萬(wàn)家寨水電站活動(dòng)導(dǎo)葉立面密封改造

李進(jìn)軍 張雷 張騰飛 王偉博 欒少帥 翁陳成

摘要：萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)組在高速高含沙水流長(zhǎng)期沖刷作用下，活動(dòng)導(dǎo)葉的剛性立面密封面磨損汽蝕嚴(yán)重，造成導(dǎo)葉漏水量加大，導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)“潛動(dòng)”問(wèn)題。在分析導(dǎo)葉密封失效原因和總結(jié)傳統(tǒng)堆焊打磨修復(fù)處理方式缺陷的基礎(chǔ)上，提出了活動(dòng)導(dǎo)葉立面密封技術(shù)改造方案，首次采用黃河水利科學(xué)研究院自主研發(fā)的鋼塑復(fù)合聚氨醋導(dǎo)葉密封板，對(duì)1#和4#機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)改造的技術(shù)細(xì)節(jié)和中間安裝過(guò)程進(jìn)行了精確控制和嚴(yán)格質(zhì)量把關(guān)。經(jīng)過(guò)兩個(gè)汛期運(yùn)行檢驗(yàn)表明：活動(dòng)導(dǎo)葉立面密封技術(shù)改造提高了導(dǎo)葉全關(guān)狀態(tài)下的密封性能，可以有效杭磨和抑制漏水，解決了活動(dòng)導(dǎo)葉密封失效的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：活動(dòng)導(dǎo)葉；磨蝕；聚氨醋；密封板；水輪機(jī)組；技術(shù)改造

中圖分類號(hào)：TV734.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.030

黃河是世界上輸沙量最大、水流含沙量最高的河流，其干流上的水輪發(fā)電機(jī)組不同程度地受到泥沙磨蝕的危害[1]。萬(wàn)家寨水利樞紐工程位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段，總裝機(jī)容量108萬(wàn)kW，年發(fā)電量27.5億kW·h。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容8.96億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容4.45億m3。壩址控制流域面積39.5萬(wàn)km2，設(shè)計(jì)多年平均入庫(kù)沙量1.49億t、設(shè)計(jì)多年平均含沙量6.6kg/m3。淤積測(cè)驗(yàn)結(jié)果顯示[2]，截至2010年9月，水庫(kù)總庫(kù)容由8.96億m3減小至4.85億m3，庫(kù)容損失45.87%，水庫(kù)縱向淤積為三角洲淤積形態(tài)，淤積集中發(fā)生在壩上0～57km河段內(nèi)，水庫(kù)已基本達(dá)到設(shè)計(jì)沖淤平衡狀態(tài)。

樞紐上游來(lái)沙顆粒質(zhì)堅(jiān)粒硬，機(jī)組運(yùn)行工況惡劣，在高速高含沙水流條件下，自2012年開(kāi)始，萬(wàn)家寨水輪機(jī)嚴(yán)重磨蝕逐年顯現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片、下環(huán)及導(dǎo)葉等部位出現(xiàn)了較大的汽蝕坑和魚(yú)鱗坑，部分坑深達(dá)20mm。在水力空蝕和泥沙磨損聯(lián)合作用下，水輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況，過(guò)流部件的磨蝕破壞加劇，機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下漏水嚴(yán)重，水力效率降低，檢修時(shí)間延長(zhǎng)。

針對(duì)水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉磨蝕導(dǎo)致漏水嚴(yán)重的問(wèn)題，萬(wàn)家寨水電站管理部門(mén)采用黃河水利科學(xué)研究院研發(fā)的鋼塑復(fù)合聚氨醋導(dǎo)葉密封板，對(duì)1#和4#機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造。

