趙文杰，王中元

(四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610091)

1 概述

紫坪鋪電站位于四川省岷江上游都江堰市麻溪鄉(xiāng)境內(nèi)，安裝有四臺(tái)單機(jī)容量190 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量760 MW，年發(fā)電量約34.17億kW·h。電站于2006年5月全部投產(chǎn)發(fā)電。電站以500 kV電壓等級(jí)接入四川省電力系統(tǒng)，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)頻、調(diào)峰及事故備用。

紫坪鋪電站水輪發(fā)電機(jī)組采用國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)性公開(kāi)招標(biāo)，選定東方電機(jī)股份有限公司(簡(jiǎn)稱“東方電機(jī)”)為設(shè)備制造供應(yīng)商。其中，俄羅斯列寧格勒金屬工廠(以下簡(jiǎn)稱為“LMZ”)作為分包商承擔(dān)了水輪機(jī)模型試驗(yàn)和轉(zhuǎn)輪的制造。轉(zhuǎn)輪采用抗空蝕性能優(yōu)良、可焊性好的08Cr15Ni4CuMo不銹鋼制造，鋼板葉片采用06Cr15Ni4CuMo鋼板模壓成形以保證葉形精度并在數(shù)控機(jī)床上加工而成。轉(zhuǎn)輪為整體轉(zhuǎn)輪，從俄羅斯運(yùn)至紫坪鋪工地。轉(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)裝有熱套可更換的不銹鋼轉(zhuǎn)動(dòng)止漏環(huán)，其材料為08Cr15Ni4CuMo，硬度高于頂蓋和底環(huán)上相匹配的固定止漏環(huán)材料1Cr18Ni9Ti，止漏環(huán)的設(shè)計(jì)允許轉(zhuǎn)輪向上或向下的移動(dòng)量不小于20 mm。轉(zhuǎn)動(dòng)止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪連在一起，在車間內(nèi)經(jīng)過(guò)靜平衡試驗(yàn)。

紫坪鋪水電站機(jī)組運(yùn)行最顯著的特點(diǎn)是水頭變幅大。電站主要水能參數(shù)為:最大水頭132.76 m，最小水頭68.4 m，加權(quán)平均水頭107 m，額定水頭100 m。最大與最小水頭之比達(dá)1.94，在國(guó)內(nèi)中水頭水電站中屬最大。

2 頂蓋止漏環(huán)損壞情況

2011年3月28日，在2#機(jī)組計(jì)劃B修中，發(fā)現(xiàn)頂蓋止漏環(huán)焊縫有嚴(yán)重開(kāi)裂脫空情況，在3#導(dǎo)葉至7#導(dǎo)葉之間對(duì)應(yīng)止漏環(huán)有寬度為0.7 mm、深度為3 mm、長(zhǎng)度約3 m的裂縫且銹蝕嚴(yán)重;其它方位也有不同程度的裂紋和銹蝕現(xiàn)象，裂縫長(zhǎng)度占焊縫總長(zhǎng)度的1/5(圖1)。

圖1 頂蓋止漏環(huán)開(kāi)裂圖

在+X(于活動(dòng)導(dǎo)葉5#、6#之間)方向轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙僅為0.15 mm(設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1.9～2.3 mm)，－X方向止漏環(huán)間隙為1.9 mm。+X方向止漏環(huán)總間隙為2.05 mm，+Y方向止漏環(huán)總間隙為3.25 mm。在分析測(cè)量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，止漏環(huán)總間隙之間的差距較大，且測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)明顯規(guī)律。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。在頂蓋被拆出后還發(fā)現(xiàn)活動(dòng)導(dǎo)葉4#、5#、6#、7#對(duì)應(yīng)的頂蓋止漏環(huán)表面顏色較深，有燒損跡象。

針對(duì)所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，紫坪鋪電站緊急聯(lián)系東方電機(jī)的技術(shù)人員到場(chǎng)檢查，研究并分析頂蓋止漏環(huán)焊縫開(kāi)裂的原因，并最終研究決定采用東方電機(jī)提出的處理方案:拆除頂蓋返廠，用備品更換現(xiàn)有的止漏環(huán)，徹底解決2#機(jī)組止漏環(huán)存在的問(wèn)題。

