水电站过流部件修复改造

1概述沙湾水电站位于四川省凉山州木里县境内，是木里河干流（上通坝～阿布地）水电规划“一库六级”的第三级电站，上游与卡基娃梯级相接，下游接俄公堡梯级。

工程开发任务为发电，兼顾下游生态环境用水，电站采用低闸引水式开发，具有日调节性能，电站总装机容量240MW，装设4台单机容量60MW 立轴混流式水轮发电机组，多年平均发电量12.711亿kW·h，于2012年10月20日前建成供四川省电网。

沙湾电站闸址位于木里河干流瓦郎沟沟口下游约1.5km处，控制集水面积6813km2。

厂址位于木里河干流沙湾大桥下游约1.5km，控制集水面积7522km2。

沙湾水电站为HLA351-LJ-305立式混流式水轮机，与SF60-18/5500悬式水轮发电机直联，其主要参数：额定水头：220m额定转速：333.3r/min额定容量：80MVA额定功率：60MW额定电压：10.5kV额定电流：4399A飞逸转速：558r/min机组安装高程：2309m河流多年平均流量：103m3/s年平均含沙量：0.854kg/m3天然汛期多年平均含沙量：1.10kg/m3年平均过机含沙量：0.561kg/m3中数粒径：0.033mm过机泥沙中莫式硬度大于或等于5的硬矿物含量：1.0%～2.0%。

表1为过机悬移质颗粒级配表。

表1年过机悬移质颗粒级配表根据沙湾水电站的泥沙资料[1]，本电站的过机泥沙含量较重。

沙湾水电站水头范围在218.00~257.60m，正处于大中型混流式水轮机的典型运用水头范围内。

木里河悬移质矿物成分中以莫氏硬度小于5的软矿物为主，绿泥石、绢云母、黑云母、碳酸盐、钛铁矿等占了98%以上，莫氏硬度大于5的硬矿物为石英、长石，约占1.0～2.0%。

整个水电站由中国电建集团成都勘测设计研究院设计，四川二滩国际有限责任公司监理，东风电机有限公司提供制造安装的水轮发电机组。

23号机组A修前运行及缺陷状况沙湾水电站自2012年9月份发电至2014年已经安全运行3年之久，经历了三次年度计划性C 修，进行了消缺维护及技术改造工作：对导轴承密封盖改造[2]，解决了导轴承油雾外漏、甩油问题；水车室踏板改造；漏油箱油位标尺改造；检修排水泵改造。

沙湾水电站是木里河流域最早投入商用的电收稿日期：2017-09-18作者简介：胡小刚（1984-），男，工程师，从事水电站机械检修维护工作。

水电站过流部件修复改造胡小刚1，赵宗引2（1.重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆武隆408506；2.中国长江电力股份有限公司，湖北宜昌443133）摘要:介绍了沙湾电站3号机组运行及缺陷情况,并针对水轮机过流部件空蚀磨损、导叶漏水等缺陷,提出了解决的方法,处理后经过一年多时间的运行验证,导叶密封良好,机组运行稳定,为其他机组技术改造提供参考。

关键词:沙湾水电站；过流部件；导叶中图分类号：TV734.1文献标识码：B文章编号：1672-5387（2018）02-0041-05DOI：10.13599/ki.11-5130.2018.02.013粒径d/mm 0.005 0.01 0.025 0.05 0.10 0.25小于某粒径的沙重百分数/% 1.7 7.9 40.7 90.7 99.9 100第41卷第2期水电站机电技术Vol.41No.22018年2月Mechanical&Electrical Technique of Hydropower Station Feb.201841站，为高水头混流式水轮机，由于其具有运行水头高、额定转速高、过流部件流速高，过机泥沙重等特点。

经历3年的运行后，机组缺陷处于高发期，以机械缺陷较为严重。

其中3号机组为最早投入运行的机组，也是暴露出缺陷最多的。

其具体缺陷为：（1）摆度超标，机组投运时满负荷运行振动和摆度数据在合格范围内[3]，而运行3年多后，机组摆度超标，但瓦温和振动正常，在标准范围内。

（2）顶盖上的+X方向上止漏环间隙测量孔封堵螺栓渗水。

渗水位置在+X方向，测孔封堵螺栓上方为顶盖补气管，扳手无法操作，另外无法判断渗水原因，螺栓无密封垫，安装时在螺栓上缠绕生料带及涂抹密封胶后封堵，目前不能判断出是密封材料因长时间运行冲刷脱落还是因水流冲刷对螺栓孔造成磨损。