1 活動(dòng)導(dǎo)葉立面密封磨蝕情況

萬(wàn)家寨水電站1#-4#機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉由法國(guó)阿爾斯通水電設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)和制造，每臺(tái)機(jī)組有24個(gè)導(dǎo)葉，材質(zhì)為ZG20SiMn，總高度3614mm，導(dǎo)葉上下端面凈距離為1747.2mm，單個(gè)導(dǎo)葉質(zhì)量為3050kg，導(dǎo)葉密封形式為傳統(tǒng)的剛性密封，密封部位見(jiàn)圖1。

萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封設(shè)計(jì)采用不銹鋼金屬硬密封方式，通過(guò)接力器的壓緊行程來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)狀態(tài)下導(dǎo)葉密封，接力器壓緊行程為5～7mm[3]。理論上密封效果應(yīng)該很好，但黃河水流含沙量大，電站經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，在高含沙水流長(zhǎng)期沖刷作用下，導(dǎo)葉的剛性立面密封面發(fā)生磨損，加劇了密封處的氣蝕，并且形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致導(dǎo)葉立面密封磨蝕嚴(yán)重，見(jiàn)圖2、圖3。

導(dǎo)葉磨蝕嚴(yán)重導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下漏水量很大，造成機(jī)組停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，增加了風(fēng)閘制動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損。同時(shí)，當(dāng)導(dǎo)葉漏水較多時(shí)，機(jī)組有“潛動(dòng)”現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅機(jī)組推力軸承等設(shè)備的安全，導(dǎo)致水車(chē)室噪音嚴(yán)重超標(biāo)。大量的漏水也直接影響電站的發(fā)電效益。2導(dǎo)葉剛性密封磨蝕傳統(tǒng)處理方式

導(dǎo)葉剛性密封磨蝕后一般通過(guò)堆焊的方式對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，即先刨去磨蝕區(qū)，然后進(jìn)行電焊堆焊處理，堆焊完畢后再用角磨機(jī)打磨處理。該方法往往通過(guò)電焊、打磨多次重復(fù)處理才能滿足要求，剛性密封面修形比較困難，現(xiàn)場(chǎng)加工處理?xiàng)l件很難保證密封面本身的平直度和粗糙度，容易引起導(dǎo)葉處理后開(kāi)度不均勻。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況來(lái)看，采用傳統(tǒng)堆焊技術(shù)處理后，堆焊點(diǎn)變成了金屬汽蝕的脆弱點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一個(gè)小修周期后，堆焊面即被磨蝕殆盡，進(jìn)一步汽蝕傷害到活動(dòng)導(dǎo)葉的本體母材，嚴(yán)重影響了活動(dòng)導(dǎo)葉的使用壽命。

3 活動(dòng)導(dǎo)葉立面密封磨蝕技術(shù)改造

參照國(guó)內(nèi)其他電站密封改造的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)以及萬(wàn)家寨水電站導(dǎo)葉的實(shí)際情況，決定將導(dǎo)葉密封方式由剛性硬密封改為彈性軟密封，密封材料可在小修期間自行更換。文獻(xiàn)[4-7]研究表明，已有水電站采用三角形實(shí)心和空心兩種密封條對(duì)導(dǎo)葉剛性密封進(jìn)行改造，在導(dǎo)葉立面密封大頭面開(kāi)燕尾槽或者梯形槽進(jìn)行安裝和固定。這種密封方式投運(yùn)初期密封效果較好，但是運(yùn)行一段時(shí)間后，密封條與燕尾槽或梯形槽交接位置易出現(xiàn)汽蝕，加上密封條體積小、材質(zhì)軟，易從固定槽內(nèi)脫落導(dǎo)致密封失效。

為了避免出現(xiàn)上述問(wèn)題，將密封條設(shè)計(jì)為矩形板狀結(jié)構(gòu)，中間有突起，見(jiàn)圖4。在導(dǎo)葉大頭密封面開(kāi)方形槽加裝聚氨酯密封板，在密封板上加工螺栓孔，根據(jù)密封板螺栓孔布置，在密封槽底平面加工螺栓孔，通過(guò)內(nèi)六角螺栓將密封板可靠地固定于導(dǎo)葉上。同時(shí)，導(dǎo)葉小頭的剛性密封面與大頭的彈性密封面剛?cè)峤Y(jié)合，具有一定的互補(bǔ)作用，可有效抑制漏水。