圖2 轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙測(cè)量數(shù)據(jù)圖

為了了解止漏環(huán)損壞的原因，確定后續(xù)處理是否得當(dāng)，筆者就以下幾個(gè)方面圍繞止漏環(huán)損壞問(wèn)題以及最終處理方案選擇進(jìn)行了總結(jié)。

3 頂蓋止漏環(huán)損壞原因分析

根據(jù)2#機(jī)組檢修中現(xiàn)場(chǎng)檢查的情況，現(xiàn)從設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行環(huán)境等方面對(duì)頂蓋止漏環(huán)損壞原因進(jìn)行分析。

3.1 設(shè)計(jì)方面的影響

以下從頂蓋止漏環(huán)結(jié)構(gòu)及其間隙值設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行探討。

(1)止漏環(huán)結(jié)構(gòu)及固定止漏環(huán)結(jié)構(gòu)的受力情況。

對(duì)于轉(zhuǎn)輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)止漏環(huán)，國(guó)內(nèi)通常采用“熱套”的辦法。對(duì)于頂蓋、底環(huán)的固定止漏環(huán)，一般采用上、下端焊接或一端焊接、一端插入的辦法;或采用過(guò)盈配合，用干凍的辦法(如隔河巖電站)使之牢固地貼緊在頂蓋、底環(huán)上。

東方電機(jī)采用的固定止漏環(huán)結(jié)構(gòu)無(wú)論是固定止漏環(huán)上、下端焊接的結(jié)構(gòu)，還是冷凍的過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷了長(zhǎng)期運(yùn)行的考驗(yàn)。當(dāng)采用這種上、下端與頂蓋、底環(huán)焊接的結(jié)構(gòu)，固定止漏環(huán)背部雖然存在間隙，但止漏環(huán)間隙處的脈動(dòng)壓力可由上、下兩道整圈焊縫承擔(dān);當(dāng)采用過(guò)盈配合結(jié)構(gòu)時(shí)，固定止漏環(huán)背部無(wú)間隙，徑向壓力脈動(dòng)已直接由頂蓋或底環(huán)承擔(dān)，切向力由過(guò)盈配合中的內(nèi)應(yīng)力承擔(dān)。因此這兩種結(jié)構(gòu)既使在兩者輕微相擦的情況下，由于轉(zhuǎn)動(dòng)止漏環(huán)與固定止漏環(huán)的材料存在硬度差而可能引起擦傷，但還不至于造成止漏環(huán)嚴(yán)重?fù)p壞。

紫坪鋪電站機(jī)組的固定止漏環(huán)采用的是上、下端焊接結(jié)構(gòu)，與底環(huán)或頂蓋牢固固定為一體。除焊接殘余應(yīng)力不大于工作水頭5%的水壓脈動(dòng)應(yīng)力(計(jì)算值＜0.1 MPa)外，不受功率傳遞影響。

(2)止漏環(huán)之間間隙值的取值問(wèn)題。

止漏環(huán)最小設(shè)計(jì)間隙是根據(jù)軸系在給定的水力不平衡力、機(jī)械不平衡力、電磁不平衡力作用下引起的軸系的動(dòng)擺度，綜合考慮轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行中由于離心力、水壓力作用引起的膨脹以及盤(pán)車結(jié)果后確定的。發(fā)電機(jī)組軸系的臨界轉(zhuǎn)速直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行，同時(shí)也影響到機(jī)組的壽命。在機(jī)組軸系臨界轉(zhuǎn)速處其振動(dòng)最大，要使機(jī)組安全運(yùn)行，就必須使軸系臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離工作轉(zhuǎn)速。東方電機(jī)采用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)程序ARMD對(duì)紫坪鋪電站機(jī)組軸系的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計(jì)算，并得出了機(jī)組軸系一階臨界轉(zhuǎn)速和一階振型。在主軸徑向振動(dòng)響應(yīng)結(jié)算中，綜合考慮了轉(zhuǎn)子磁不平衡力、轉(zhuǎn)輪徑向水力不平衡力、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪處機(jī)械不平衡力。計(jì)算結(jié)果表明:機(jī)組軸系的一階臨界轉(zhuǎn)速(597 r/min)為飛逸轉(zhuǎn)速(300 r/min)的1.25倍，進(jìn)一步證明了軸系的臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離機(jī)組工作轉(zhuǎn)速。因此，機(jī)組運(yùn)行及飛逸狀態(tài)不會(huì)引起機(jī)組共振而產(chǎn)生較大振動(dòng)，機(jī)組能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于止漏環(huán)設(shè)計(jì)間隙，國(guó)內(nèi)一般取0.5/1 000，且上冠處略小些，下環(huán)處略大些。根據(jù)東方電機(jī)提供的圖紙，紫坪鋪電站機(jī)組固定止漏環(huán)與頂蓋、底環(huán)間采用的是間隙配合，直徑方向的最大間隙按圖紙公差要求為0.2 mm。轉(zhuǎn)輪直徑為4.85 m，上冠止漏環(huán)處設(shè)計(jì)的最小間隙為1.9 mm，約為0.39/1 000，下環(huán)處設(shè)計(jì)的最小間隙為2.1 mm，約為 0.43/1 000。

