水布垭电站水轮机顶盖渗漏问题研究与处理

李 权，谢 斐，吴盼盼

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

水轮机顶盖[1]的作用是与底环一起构成过流通道，防止水流上溢；支撑导叶、传动机构以及有的机组的操纵机构；支撑水导轴承以及其它附属装置。

1 电站概况

清江水布垭电站装有4台单机为460 MW混流式水轮发电机组，额定水头183.5 m，设计流量278 m3/s，保证出力312 MW，水轮机型号为：HLS45-LJ-597，由上海福伊特西门子水电设备有限公司设计制造。

2 运行状况

水布垭电站顶盖渗漏主要是顶盖渗油和渗水两方面问题。

水布垭电站水导油箱由挡油桶、油槽底板和顶盖等附件组成。机组运行多年后，由顶盖组成的水导油箱部分在顶盖组合缝处开始渗油，并且渗油情况有变严重的趋势。顶盖渗油的问题导致水导轴承透平油浪费情况时刻存在，并且也是水导轴承运行的安全隐患。

水布垭电站顶盖止漏环是通过螺栓固定在顶盖上的，在机组扩修过程中，发现在轴向方向止漏环与顶盖之间一侧间隙很大，间隙大的侧面密封因没有压缩量处于失效状态，出现了转轮室的压力水从密封失效处进入到止漏环与顶盖空腔，然后从止漏环的紧固螺栓螺纹处渗漏到顶盖外，并且机组扩修中发现有6颗止漏环紧固螺栓发生断裂，存在压力水通过螺孔喷出导致水淹水导的安全隐患，目前仅通过更换密封不能解决这个安全隐患。

3 渗漏分析

3.1 关于顶盖渗油问题的分析

水布垭电站水导轴承油箱内油量自2015年开始出现不正常减少的情况。无论是查看的油位计油位还是对比实测油位，均表明水导油箱出现了渗油现象。逐一核查排除了水导油箱底板和水导挡油桶渗油，锁定了水导油箱渗油的部位为水导油箱顶盖组成部位，具体渗油部位件图1中左上部标红线处。顶盖渗油的根本的原因是由于顶盖分瓣组合缝处密封老化失效，顶盖组合缝内形成了油路通道，水导油箱内透平油通过密封失效的顶盖组合缝渗油到油箱外部。

图1 顶盖渗油处图

3.2 关于顶盖渗水问题的分析

水布垭电站机组在扩修过程中拆卸起吊顶盖时发现止漏环与顶盖间的夹腔内有大量积水漏出，见图2。止漏环与顶盖间夹腔内是机组设计中本不应该有水渗入的，并且在止漏环紧固螺栓处也发现有少量水渗出。另扩修中检查发现顶盖和止漏环轴向配合面间隙不均匀，配合面存在打磨的痕迹。在+Y偏-X间隙偏大约为0.70 mm，在对称侧约为0.20 mm，(5135H8/f7设计配合单边间隙为0.10～0.6 mm 考虑到密封压缩，单边间隙控制在0.40 mm能够较好的封水)。+Y偏-X间隙偏大约为0.70 mm存在密封压缩量过小存在漏水的情况。实际情况亦是如此。由此可以确认顶盖漏水部位就是顶盖与止漏环配合间隙处。

图2 顶盖积水夹腔图

同时还发现止漏环紧固螺栓有6颗断裂(共132颗M24 A2-70不锈钢螺栓)，断裂方位在+Y偏+X。止漏环进行清扫PT探伤发现，发现立筋板与上环板联接焊缝有14条开裂，见图3。

图3 止漏环筋板裂纹

依据安装时候的情况说明，3号机组顶盖止漏环按厂家设计规范要求与顶盖把合后，实际测量时发现其圆度同样不能达到规范要求，以及在现场发现止漏环外沿有打磨的痕迹，止漏环的外圆存在不圆的情况。由此可知，顶盖与止漏环的间隙超标，引起两者间密封失效是导致顶盖渗水的主要原因。