如是密封材料问题只需要拆除顶盖补气管后即可处理；如是螺栓孔磨损而造成的渗水，要看是螺纹损坏还是螺栓孔汽蚀，但不管是哪种原因都需要吊出顶盖后才能处理。

（3）3号机组在2014年C修检查调整导叶端、立面间隙时发现在发电初期引水隧洞内残留的土建钢模板镶嵌在一片固定导叶上，因撞击造成导叶出现磨损。

一片活动导叶因气蚀问题，中轴部位已出现约1/3的磨损。

（4）3号机组在2014年C修检查时发现机组过流部件包括转轮、顶盖、底环、导叶出现不同程度的气蚀[4]，以顶盖、底环、导叶最为严重，需要对过流部件进行返厂维修重新加工。

因上、下止漏环在转轮上冠上部及底环下部，无法检查到位，暂不清楚气蚀磨损情况。

（5）由于导水机构漏水过大，机组停机投入风闸后转速不能降下来，停机流程退出，会关闭进水蝶阀。

频繁的开关机，造成蝶阀旁通阀电动机构失效，加剧了蝶阀缸体泄露，也使蝶阀油泵启动较为频繁，造成开机不成功，受到电网公司的非计划停运考核等。

针对上面的缺陷沙湾公司经过专题会议讨论对3号机组进行A修，主要解决过流部件气蚀缺陷、导叶漏水问题，并进行盘车调整机组轴线。

3沙湾水电站水轮机转轮及过流部件（1）沙湾电站转轮为混流式转轮。

转轮上冠、下环材质采用ZG06Cr16Ni5Mo不锈钢；叶片采用VOD 精炼铸造，采用焊接结构，应有足够的强度和刚度，转轮的机械强度须满足7.5万kW出力的要求。

转轮采用长短叶片，焊接结构。

转轮泄水锥采用不锈钢材料制造，与转轮上冠把合为一整体。

转动止漏环在转轮本体上加工成型。

叶片、上冠及下环出厂硬度不低于HB280。

（2）水轮机导水机构，包括顶盖、底环、导叶、导叶轴承和密封以及固定止漏环和抗磨板。

其中顶盖和底环由钢板焊接制造，所有焊缝应力释放；都为整体运输，顶盖和底环与导叶上、下端面的对应部位设置有可拆卸和更换的抗磨板。

在顶盖和底环上装有不锈钢止漏环，并与转轮上的止漏环相匹配。

导叶采用ZG06Cr13Ni5Mo全不锈钢材料，共24个导叶，轴套均采用钢背复合材料制成，轴套在干、水、油脂介质中均具有良好的自润滑性能。

导叶采用三支点支承方式，活动导叶端面密封为橡胶碳材料密封导叶，全关时立面采用刚性接触密封。

43号机组导水部件受损分析及处理2015年元月沙湾水电站对3号机组A修，吊出转轮及过流部件，查看水轮机受损情况：（1）转轮：转轮叶片进水侧磨蚀[5]严重，转轮上下梳齿止漏环磨损较小，转轮上冠、下环有一定磨损，转轮叶片头部背面有明显的凹凸不平的坑且有锈蚀痕迹，正面磨损较小，疑似石块冲击，转轮上冠叶片之间的过流面有呈规律的气蚀区域，叶片尾部背面存在气蚀，如不处理将导致叶片气蚀加速(见图1)。