紫坪鋪電站機(jī)組與國(guó)內(nèi)外其它機(jī)組的設(shè)計(jì)間隙值比較情況列于表1中。從表1可以看出，國(guó)內(nèi)外一些制造廠對(duì)上下止漏環(huán)之間的間隙取值很接近，取值原則是在所有運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)輪與固定止漏環(huán)之間不接觸。紫坪鋪電站機(jī)組對(duì)軸系動(dòng)態(tài)特性計(jì)算得出的止漏環(huán)處轉(zhuǎn)輪擺度的綜合值遠(yuǎn)小于止漏環(huán)處設(shè)計(jì)的最小間隙值，甩負(fù)荷工況和飛逸工況下發(fā)生固定止漏環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)止漏環(huán)接觸的可能性沒(méi)有，其止漏環(huán)間隙設(shè)計(jì)值是合理的。

3.2 制造方面的影響

由于頂蓋止漏環(huán)上、下端部在廠內(nèi)裝配焊接時(shí)發(fā)生過(guò)質(zhì)量問(wèn)題，埋下了隱患，這種可能性暫時(shí)不能排除。如果在制造加工過(guò)程中，由于工藝和技術(shù)水平的限制，導(dǎo)致實(shí)際加工部件未能完全達(dá)到相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求這是有可能的。比如說(shuō)，止漏環(huán)與頂蓋的裝配間隙過(guò)大，運(yùn)行中止漏環(huán)的受力是靠焊接而不是直接傳到頂蓋上。但由于現(xiàn)場(chǎng)損壞嚴(yán)重，對(duì)于這種情況的鑒定有相當(dāng)大的難度。

表1 國(guó)內(nèi)外一些電站的基本參數(shù)及其上下止漏環(huán)間隙值表

3.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝方面的影響

紫坪鋪電站2#機(jī)組于2006年初完成安裝，2006年3月首次啟動(dòng)運(yùn)行。機(jī)組安裝后，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理人員的監(jiān)督下實(shí)際測(cè)量了上、下止漏環(huán)的間隙值，其均在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。2008年4月進(jìn)行了一次檢查性大修，檢修中也進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)間隙的測(cè)量，數(shù)據(jù)亦在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，故基本上可以排除安裝方面的影響因素。

3.4 運(yùn)行環(huán)境方面的影響

紫坪鋪電站機(jī)組從一般意義上講運(yùn)行難度不大。因?yàn)閺难b機(jī)容量上看，其單機(jī)只有190 MW;從部件尺寸看，其轉(zhuǎn)輪直徑只有4.85 m，都不算很大。但該電站具有一個(gè)特點(diǎn)，其最大水頭為132.76 m，最小水頭為68.4 m，比值高達(dá)1.94，且其容量跨度從100 MW到240 MW，比之因運(yùn)行范圍寬而引起全國(guó)廣泛關(guān)注的三峽電站機(jī)組有過(guò)之而無(wú)不及(三峽電站水頭變幅為113 m/61 m=1.852，容量變幅為 852 MW/497 MW)。在仔細(xì)分析其參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組還是具有相當(dāng)難度的。因此，在主機(jī)招標(biāo)過(guò)程中，對(duì)于機(jī)組的超寬運(yùn)行范圍內(nèi)的穩(wěn)定性給予了充分的關(guān)注，最終選擇了由東方電機(jī)股份有限公司來(lái)生產(chǎn)紫坪鋪電站的水輪發(fā)電機(jī)組，其水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪整體從俄羅斯LMZ進(jìn)口，水力設(shè)計(jì)也由俄羅斯LMZ提供。