由于漏水方位与立筋裂纹及螺栓断裂方位基本一致，因此可认为由于止漏环与顶盖轴向的密封漏水导致存在压力脉动引起止漏环振动加剧。由此也反应了止漏环紧固螺栓断裂和止漏环立筋裂纹是顶盖与止漏环渗水产生一系列不良影响。

4 渗漏处理

4.1 关于顶盖渗油问题的处理

考虑到水布垭电站顶盖组合面的密封条更换难度大，并且密封条在此复杂环境中使用寿命的年限不确定性，同时更重要的是顶盖以后已经没有了分瓣检修的必要，所以采取对顶盖分瓣面进行封焊处理[2]，使顶盖形成整体以消除渗油可能性。

对顶盖分瓣面封焊处理方法和技术[3]要求如下：

1)在顶盖分瓣处打出 4×45°左右的坡口，即在的两个分瓣面过水过油的配合处打磨坡口。打坡口范围见图1中标红线部分。

2)对密封槽端部进行塞焊并修磨，塞焊范围见图4中标红线部分。所有有配合要求的封焊面必须抛光打磨，并要求抛光后封焊面满足装配密封要求。

图4 顶盖密封槽端部塞焊部位图

3)对分瓣面进行封焊，使用氩弧焊打底以便保证封焊质量。分瓣面封焊和修磨完成后，使用DPT5检测剂检测焊接质量，封焊面不得有气孔和裂纹。

4.2 关于顶盖渗水问题的处理

鉴于止漏环与顶盖配合面的圆度超标情况，无法进行止漏环修复，同时顶盖以后都没有分瓣的必要，所以可以考虑将止漏环与顶盖组焊成一个整体的[4]。止漏环封焊可以解决漏水的问题，同时可以解决漏水引起的压力脉动和水力振动[5]，让止漏环与顶盖焊接和螺栓联合受力是有向好趋势的改善。因焊接只是封焊，熔深比较少。如后续扩修发现封焊开裂或者定期对固定螺栓检查发现断裂数量多可以刨开焊缝检查止漏环。在工艺合理，控制好变形的前提下，将顶盖和止漏环封焊成一体的方法是合理、可行的。

对顶盖与止漏环封焊处理方法和技术[3,6]要求如下：

1)由于止漏环的设计，其主体采用环板与锥桶焊接结构，截面呈三角结构，且背部有顶盖支撑，整体结构刚性和受力情况较好。但由于材料使用的是1Cr18Ni9Ti奥氏体抗晶间腐蚀不锈钢，焊后较难通过效应力热处理消除焊接残余应力，因此封焊处理过程中，不断有应力释放，所以焊接关键在于控制变形，采用对称分段跳焊并架表监测是必要的，也是要严格控制的。

2)对顶盖和止漏环配合的上下两个面进行封焊，使用氩弧焊打底以便保证封焊质量，封焊范围为图5中位置1和位置2。止漏环内圆处无需开坡口，整圈角焊，焊高4 mm左右。止漏环外圆处在顶盖上开坡口4 mm×45°。焊接使用手工电弧焊或氩弧焊工艺。

图5 顶盖与止漏环封焊部位图

焊材选用E309L-16 3.2 mm不锈钢焊条或ER309L 2 mm不锈钢焊条。封焊完成后进行修磨处理，再使用DPT5检测剂检测焊接质量，封焊面不得有气孔和裂纹。

3)封焊完成后，利用顶丝孔制作专用工装做密闭性试验，要求封焊部位不能发生渗漏情况。

5 结 语

本文为水布垭电站顶盖渗漏问题找到了解决方案。解决了水布垭电站顶盖从2015年开始出现渗水和渗油的问题，消除了机组存在的安全隐患和对环境的污染，且在机组扩修实施后顶盖成功通过了机组试运行的各项试验检测。该方案在成功解决水布垭电站水轮机顶盖渗漏问题的同时，也为其他电站的水轮机针对类似问题的检修提供了借鉴。