3.1 密封板材料選擇

表1列出了各種材料的抗磨指數(shù)，指數(shù)越小，抗磨性能越高。聚氨酯材料的抗磨蝕性能明顯優(yōu)于其他材料，因此選擇聚氨醋作為密封板的主要材料。通過(guò)對(duì)聚氨醋材料進(jìn)行改性，使其具有較高的彈性及強(qiáng)度，同時(shí)具有優(yōu)異的耐水性、耐磨性、耐油性、耐疲勞、耐撕裂及抗震動(dòng)性等。

3.2 聚氨酯密封板設(shè)計(jì)

為了控制圓弧突起引起的汽蝕影響，在止水圓弧后仍采用聚氨酯彈性體（見(jiàn)圖5），可較好地解決導(dǎo)葉加裝密封條后產(chǎn)生汽蝕問(wèn)題。

3.3密封板安裝

在導(dǎo)葉大頭密封面開(kāi)方形槽加裝密封板，方形槽尺寸及固定螺栓孔位置與聚氨酯密封板尺寸相對(duì)應(yīng)。方形槽底部、側(cè)面及不銹鋼內(nèi)六角螺栓螺絲上涂刷復(fù)合樹(shù)脂膠液。按照螺栓孔對(duì)齊的原則，將鋼塑復(fù)合聚氨酯密封板放置在活動(dòng)導(dǎo)葉方形槽內(nèi)，迅速用不銹鋼螺栓進(jìn)行把合。聚氨酯密封板固定后，在不銹鋼螺栓孔、密封板與活動(dòng)導(dǎo)葉相鄰臺(tái)階用配置好的聚氨酯復(fù)合樹(shù)脂砂漿進(jìn)行封孔和光滑過(guò)渡處理（見(jiàn)圖6）。這樣一方面避免密封板兩側(cè)與導(dǎo)葉接觸部位受水流沖刷而產(chǎn)生磨損，另一方面保證導(dǎo)葉大頭的型線，防止水流經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)、脫流等現(xiàn)象。

4 運(yùn)行效果

萬(wàn)家寨水電站于2014年6月對(duì)1#機(jī)組進(jìn)行改造，2015年1月檢查，導(dǎo)葉密封良好，未見(jiàn)磨蝕情況，只有局部過(guò)渡復(fù)合樹(shù)脂砂漿出現(xiàn)了脫落情況，事后采用快速修補(bǔ)砂漿進(jìn)行修復(fù)處理。2015年12月第二次檢查，密封效果好，未見(jiàn)磨蝕情況。為了解決密封條過(guò)渡砂漿因過(guò)渡范圍太小易脫落的問(wèn)題，同時(shí)有效抑制導(dǎo)葉磨蝕加劇，2015年7月對(duì)4#機(jī)組進(jìn)行改造，并采用復(fù)合樹(shù)脂砂漿對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行了整體防護(hù)，2016年1月檢查，效果良好，未見(jiàn)磨蝕情況，見(jiàn)圖7。

5 結(jié)論

聚氨酯密封板具有較高的強(qiáng)度，優(yōu)異的m3磨性、m3水性，現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)便，安裝拆卸方便，能夠起到有效的抗磨和抑制漏水的作用，成功地解決了萬(wàn)家寨水電站活動(dòng)導(dǎo)葉密封失效的問(wèn)題，提高了導(dǎo)葉全關(guān)狀態(tài)下的密封性能，消除了正常停機(jī)時(shí)因?qū)~漏水量大而導(dǎo)致的機(jī)組“潛動(dòng)”現(xiàn)象，取得了良好的效果，可為其他水電站活動(dòng)導(dǎo)葉密封改造提供借鑒。

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