對(duì)于紫坪鋪電站這樣水頭和負(fù)荷變化大的機(jī)組，應(yīng)該把安全穩(wěn)定運(yùn)行放在首位。從PO140轉(zhuǎn)輪特性看，在水頭小于80 m、50～85.5 MW出力區(qū)間內(nèi)有一個(gè)壓力脈動(dòng)較大的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)主頻下的最大壓力脈動(dòng)達(dá)7%之多，屬水力不穩(wěn)定區(qū)。紫坪鋪電站機(jī)組應(yīng)盡量在運(yùn)行時(shí)注意以下問(wèn)題:(1)水輪機(jī)在低水頭35% ～45%預(yù)想出力范圍內(nèi)，高水頭40%～70%預(yù)想出力范圍內(nèi)壓力脈動(dòng)較大，因此，應(yīng)盡可能避免在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。(2)在高水頭區(qū)域，應(yīng)盡可能運(yùn)行在大負(fù)荷工況。

但實(shí)際情況是，紫坪鋪電站作為四川電網(wǎng)主力調(diào)頻調(diào)峰電廠，且其又處于成都負(fù)荷中心，開(kāi)停機(jī)次數(shù)較多;另外，為滿足下游供水要求，電調(diào)服從水調(diào)，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在振動(dòng)邊緣或壓力脈動(dòng)大的區(qū)域內(nèi)，故未能在運(yùn)行中注意避免惡劣工況，完全做到水輪機(jī)的良好運(yùn)行。這或許是造成(或加劇)頂蓋止漏環(huán)損壞的一個(gè)重要原因。

2#機(jī)組上次B修時(shí)間為2008年4月3日，當(dāng)時(shí)未發(fā)現(xiàn)止漏環(huán)間隙異常和焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象。2008年5月12日發(fā)生了汶川8級(jí)特大地震，距離震中僅17 km的紫坪鋪工程基礎(chǔ)設(shè)施和機(jī)電設(shè)備遭受了重大損失。其中2#機(jī)組遭受地震外力影響最大，這一點(diǎn)可以從地震后設(shè)備移位程度看出。1#～4#主變本體因地震均有不同程度移位，其中以2#主變本體移位最大，沿－X向達(dá)80 mm左右，這說(shuō)明地震對(duì)電廠設(shè)備在X向有一個(gè)較大的外力。這與地震后2#機(jī)組檢修中在+X方向轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙實(shí)測(cè)為0.15 mm(最小設(shè) 計(jì) 值 為1.9 mm)且焊縫開(kāi)裂脫空不能不說(shuō)存在某種必然的聯(lián)系。

3.5 綜合因素的影響

由于制造、安裝偏差、運(yùn)行環(huán)境變化，尤其是因地震外力而產(chǎn)生的綜合因素影響導(dǎo)致機(jī)組頂蓋在實(shí)際運(yùn)行中嚴(yán)重?fù)p壞是一種最有可能的原因。

4 處理措施

東方電機(jī)根據(jù)止漏環(huán)開(kāi)裂、由于開(kāi)裂造成頂蓋止漏環(huán)與頂蓋產(chǎn)生空隙并造成頂蓋止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙變小的情況擬定了以下三種處理方案:

方案一:直接在現(xiàn)有位置進(jìn)行焊接處理，及時(shí)對(duì)開(kāi)裂部位進(jìn)行修復(fù)。該方案能在較短的時(shí)間對(duì)開(kāi)裂部分進(jìn)行焊接處理，使機(jī)組盡快恢復(fù)運(yùn)行，但焊接位置較差，且無(wú)法解決止漏環(huán)間的間隙過(guò)小及開(kāi)裂后頂蓋止漏環(huán)與頂蓋之間產(chǎn)生空隙的問(wèn)題，存在再次開(kāi)裂的隱患，以后要經(jīng)常進(jìn)行檢查。

