陆水电厂3#机转轮室更换技术探讨

陈汉辉,白久武,赵伟光,冯伟涛

(陆水试验枢纽管理局,湖北 赤壁 437300)

1 概 述

陆水水力发电厂装有4台10.1 MW的轴流转浆式机组和1台2.3 MW混流式机组,总装机容量为42.7 MW。四台轴流转浆式水轮机型号为LS591-LH-300,转轮直径为3 000mm,设计水头20m,最高水头 26m,最低水头 14m,额定流量62m3/s,机组额定转速为187.5r/min。

2008年9月在对3#机组进行大修时,发现该机组转轮室汽蚀较严重,特别是转轮中心线上下约500mm范围的整个圆周上有一圈坑坑洼洼的汽蚀区域,汽蚀面积达到整个转轮室面积的60%,汽蚀深度达到12mm以上,局部出现穿孔现象。

轴流转浆式水轮机的汽蚀主要是间隙汽蚀。它主要是由于水流通过转轮室与转轮的较小通道或夹缝时,由于流速升高、压力降低所产生的。在间隙汽蚀的作用下,转轮室和叶片外缘等都将遭到破坏。汽蚀的后果是严重的,它不仅破坏机件,还会引起噪声、振动和效率下降,而且使大修周期缩短、工期延长、检修费用增加。目前,在国内外对转轮室汽蚀的防护普遍采取的措施除了尽量避免机组在汽蚀区运行外,再就是对汽蚀部位采取一些保护措施,如用不锈钢焊条补焊、在转轮室基面喷涂不锈钢等。但这些措施仍然不能较好地解决问题,如用不锈钢焊条补焊由于受施工工艺限制,焊渣难以完全清除干净,焊条与焊接母材之间结合力差,经过一段时间后,汽蚀仍然发生;基面喷涂不锈钢虽然硬度、耐磨性及抗压强度高,但喷涂层本身抗拉、抗剪切和抗冲击能力低。

要较好地解决汽蚀问题,目前有资料可查的处理办法除了新转轮室材料采用特殊不锈钢外,通常采用的办法是:凿除转轮室钢衬后面的一期混凝土,割除原来的钢筋,拆除被破坏的钢衬,重新选用特殊不锈钢材料加工制作新转轮室,新转轮室安装就位再浇筑,恢复凿除部位的钢筋混凝土。这种办法虽然能基本解决问题,但要重新施工安装,要投入巨大的人力物力,预计所需时间为一年左右,费用特别高。因此,我厂经过技术经济分析比较,提出了一种全新的处理方案即整体铸造加工分瓣安装的转轮室整体更换方法。这种方法的成功实施,为国内早期兴建的水电厂转轮室类似汽蚀问题的处理提供了新的思路。

2 方案简介

转轮室高度为850mm,转轮室上端面加强筋用螺栓与机组座环连接,下端面通过焊接与尾水锥管连接,而发生汽蚀的部位主要在转轮室中部约500mm高度的整个圆环范围内。因此,我们的初步方案就是既考虑转轮室安装基准予以保留,又要从根本上解决转轮室汽蚀问题,决定将转轮室易汽蚀部位整圆剔除,制作一个分块转轮室重新装上替代剔除的已严重汽蚀部分。

3 剔除旧转轮室汽蚀部位

由于汽蚀部位主要发生在转轮室中部的球面位置,因此以水轮机座环水平面为基准,确定剔除部位的高度尺寸,再设计绘制出分块转轮室制作尺寸。考虑到新转轮室安装的基准,旧转轮室拆除时以水轮机座环水平面为基准将转轮室上部汽蚀不严重的部位 70mm予以保留,下部汽蚀不严重的部位150mm予以保留,采用气刨设备将中间整个圆周高度620mm的汽蚀部位内的钢衬连同横筋和竖筋全部拆除。具体拆除范围见示意图1。

图1 拆除部位示意图

拆除钢衬后,凿除钢衬下的部分混凝土,凿除混凝土的厚度既要保证新转轮室的安装尺寸,又不能破坏原转轮室二期混凝土内的钢筋,我们选择凿除混凝土的厚度在150～170mm。

4 新转轮室设计制作

经过咨询相关专家,我们委托西安奇峰能源动力设备有限公司进行新转轮室的设计和加工。选用抗拉强度、屈服强度和硬度较高的ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢材料铸造。

为解决新转轮室安装难度大的问题,经与设计及制造方研究共同制定转轮室加工方案。先进行转轮室整体铸造及热处理,热处理后的整体铸件切割成四瓣,然后用把合螺栓把四瓣拼装成整圆在数控车床上加工内壁和上下平面。

在每一瓣把合螺栓连接缝附近,用线切割机割出4个100×150mm的把合螺栓连接安装孔,在上下端面加工出V型焊接坡口。具体制作见示意图2。

图2 转轮室加工示意图

5 安 装

安装前,将旧转轮室混凝土表面清洗干净,上下两端面打磨平整,在下端面适当位置刨出安装楔铁的窄槽,在窄槽内放入成对楔铁,以备调整水平时用。

将每块转轮室部件吊入就位并依次用螺栓连接,以座环和旧转轮室下部为基准,用转轮室流线模型检查,以保证分瓣新转轮室平齐或略低于原转轮室0.5mm左右,用千斤顶调整转轮室中心和椭圆度。符合要求后,将楔入块的立缝进行分段分层焊接。调整高程时以底环为基准,用楔铁调、钢板尺测量,使转轮室高程下偏差在-3mm范围内,水平偏差在0.5mm内。

上述粗调工序完成后,在上机架与锥管间安装求心器,用内径千分尺来测量定子、底环中心,反求转轮室中心,利用千斤顶和楔铁来精调,使中心、高程、水平误差控制在允许范围内。符合要求后,将新旧转轮室接触面点焊固定。

6 转轮室焊接、打磨

由于新旧转轮室材质分别为ZG06Cr13Ni4Mo、ZG25B,新旧转轮室上下两条连接缝采用异种不锈钢207焊条施焊,新转轮室螺栓连接安装孔由于是同种材质,可用普通不锈钢焊条施焊。为防止焊接过程的焊接变形,将上下两端面需焊接部分分别划分为20～30cm的小段,两名焊工严格按照分步对称跳步焊接法进行分层焊接。用百分表监视转轮室内圆尺寸变化。16个螺栓连接安装孔中,在对称的两个连接孔边缘预留 Φ 30mm灌浆孔,其余部位同样按照分步对称跳步焊接法进行分层焊接。全部焊接完工后,用砂轮机将焊缝打磨平整。复查转轮室中心、高程、水平,直至符合要求止。

7 混凝土浇筑

由于四瓣转轮室与基础混凝土之间有约150mm左右的间隙,必须浇筑混凝土以将水流对转轮室内壁的压力传递到基础混凝土上。

为防止转轮室钢衬后面出现空心或蜂窝等,我们采用了压力灌浆的方式进行浇筑。浇筑过程中,在转轮室不同方向架设百分表进行监视,调整控制灌浆压力在2～3kg/cm2之间,保证转轮室内壁受压不发生较大的变形。灌浆完成后,封堵灌浆孔并打磨。安装、打磨、灌浆等工序完成后,可用模型进行检查,也可吊入转轮体进行检查,保证桨叶与转轮室内壁之间的间隙符合要求。

混凝土浇筑后即可进行机组回装,经过一段时间凝固保养后机组就可正常开机发电。