在不吊轉(zhuǎn)輪情況下修復(fù)軸流轉(zhuǎn)槳式斷裂槳葉

潘大文

（陜西石泉水力發(fā)電廠，陜西 石泉 725200）

在不吊轉(zhuǎn)輪情況下修復(fù)軸流轉(zhuǎn)槳式斷裂槳葉

潘大文

（陜西石泉水力發(fā)電廠，陜西 石泉 725200）

摘要：介紹分析了國(guó)電甘肅文縣柳園電站1號(hào)機(jī)組槳葉斷裂產(chǎn)生的原因，介紹了軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組斷裂槳葉在轉(zhuǎn)輪不吊出轉(zhuǎn)輪室的情況下，在現(xiàn)場(chǎng)的處理辦法，并且實(shí)施后取得了良好的效果，為處理類(lèi)似機(jī)組缺陷積累了經(jīng)驗(yàn)，可供水電檢修單位借鑒。

關(guān)鍵詞：槳葉斷裂；修復(fù)；電弧氣刨；百分表

1　概況

國(guó)電甘肅柳園電站位于甘肅省文縣石坊鄉(xiāng)境內(nèi)的棗園壩至關(guān)家灣白水江中游河段，是白水江干流文縣河段規(guī)劃7座電站中的第三級(jí)電站。電站為低壩擋水徑流引水式電站，工程以發(fā)電為主，總裝機(jī)容量2.8萬(wàn)kW（兩臺(tái)單機(jī)容量14MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)）,于2011年11月投產(chǎn)發(fā)電，年平均發(fā)電量1.52億kW·h，年平均利用小時(shí)數(shù)5 414 h，出線一回110 kW送出3 km至石坊變電站。其中水輪機(jī)參數(shù)如下：

水輪機(jī)型號(hào)：ZZ550-LJ-250；

設(shè)計(jì)水頭：30m；

設(shè)計(jì)流量：106.6m3/s；

額定轉(zhuǎn)速：300 r/min；

額定功率：14 000 kW；

槳葉數(shù)量：5片；

槳葉材質(zhì)：ZG0Cr13Ni5Mo。

2013年6月國(guó)電甘肅文縣柳園電站運(yùn)行人員在巡回中發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)振動(dòng)異常，遂組織檢修人員打開(kāi)尾水人孔門(mén)檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)3號(hào)槳葉自葉片輪轂與樞軸部位延伸至槳葉葉片出水邊斷裂，其余4片槳葉根部均有裂紋，裂紋均自葉片輪轂與樞軸部位延伸。隨后聯(lián)系石泉電廠電力檢修公司進(jìn)行檢修處理，到達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)后石泉電力檢修公司在轉(zhuǎn)輪不吊出轉(zhuǎn)輪室的情況下進(jìn)行了槳葉修復(fù)處理，至今運(yùn)行情況正常，現(xiàn)將處理情況介紹如下，以資交流。

2　槳葉斷裂情況簡(jiǎn)介及原因分析

2013年6月初，接國(guó)電甘肅柳園電站1號(hào)機(jī)組槳葉斷裂通知，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，1號(hào)機(jī)組3號(hào)槳葉斷裂，該槳葉屬整體澆鑄而成，單張槳葉重達(dá)1 225 kg，進(jìn)水邊厚度180mm，出水邊厚度6.8mm，槳葉進(jìn)水邊至出水邊成弧形，其余4片槳葉也出現(xiàn)不同程度的裂紋，且裂紋細(xì)小，具有連續(xù)性，3號(hào)槳葉斷裂部位自葉片根部至葉片出水邊（見(jiàn)圖1），斷裂葉片沉入尾水，其余4片導(dǎo)葉均出現(xiàn)自葉片輪轂與樞軸部位延伸至槳葉葉片出水邊，該斷裂區(qū)域是槳葉葉片在鑄造時(shí)冷裂紋易發(fā)區(qū)，同時(shí)也是整個(gè)槳葉高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，筆者認(rèn)為該裂紋屬于鑄造時(shí)在內(nèi)部產(chǎn)生的冷裂紋，再者文縣柳園電站機(jī)組進(jìn)水口攔污柵常被污物堵塞，機(jī)組進(jìn)水口壓差較大，汛期更為嚴(yán)重，在這期間機(jī)組運(yùn)行工況較差，另外由于1號(hào)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷安裝遺留問(wèn)題（1號(hào)機(jī)組控制環(huán)大耳環(huán)角度設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)際大耳環(huán)與控制環(huán)角度與圖紙偏差6°，因此導(dǎo)致導(dǎo)葉接力器無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)全行程），導(dǎo)致槳葉與導(dǎo)葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系不能處于最佳狀態(tài)，機(jī)組不能達(dá)到最優(yōu)工況，長(zhǎng)時(shí)間處于震動(dòng)區(qū)工況下運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷只能帶到11.5MW，為了能使機(jī)組帶到額定負(fù)荷，達(dá)到較好的協(xié)聯(lián)關(guān)系，就要頻繁調(diào)整槳葉角度，這樣機(jī)組尾水管內(nèi)就會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生渦流和真空，導(dǎo)致壓力脈動(dòng)大幅增加，這樣，有先天缺陷和應(yīng)力集中的槳葉輪轂和樞軸受到的應(yīng)力作用就會(huì)加大，裂紋會(huì)擴(kuò)展延伸，最終導(dǎo)致槳葉斷裂。

