紫坪鋪電站2#機組頂蓋止漏環(huán)損壞原因分析及處理

趙文杰，王中元

(四川省紫坪鋪開發(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)，安裝有四臺單機容量190 MW的混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量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)電機組采用國際競爭性公開招標(biāo)，選定東方電機股份有限公司(簡稱“東方電機”)為設(shè)備制造供應(yīng)商。其中，俄羅斯列寧格勒金屬工廠(以下簡稱為“LMZ”)作為分包商承擔(dān)了水輪機模型試驗和轉(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)控機床上加工而成。轉(zhuǎn)輪為整體轉(zhuǎn)輪，從俄羅斯運至紫坪鋪工地。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)計允許轉(zhuǎn)輪向上或向下的移動量不小于20 mm。轉(zhuǎn)動止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪連在一起，在車間內(nèi)經(jīng)過靜平衡試驗。

紫坪鋪水電站機組運行最顯著的特點是水頭變幅大。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#機組計劃B修中，發(fā)現(xiàn)頂蓋止漏環(huán)焊縫有嚴(yán)重開裂脫空情況，在3#導(dǎo)葉至7#導(dǎo)葉之間對應(yīng)止漏環(huán)有寬度為0.7 mm、深度為3 mm、長度約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，裂縫長度占焊縫總長度的1/5(圖1)。

圖1 頂蓋止漏環(huán)開裂圖

在+X(于活動導(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，且測量數(shù)據(jù)無明顯規(guī)律。具體數(shù)據(jù)見圖2。在頂蓋被拆出后還發(fā)現(xiàn)活動導(dǎo)葉4#、5#、6#、7#對應(yīng)的頂蓋止漏環(huán)表面顏色較深，有燒損跡象。

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

圖2 轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙測量數(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)，筆者就以下幾個方面圍繞止漏環(huán)損壞問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#機組檢修中現(xiàn)場檢查的情況，現(xiàn)從設(shè)計、制造、安裝、運行環(huán)境等方面對頂蓋止漏環(huán)損壞原因進(jìn)行分析。

3.1 設(shè)計方面的影響

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。

對于轉(zhuǎn)輪上的轉(zhuǎn)動止漏環(huán)，國內(nèi)通常采用“熱套”的辦法。對于頂蓋、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。

東方電機采用的固定止漏環(huán)結(jié)構(gòu)無論是固定止漏環(huán)上、下端焊接的結(jié)構(gòu)，還是冷凍的過盈配合結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷了長期運行的考驗。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)間隙處的脈動壓力可由上、下兩道整圈焊縫承擔(dān);當(dāng)采用過盈配合結(jié)構(gòu)時，固定止漏環(huán)背部無間隙，徑向壓力脈動已直接由頂蓋或底環(huán)承擔(dān)，切向力由過盈配合中的內(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%的水壓脈動應(yīng)力(計算值＜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題。

止漏環(huán)最小設(shè)計間隙是根據(jù)軸系在給定的水力不平衡力、機械不平衡力、電磁不平衡力作用下引起的軸系的動擺度，綜合考慮轉(zhuǎn)輪在運行中由于離心力、水壓力作用引起的膨脹以及盤車結(jié)果后確定的。發(fā)電機組軸系的臨界轉(zhuǎn)速直接影響機組的安全運行，同時也影響到機組的壽命。在機組軸系臨界轉(zhuǎn)速處其振動最大，要使機組安全運行，就必須使軸系臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離工作轉(zhuǎn)速。東方電機采用轉(zhuǎn)子動力學(xué)程序ARMD對紫坪鋪電站機組軸系的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計算，并得出了機組軸系一階臨界轉(zhuǎn)速和一階振型。在主軸徑向振動響應(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)電機轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪處機械不平衡力。計算結(jié)果表明:機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)離機組工作轉(zhuǎn)速。因此，機組運行及飛逸狀態(tài)不會引起機組共振而產(chǎn)生較大振動，機組能夠安全穩(wěn)定運行。

對于止漏環(huán)設(shè)計間隙，國內(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)東方電機提供的圖紙，紫坪鋪電站機組固定止漏環(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)計的最小間隙為1.9 mm，約為0.39/1 000，下環(huán)處設(shè)計的最小間隙為2.1 mm，約為 0.43/1 000。

紫坪鋪電站機組與國內(nèi)外其它機組的設(shè)計間隙值比較情況列于表1中。從表1可以看出，國內(nèi)外一些制造廠對上下止漏環(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。紫坪鋪電站機組對軸系動態(tài)特性計算得出的止漏環(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)動止漏環(huán)接觸的可能性沒有，其止漏環(huán)間隙設(shè)計值是合理的。

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)裝配焊接時發(fā)生過質(zhì)量問題，埋下了隱患，這種可能性暫時不能排除。如果在制造加工過程中，由于工藝和技術(shù)水平的限制，導(dǎo)致實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，止漏環(huán)與頂蓋的裝配間隙過大，運行中止漏環(huán)的受力是靠焊接而不是直接傳到頂蓋上。但由于現(xiàn)場損壞嚴(yán)重，對于這種情況的鑒定有相當(dāng)大的難度。

表1 國內(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)場安裝方面的影響

紫坪鋪電站2#機組于2006年初完成安裝，2006年3月首次啟動運行。機組安裝后，在現(xiàn)場監(jiān)理人員的監(jiān)督下實際測量了上、下止漏環(huán)的間隙值，其均在設(shè)計值范圍內(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)間隙的測量，數(shù)據(jù)亦在設(shè)計值范圍內(nèi)，故基本上可以排除安裝方面的影響因素。