方案二:將頂蓋取出后對(duì)焊縫進(jìn)行處理，加工內(nèi)圓，滿足間隙要求。對(duì)整條焊縫進(jìn)行清理后重新焊接，再對(duì)頂蓋止漏環(huán)內(nèi)圓進(jìn)行加工。該方案能暫時(shí)解決止漏環(huán)間隙問(wèn)題，但從長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)說(shuō)，留下了一定隱患且現(xiàn)場(chǎng)不具備焊接條件。

方案三:用備品止漏環(huán)更換現(xiàn)有的止漏環(huán)。采用備品更換現(xiàn)有的止漏環(huán)，能解決目前止漏環(huán)存在的問(wèn)題，焊接和加工質(zhì)量能滿足圖紙的要求，不足之處是工期相對(duì)較長(zhǎng)。

根據(jù)止漏環(huán)開(kāi)裂并因開(kāi)裂造成頂蓋止漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙變小的情況，為防止長(zhǎng)期運(yùn)行造成轉(zhuǎn)輪磨損，進(jìn)一步加重設(shè)備損壞，影響機(jī)組正常運(yùn)行，危及電網(wǎng)安全，紫坪鋪電站最終研究決定采用東方電機(jī)提出的第三種處理方案:拆除頂蓋返廠，用備品更換現(xiàn)有的止漏環(huán)，從而徹底解決了2#機(jī)組止漏環(huán)存在的問(wèn)題。

按照東方電機(jī)設(shè)計(jì)的意見(jiàn)，測(cè)量好備品止漏環(huán)的內(nèi)外徑尺寸和轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)的尺寸，根據(jù)該尺寸進(jìn)行后續(xù)的加工。將備品止漏環(huán)下端φ4 470尺寸改為φ4 460，增大了下端封焊坡口。焊接備品止漏環(huán)時(shí)考慮了消應(yīng)力措施，焊接后焊縫按ASTM標(biāo)準(zhǔn)作磁粉探傷檢查，以保證處理后的頂蓋止漏環(huán)間隙達(dá)到設(shè)計(jì)值，從而確保機(jī)組安全運(yùn)行。按照第三方案進(jìn)行工期排序，具體排序如下:返廠拆除舊止漏環(huán)工期為5個(gè)工作日;轉(zhuǎn)序立車對(duì)安裝止漏環(huán)的基準(zhǔn)面找正工期為2個(gè)工作日;備品止漏環(huán)尺寸檢查(不占直線工期)水輪機(jī)總裝平臺(tái)套裝止漏環(huán)工期為3個(gè)工作日;止漏環(huán)與頂蓋焊接工期為9個(gè)工作日;立車加工工期為3個(gè)工作日。根據(jù)東方電機(jī)確定的頂蓋止漏環(huán)更換時(shí)間要求(30 d)和機(jī)組拆卸、恢復(fù)時(shí)間要求(30 d)，2#機(jī)組從B修轉(zhuǎn)為A修。

返廠處理好的2#機(jī)組頂蓋通過(guò)5個(gè)多月時(shí)間的運(yùn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)異常，機(jī)組振擺及各部軸承溫度實(shí)測(cè)正常。

5 結(jié)語(yǔ)

水輪機(jī)止漏環(huán)的作用是用來(lái)減少轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分之間的漏水損失，如果發(fā)生止漏環(huán)損壞故障，不僅會(huì)降低機(jī)組的效率，而且會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，后果非常嚴(yán)重，因此，必須對(duì)其運(yùn)行情況加強(qiáng)監(jiān)視。但很多機(jī)組隱患并不直接表現(xiàn)在機(jī)組的外部表象上，而需要通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如機(jī)組振動(dòng)及擺度、異響及異味等，這些都需要運(yùn)行維護(hù)人員仔細(xì)檢查并作甑別后才能得知故障所在。紫坪鋪電站利用機(jī)組檢修的機(jī)會(huì)，通過(guò)測(cè)量止漏環(huán)間隙值發(fā)現(xiàn)了止漏環(huán)損壞這一重大隱患，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析并及時(shí)采取妥善的處理對(duì)策予以解決，對(duì)其他同類型電站具有一定的借鑒作用。