和措施。经处理后，机组运行状况良好，各项指标均符合规范要求。关键词：止漏环脱落；结构设计；机组振动;水电站

1 止漏环脱落概况

安康联营水电站安装1台52.5MW的水轮发电机组，其水轮机型号为HLD85-LJ-300，设计水头为73.7 m，设计流量为82 m3/s,转轮直径为3 000 mm,其止漏环型式为间隙式。机组于1991年12月投运，20多年来，水轮机运行正常，未发生过大的故障。2016年4月1日，联营电站机组开始B级检修，4月6日，检修人员进入尾水管检查发现，转轮下环外侧与基础环之间有一金属物(如图1所示)，初步分析判断该金属物为脱落的下固定止漏环。经进一步检查，下固定止漏环脱落长度约为其周长的一半，脱落的止漏环悬在转轮下环和水轮机基础环之间，如图2所示。

图1 转轮下环外侧与基础环之间照片

图2 脱落的止漏环照片

2 止漏环脱落原因分析

引起止漏环脱落的因素比较多，既有设计、制造安装原因，也有运行方面的原因[1]，主要有以下几个方面。

2.1 设计方面原因

固定止漏环与顶盖或底环的连接固定方式主要有2种，一种是止漏环靠机械力顶压与顶盖或底环贴合后将两者焊接连在一起，该结构型式焊接量较大，焊接变形容易导致工件形状和尺寸的变化，止漏环焊接后需要再次进行机加工。大型水轮机为了提高止漏环与顶盖或底环的连接强度，除焊接外，还均布几排径向螺钉加以固定[2]。另一种是采用过盈配合的方式，先将固定止漏环焊成一个整环，在两者有一定过盈量的情况下利用冷套工艺，即使用液氮或干冰等冷却介质将固定止漏环冷却，通过冷却使固定止漏环尺寸缩小，从而使原来的过盈配合变成间隙配合，这样就可顺利完成套装作业，待止漏环恢复正常温度后，止漏环就可以靠过盈配合紧紧地贴合在顶盖或底环上[3-5]。

安康联营水电站水轮机下固定止漏环与底环的连接固定采用的是第1种方式，底环与下固定止漏环配合尺寸为Ø

)mm,为间隙配合。这种止漏环和底环的连接固定方式远不如第2种方式好。第2种方式采用过盈配合，止漏环和底环贴合紧密，相互之间无间隙，贴合面各点均受力，即面受力，止漏环与底环之间的结合力为冷热变形产生的内应力，二者结合力强大，受力均匀性、整体性明显好于第1种方式。安康联营水电站水轮机下固定止漏环与底环贴合面存在间隙，两者之间无过盈配合产生的强大紧固力，也没有设计安装径向紧固螺钉，只靠上下环焊缝连接，受力情况为线受力，两者的紧固力、受力面积的大小、受力的均匀性都受到大幅度消弱。从底环装配图纸(图3)看，底环与止漏环之间只有下部有焊接符号，下部焊接符号表示焊缝为脚高10 mm的角焊缝，上部无焊接符号。实际情况是，止漏环上部与底环之间也有1圈环焊缝，但焊接量很小，只是随意焊了1圈，焊缝不连续，二者之间连接的上下环焊缝都很薄弱，连接强度严重不足。

2.2 制造安装方面原因

止漏环下部环焊缝存在坡口尺寸小、不符合图纸要求的问题；上下环焊缝均存在加渣、未熔合等焊接缺陷，使设计本来就非常薄弱的焊缝更加脆弱，下固定止漏环和底环的连接强度进一步降低。