圖1　1號(hào)機(jī)組3號(hào)槳葉斷裂示意圖

3　處理方法

3.1前期準(zhǔn)備工作

1）首先，落下1號(hào)機(jī)組進(jìn)口檢修門(mén)、尾水門(mén)，打開(kāi)蝸殼，尾水管盤(pán)型閥。

2）手動(dòng)將槳葉打至全開(kāi)，在轉(zhuǎn)輪室搭設(shè)檢修平臺(tái)，將斷裂槳葉打撈上來(lái)。

3）關(guān)閉調(diào)速系統(tǒng)總供油閥1103閥，將接力器鎖錠投入。

4）將槳葉操作油管開(kāi)啟、關(guān)閉腔閥門(mén)關(guān)閉，受油器回油管與回油箱連通閥門(mén)關(guān)閉。

5）將轉(zhuǎn)輪輪轂油排油。

6）拆除槳葉葉片樞軸正、反向“λ型”密封（共計(jì)8道）。

3.2具體處理方法

1）先用丙酮將槳葉斷裂部位清洗干凈。

2）用電弧氣刨清除前，對(duì)斷裂槳葉的斷裂部位延伸到斷裂部位附近的200mm范圍內(nèi)，用氧氣乙炔火焰將其預(yù)熱至90℃。

3）用電弧氣刨將斷裂槳葉斷裂處從樞軸至出水邊方向清除，直到將葉片斷裂裂紋處清除干凈。

4）同時(shí)用電弧氣刨把葉片斷裂處正、反面修出焊接坡口。

5）電弧氣刨將斷裂部位完全清除后，用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)將斷裂槳葉坡口處的表面滲碳層進(jìn)行打磨，并修磨坡口。

6）經(jīng)廠家PT無(wú)痕探傷確定斷裂處滲碳氧化層徹底清除干凈后準(zhǔn)備焊接。

7）將斷裂槳葉與轉(zhuǎn)輪體、轉(zhuǎn)輪室之間加槽鋼支撐固定，處理過(guò)程中對(duì)照其余4片槳葉布置情況和圖紙要求，根據(jù)槳葉葉片型線、葉片與轉(zhuǎn)輪室之間的間隙值將斷裂槳葉和槳葉本體背部用3片20mm厚鋼板點(diǎn)固，同時(shí)在槳葉樞軸法蘭上取4個(gè)點(diǎn)，然后在槳葉進(jìn)、出水邊取2點(diǎn)，作為槳葉的基準(zhǔn)尺寸控制點(diǎn)，并測(cè)量其數(shù)據(jù)，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如圖2），測(cè)得焊前尺寸：A=630mm，B=400mm，C=700mm，D=650mm，同時(shí)在轉(zhuǎn)輪室槳葉進(jìn)、出水邊焊接表架，架設(shè)百分表，監(jiān)視在焊接過(guò)程中葉片位移和變形情況。焊接過(guò)程中每隔15min復(fù)測(cè)一次數(shù)據(jù)，根據(jù)尺寸變化來(lái)調(diào)整焊接速度，待焊接、退火完成后，上述數(shù)據(jù)保持不變。

圖2　3號(hào)槳葉基準(zhǔn)尺寸圖

8）焊接前，對(duì)槳葉葉片周?chē)h(huán)境溫度（轉(zhuǎn)輪室溫度）整體加溫至30～40℃，對(duì)斷裂槳葉葉片部位用氧氣乙炔火焰局部預(yù)熱，溫度控制在100℃左右，預(yù)熱溫度達(dá)到100℃后恒溫2 h后進(jìn)行焊接。

9）由于槳葉葉片材質(zhì)為ZG0Cr13Ni5Mo，因此此次焊接焊條采用高塑性，韌性好的307不銹鋼焊條。由于焊縫較長(zhǎng)，焊接時(shí)采用對(duì)稱(chēng)分層、分段、退步焊接方法（詳見(jiàn)圖3），為避免由于焊接應(yīng)力集中引起的變形，每焊完一條焊縫必須把焊渣清理干凈，采用風(fēng)鏟錘擊消除應(yīng)力。焊接接頭需重疊40mm以上，并控制電流、焊接速度，保持方向一致。電流控制到140～180 A，焊接速度控制到15 cm/min，避免焊接電流、速度、方向造成的熱量集中引起的變形。