3.4 運行環(huán)境方面的影響

紫坪鋪電站機組從一般意義上講運行難度不大。因為從裝機容量上看，其單機只有190 MW;從部件尺寸看，其轉(zhuǎn)輪直徑只有4.85 m，都不算很大。但該電站具有一個特點，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，比之因運行范圍寬而引起全國廣泛關(guān)注的三峽電站機組有過之而無不及(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)，該機組還是具有相當(dāng)難度的。因此，在主機招標(biāo)過程中，對于機組的超寬運行范圍內(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股份有限公司來生產(chǎn)紫坪鋪電站的水輪發(fā)電機組，其水輪機轉(zhuǎn)輪整體從俄羅斯LMZ進(jìn)口，水力設(shè)計也由俄羅斯LMZ提供。

對于紫坪鋪電站這樣水頭和負(fù)荷變化大的機組，應(yīng)該把安全穩(wěn)定運行放在首位。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)有一個壓力脈動較大的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)主頻下的最大壓力脈動達(dá)7%之多，屬水力不穩(wěn)定區(qū)。紫坪鋪電站機組應(yīng)盡量在運行時注意以下問題:(1)水輪機在低水頭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)壓力脈動較大，因此，應(yīng)盡可能避免在該區(qū)域內(nèi)運行。(2)在高水頭區(qū)域，應(yīng)盡可能運行在大負(fù)荷工況。

但實際情況是，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，開停機次數(shù)較多;另外，為滿足下游供水要求，電調(diào)服從水調(diào)，機組長時間運行在振動邊緣或壓力脈動大的區(qū)域內(nèi)，故未能在運行中注意避免惡劣工況，完全做到水輪機的良好運行。這或許是造成(或加劇)頂蓋止漏環(huán)損壞的一個重要原因。

2#機組上次B修時間為2008年4月3日，當(dāng)時未發(fā)現(xiàn)止漏環(huán)間隙異常和焊縫開裂現(xiàn)象。2008年5月12日發(fā)生了汶川8級特大地震，距離震中僅17 km的紫坪鋪工程基礎(chǔ)設(shè)施和機電設(shè)備遭受了重大損失。其中2#機組遭受地震外力影響最大，這一點可以從地震后設(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，這說明地震對電廠設(shè)備在X向有一個較大的外力。這與地震后2#機組檢修中在+X方向轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙實測為0.15 mm(最小設(shè) 計 值 為1.9 mm)且焊縫開裂脫空不能不說存在某種必然的聯(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)致機組頂蓋在實際運行中嚴(yán)重?fù)p壞是一種最有可能的原因。

4 處理措施

東方電機根據(jù)止漏環(huán)開裂、由于開裂造成頂蓋止漏環(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，及時對開裂部位進(jìn)行修復(fù)。該方案能在較短的時間對開裂部分進(jìn)行焊接處理，使機組盡快恢復(fù)運行，但焊接位置較差，且無法解決止漏環(huán)間的間隙過小及開裂后頂蓋止漏環(huán)與頂蓋之間產(chǎn)生空隙的問題，存在再次開裂的隱患，以后要經(jīng)常進(jìn)行檢查。

方案二:將頂蓋取出后對焊縫進(jìn)行處理，加工內(nèi)圓，滿足間隙要求。對整條焊縫進(jìn)行清理后重新焊接，再對頂蓋止漏環(huán)內(nèi)圓進(jìn)行加工。該方案能暫時解決止漏環(huán)間隙問題，但從長期運行來說，留下了一定隱患且現(xiàn)場不具備焊接條件。

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較長。

根據(jù)止漏環(huán)開裂并因開裂造成頂蓋止漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙變小的情況，為防止長期運行造成轉(zhuǎn)輪磨損，進(jìn)一步加重設(shè)備損壞，影響機組正常運行，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#機組止漏環(huán)存在的問題。

按照東方電機設(shè)計的意見，測量好備品止漏環(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)計值，從而確保機組安全運行。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個工作日;轉(zhuǎn)序立車對安裝止漏環(huán)的基準(zhǔn)面找正工期為2個工作日;備品止漏環(huán)尺寸檢查(不占直線工期)水輪機總裝平臺套裝止漏環(huán)工期為3個工作日;止漏環(huán)與頂蓋焊接工期為9個工作日;立車加工工期為3個工作日。根據(jù)東方電機確定的頂蓋止漏環(huán)更換時間要求(30 d)和機組拆卸、恢復(fù)時間要求(30 d)，2#機組從B修轉(zhuǎn)為A修。

返廠處理好的2#機組頂蓋通過5個多月時間的運行觀察，未發(fā)現(xiàn)異常，機組振擺及各部軸承溫度實測正常。

5 結(jié)語

水輪機止漏環(huán)的作用是用來減少轉(zhuǎn)動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，不僅會降低機組的效率，而且會對機組運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，后果非常嚴(yán)重，因此，必須對其運行情況加強監(jiān)視。但很多機組隱患并不直接表現(xiàn)在機組的外部表象上，而需要通過相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如機組振動及擺度、異響及異味等，這些都需要運行維護人員仔細(xì)檢查并作甑別后才能得知故障所在。紫坪鋪電站利用機組檢修的機會，通過測量止漏環(huán)間隙值發(fā)現(xiàn)了止漏環(huán)損壞這一重大隱患，經(jīng)過認(rèn)真分析并及時采取妥善的處理對策予以解決，對其他同類型電站具有一定的借鑒作用。