图3 底环装配图 单位：mm

2.3 运行方面原因

由于调度安排、水头变化、机组启停有过渡过程等原因，水轮机不可能一直处于最优工况下运行。当水轮机偏离最优工况运行时，水轮机转轮进口的水流不再是无撞击进口，有撞击和脱流现象。转轮出口的水流不再是法向出口，而是带有圆周速度分量，水流在尾水管内做旋转运动，在尾水管中心形成漩涡。因非最优工况时转轮出口的水流是非对称的，导致尾水管中产生螺旋状不稳定的空腔涡带，空腔涡带使尾水管内发生周期性低频压力脉动，从而激起尾水管壁、转轮、基础环、底环等部件的振动。水轮机运行偏离最优工况越远，产生的振动越剧烈。当压力脉动频率接近过流部件的固有频率时，就可能出现水力共振[6-8]。这样，底环和下固定止漏环既受压力脉动的影响又受水力振动的影响，止漏环焊缝承受交变应力的作用，长时间作用就会产生疲劳破坏，导致焊缝开裂，进而使止漏环脱落。

综上所述，下固定止漏环与底环连接结构设计不合理是造成下固定止漏环脱落的主要原因，制造安装质量不良是其次要原因，机组运行中产生压力动脉振动是诱因。

3 止漏环脱落处理措施

3.1 部件的起升

根据其他水电厂的经验，底环上的固定止漏环损坏后修复时应将底环吊出机坑，需要在机组A级检修中进行。由于机组A级检修拆卸部件很多、拆卸工作量大、工期长，而且之前没做A级检修的各项准备工作，不具备开展A级检修的条件，只能按仅分解水轮机部分、底环在机坑内起升一定高度进行修复的方案执行。在起吊底环前需要先将水导轴承、控制环、顶盖、导水叶等部件分解吊起，其中顶盖、导水叶分解起升工作量最大。按照常规，应将每个拐臂、套筒、导水叶分别拆除、吊起，然后再起升顶盖，但是，分解回装24个导叶工作量太大，需要十几天时间，为了缩短检修工期，减少拆装工作量，采用将导叶、套筒、拐臂等部件和顶盖一起顶升的方法[9]。

3.1.1 顶盖等部件的起升

先将控制环、水导轴承等部件起吊到一定高度并固定在下机架上，拆除主轴密封、接力器活塞等影响顶盖起升的部件。

起升顶盖时，先用4个32 t的螺旋千斤顶进行顶升操作，操作时4个千斤顶在统一指挥下同时起升，开始时每次起升5 mm,每次起升后测量调整一次8个方位的起升高度，以保证顶盖在起升过程中基本保持水平。顶盖起升到120 mm、导叶下轴颈全部出轴套后，改用手拉葫芦起升，每起升20 mm检查一次顶盖水平和中心位置，测量各个方位起升高度，根据测量数据、手拉葫芦受力情况适当调整，使顶盖水平和中心位置基本不变。起升过程中还应注意检测顶盖与转轮之间间隙，不能让顶盖与转轮之间的上止漏环过分摩擦。为了顶盖的顺利起升、限制顶盖水平方向位移，加装了6根M42 mm的导向螺杆。由于起升部件质量较大，约36 t，而起升用的手拉葫芦单个起重量只有10 t，单个手拉葫芦不能承受整个起升部件的重量，为防止在起升过程中手拉葫芦出现链条断裂等故障造成单个手拉葫芦受力，将顶盖通过钢丝绳连到桥式起重机主钩上，该钢丝绳作为安全保险绳。 当起升至合适高度时，停止起升，使用手拉葫芦调整顶盖整体水平，然后将顶盖加钢管支撑并固定好。

3.1.2 底环的起升

底环的起升采取先用顶丝顶升一定高度再用手拉葫芦起升的方法。先拆除底环与基础环连接螺栓和定位销，清除底环与座环配合间隙中的杂物，用4个M48 mm顶丝将底环缓慢顶升，顶升20 mm后改用手拉葫芦起升。在下固定止漏环未出下转动止漏环之前，注意监测调整底环的水平和中心位置，以免固定止漏环和转动止漏环相碰和卡阻。底环起升高度以高出转轮上冠上平面600～800 mm为宜，便于工作人员站在转轮上冠上处理止漏环。

3.2 下止漏环的处理

总体方案是去除旧止漏环，更换1个新加工的止漏环，新止漏环内外径尺寸保持原尺寸不变，为便于止漏环上部与底环焊接，高度尺寸由原来的160 mm变成120 mm。加大止漏环与底环下部角焊缝的尺寸，焊缝脚高由原来的10 mm增加到15 mm；增加上部角焊缝，其脚高为15 mm。新止漏环分成4瓣，以便运输及安装。