圖3　焊接層次走向圖

10）焊接完成后，將葉片用石棉布和被子包上保溫，去應(yīng)力退火，退火過(guò)程中溫度按照退火工藝曲線進(jìn)行（如圖4所示）。

圖4　槳葉焊接退火曲線

11）清除葉片臨時(shí)支撐，檢查焊接葉片的變形情況，測(cè)量槳葉葉片基準(zhǔn)尺寸A、B、C、D四個(gè)尺寸無(wú)變化，并磨去葉片背部支撐點(diǎn)。

12）焊后用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)將槳葉葉片順葉片型線修磨圓滑。

13）修后通過(guò)設(shè)備廠家PT無(wú)痕探傷檢查正常。

4　修后檢驗(yàn)

1）修后通過(guò)測(cè)量焊前槳葉葉片基準(zhǔn)尺寸A、B、C、D四個(gè)尺寸值無(wú)變化；槳葉葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙符合要求，槳葉做滲漏試驗(yàn)，槳葉密封處無(wú)滲漏。

2）修后開(kāi)機(jī)試驗(yàn)1號(hào)機(jī)組穩(wěn)定性良好，水導(dǎo)軸承擺度和機(jī)組軸向振動(dòng)值均符合要求（見(jiàn)圖5）。槳葉修復(fù)后經(jīng)過(guò)近2年的運(yùn)行情況正常，其間共經(jīng)歷了2次機(jī)組小修，均打開(kāi)蝸殼人孔、尾水人孔門(mén)進(jìn)行槳葉修復(fù)補(bǔ)焊區(qū)檢查，斷裂槳葉葉面補(bǔ)焊區(qū)表面正常無(wú)裂紋。

圖5　1號(hào)機(jī)組振動(dòng)擺度值

5　與當(dāng)前國(guó)內(nèi)、外同類(lèi)技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的比較

對(duì)比國(guó)內(nèi)、外同類(lèi)技術(shù)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)電廠檢修隊(duì)伍處理槳葉葉片裂紋時(shí)，通過(guò)在裂紋兩端打止裂孔方法進(jìn)行焊接修復(fù)槳葉裂紋，在處理槳葉斷裂時(shí)一般采取起吊轉(zhuǎn)輪更換新槳葉的方法，但是采用不起吊轉(zhuǎn)輪修復(fù)斷裂槳葉在軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組檢修領(lǐng)域尚屬空白，因?yàn)橹饕芟抻跀嗔褬~需要焊接且焊縫較長(zhǎng)，因此焊接過(guò)程中受到的焊接應(yīng)力導(dǎo)致的變形量，很容易造成槳葉葉片型線變形，同時(shí)也牽涉到焊接后葉片剛度、強(qiáng)度的問(wèn)題，因此對(duì)焊接工藝要求較高，同時(shí)斷裂槳葉葉片焊接前的定位和焊接過(guò)程中的變形監(jiān)測(cè)也是一個(gè)難題。因此，較傳統(tǒng)檢修工藝起吊轉(zhuǎn)輪來(lái)更換槳葉葉片是一個(gè)新的突破。創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

6　結(jié)論

此套方案在轉(zhuǎn)輪室搭設(shè)腳手架現(xiàn)場(chǎng)施工，避免了起吊轉(zhuǎn)輪體一系列拆裝工作，較傳統(tǒng)修復(fù)斷裂槳葉近60 d工期縮短為45 d，為業(yè)主直接挽回資金近450萬(wàn)，同時(shí)也節(jié)約了人工成本和簡(jiǎn)化了檢修流程。國(guó)電甘肅柳園電站1號(hào)機(jī)組3號(hào)槳葉斷裂修復(fù)工作結(jié)束后經(jīng)過(guò)近2年的運(yùn)行，在近2次小修期間檢修人員均將蝸殼門(mén)、尾水門(mén)打開(kāi)，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室檢查槳葉修復(fù)部位，經(jīng)檢查槳葉葉片修后焊接部位無(wú)異常。因此采用其轉(zhuǎn)輪不吊出轉(zhuǎn)輪室，在轉(zhuǎn)輪室搭建檢修平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)處理辦法是成功的，為同類(lèi)機(jī)組類(lèi)似情況積累了一定經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)可供兄弟水電檢修單位借鑒。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TK730

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）06-0049-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.013

收稿日期：2015-04-05

作者簡(jiǎn)介：潘大文（1988-），男，助理工程師，從事水輪機(jī)機(jī)械檢修維護(hù)工作。