（2）顶盖：顶盖抗磨板、顶盖梳齿止漏环等位置磨损严重；顶盖转轮上腔止漏环根部位置整圈磨消深度约50mm，宽度约30mm(见图2)。

（3）底环：导叶分布圆以内抗磨板、梳齿止漏环等位置磨损严重，部分位置暴露出碳钢底层(见图3)。

（4）导叶：导叶背部整体磨蚀出现严重鱼鳞状痕迹，局部磨蚀量约10mm(见图4)，活动导叶端面密封为碳精块密封，已经被气蚀成蜂窝状。

图1转轮叶片气蚀水电站机电技术第41卷42图2顶盖磨蚀图3底环磨蚀图4导叶磨蚀经过设备主机厂家、加工厂家、沙湾电站专业技术人员共同查看分析：木里河当前水质情况与原设计参数存在较大差异，制造原材料不满足设计要求；泥沙的存在，改变了清洁水流的物化特性和流动性；泥沙挟带的气泡增加了水中的气核；泥沙使水轮机流道内的流场和压力场发生了畸变；沙粒对过流部件表面的反复冲击和切削形成的局部磨损使绕流发生剧变，产生脱流漩涡，引起局部压力降低。

上述因素均为泥沙水流气蚀的产生或提前发生创造了条件，因此多泥沙电站水轮机更易产生气蚀。

而含沙量较大的中高水头电站，相对速度较大，过流部件的气蚀和磨损联合破坏更应引起注意。

泥沙磨损会造成机组效率的下降和发电量减少。

因此，对于多泥沙中高水头电站水轮机生产，应综合考虑其特殊性，在生产制造过程中，应采取特殊的技术措施。

高水头多泥沙电站存在的主要问题有水力振动、轴向水推力大和密封件易于磨损，其中水力振动的原因之一是转轮上、下止漏环间隙过小，止漏环前后压差大，加工、安装又无法达到理想同心度，在止漏环中产生旋转压力场引起自激震荡。

原因之二是转轮上腔与顶盖下端的腔体太小，其中水力不均引起的轴向振动。

轴向水推力太大，增加了轴承推力负荷，对轴承的可靠运行不利。

清除止漏环泥沙可延长密封件寿命，提高容积效率。

5过流部件的修复工艺5.1转轮的修复对需焊补区域表面清理干净(清除油污、潮湿等)，以达到焊接质量所需的要求。

将焊接区域预热100℃后，用0Cr13Ni5Mo 焊条，焊接采用多层窄道焊。

焊前焊条必须按焊条使用说明书进行烘干，放入保温筒随用随取。

除第一层和盖面层焊道外，其余焊层应用风铲进行锤击，以释放焊接应力。

焊后转轮进行消氢处理。

此转轮的焊接量较大且转轮运行水头较高，焊后应进行去应力退火。

合格后精车转轮外圆及止漏环，同时检查转轮法兰面的形位公差和尺寸，必要时，少量车修。

转轮及其泵板进行静平衡试验，残余不平衡重量少于图纸要求。

5.2顶盖和底环的修复按顶盖及底环设计形状和尺寸，对顶盖和底环过流面各表面的缺陷部位进行确认，堆焊区域包括顶盖抗磨板及内圆过流面、导叶孔止口、密封槽边缘。

重新制作新止漏环，新止漏环按图加工后把在顶盖上与顶盖一起同车。

对碳钢表面的焊补采用ER70S-6焊丝，电流180~260A 小规范焊接参数进行，各处缺陷要求跳跃焊补并尽可能对称；如堆焊需要，允许在23号导叶孔内点焊闷板，厚度6mm 左右；对堆焊层的焊补采用ER410NiMo 焊丝，电流180~260A 小规范焊接参数进行(较深缺陷可先用ER3091，进行焊接过渡)，各处缺陷要求跳跃焊补尽可能对称，磨损深度已达过渡段磨穿的区域，ER410NiMo 焊丝堆焊层厚≥4mm ；对较深凹坑先取一处做试验；待修补合格(无裂纹)后进入下一步焊接。

按顶盖和底环及上、下止漏环原设计形状、尺寸胡小刚，等：水电站过流部件修复改造第2期43和本次返修要求，对不符合区域或部位进行确认和记录供最终评判；对焊接区域进行着色探伤。

5.3导叶端面密封改造沙湾水电站原导叶端面密封块为高分子材料，缺点是不耐泥沙，与导叶端面接触时如混有泥沙极易损坏，此材料适合作为环境清洁时的密封材料，不适合用于多泥沙电站，改造方案有两种。

（1）根据以往经验如机组无调相运行或机组转轮直径小于5m，可取消导叶端面密封块结构，顶盖、底环抗磨板整个为平面，目前300m水头段的机组许多也没有设计导叶端面密封。