采用碳弧气刨将旧止漏环焊缝进行吹刨，注意防止底环变形以及损伤其过流表面，将旧止漏环切割成8段取出。对底环与止漏环配合的内圆基面进行打磨，要求表面平整光滑、见金属光泽。

新止漏环就位于底环相应位置，用C形夹将止漏环加紧，并用塞尺检查其外侧圆柱面与底环的间隙合格，先点焊固定。用圆弧型模板检查止漏环形状和尺寸，尺寸检查合格后进行定位焊。定位焊前应采用氧-乙炔烤枪进行预热，预热温度达到要求后进行定位焊。每瓣止漏环坡口定位焊长度150 mm，深度15 mm，定位6段；角焊缝定位长度150 mm，焊脚15 mm，定位6段。定位焊完成后，用模板检查装配尺寸，合格后进行正式焊接。正式焊接前对待焊区域进行清理和预热，预热温度≥70 ℃，满足要求后进行焊接。焊接时采用多层、多道、分段、退步焊接方法，焊接层间温度控制在250 ℃以内，每焊一层均用风铲进行锤击，以消除焊接应力和防止产生焊接裂纹，焊接顺序由中间向两端合缝处，环焊缝焊完后焊合缝立焊缝[10-12]。焊条选用Ø4 mm E309L焊条，焊接参数如表1。

表1 焊接参数表

焊接方法电流极性焊条直径/mm平焊电流/A横焊电流/A立焊、仰焊电流/A电压/V手工焊DC-RP4．0120～160110～150110～15024～28

装焊完成后对止漏环内圆用模板进行检测，结合检测情况对止漏环内表面进行打磨，表面粗糙度符合图纸要求。

由于转轮下止漏环运行中与脱落的固定止漏环碰撞摩擦，其外圆磨出多个深度不同的沟槽，需对其进行打磨，使表面粗糙度达到图纸要求。

4 止漏环处理后的运行情况

止漏环处理和机组B级检修结束后，机组于2016年5月投入运行，机组运行状况良好，各项指标均符合规范要求，其运行稳定性参数见表2。

表2 机组运行稳定性参数表

水头/m负荷/MW水导摆度/mm上导摆度/mm上机架振动/mm水平垂直下机架振动/mm水平垂直水平振动/mm水平垂直尾水管压力脉动/kPa67．66480．200．060．010．010．010．020．020．011．6

5 结 语

(1) 止漏环与底环连接结构设计不合理是止漏环脱落的主要原因。

(2) 止漏环损坏后修复困难，设备拆装工作量巨大,检修工期很长，特别是下止漏环。因此，止漏环连接结构设计应引起重视，大型水轮机止漏环与转轮、顶盖、底环等部件的配合应采用过盈配合，以增加其连接强度；中型水轮机止漏环采用间隙配合时，焊缝应有足够的焊接熔敷金属量，保证焊接连接强度。

(3) 带导叶和套筒等部件起升顶盖的方法切实可行，这种方法可大大减少拐臂、连杆、套筒、导叶等部件的拆装工作量，从而大幅度节约检修工期，值得推广。

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Cause Analysis and Handling of Falling of Leakage Stop Ring for Turbine

CHENG An

(Ankang Hydropower Plant, Ankang, Shaanxi 725000,China)

Abstract：The fixed leakage stop ring under the turbine of Ankang Hydropower Plant falls off during operation. Causes for the ring falling are analyzed in terms of the unit design, manufacturing, installation and equipment operation. Technology and measures for repairing the ring falling are introduced. After the ring is handled, the unit operates well and indexes satisfy requirements.Key words:falling of leakage stop ring; structural design; unit vibration; hydropower station

文章编号：1006—2610(2016)06—0062—04

收稿日期：2016-08-23

作者简介：成安(1964- )，男，陕西省安康市人，副总工程师，工程师，主要从事水轮发电机组检修技术工作.

中图分类号：TK730.8

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.016