水輪機(jī)泄水錐脫落后水下運(yùn)輸安裝恢復(fù)技術(shù)

馬 濤，馬禹晨

（1.安康水力發(fā)電廠，陜西 安康725000；2.河海大學(xué)，江蘇 南京211100）

1 概述

安康水電廠3號(hào)機(jī)組于1991年6月份投產(chǎn)發(fā)電，水輪機(jī)為東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)的HL220-LJ-550型，轉(zhuǎn)輪為H702葉片增強(qiáng)型。2013年2月B級(jí)檢修中發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)水輪機(jī)泄水錐缺失，在尾水管內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)脫落的泄水錐，判斷已沖入下游河道。經(jīng)檢查，泄水錐與上冠法蘭緊固螺栓（M42共16個(gè)）斷裂，殘余4個(gè)在上冠法蘭螺孔內(nèi)，其余12個(gè)螺栓完全脫落。聯(lián)系到此前水導(dǎo)軸承運(yùn)行擺度超標(biāo)，達(dá)0.55～0.66 mm，判斷由此所致。由于泄水錐外形尺寸大，而尾水管進(jìn)人孔尺寸?。?00 mm×600 mm），在B級(jí)檢修不拆吊轉(zhuǎn)輪出機(jī)坑的情況下，如何快速優(yōu)質(zhì)地恢復(fù)泄水錐，是個(gè)難題。

泄水錐基本參數(shù)：總重2.95 t，頂部直徑Φ2 345 D4/dc4，底部直徑Φ602，整體高度1 438 mm，材質(zhì)16 Mn。泄水錐結(jié)構(gòu)見圖1所示。

2 方案比選

（1）方案一：經(jīng)尾水管人孔運(yùn)輸。新泄水錐分瓣制作，從進(jìn)人孔運(yùn)進(jìn)尾水管，然后焊接拼圓。此種方式，泄水錐分瓣制作加工需要45 d，焊接需要15～20 d，焊接中變形控制較為困難，焊接后無法在現(xiàn)場進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力，因工期長、施工難度大、質(zhì)量無保障，故不可取。

圖1 泄水錐結(jié)構(gòu)圖

（2）方案二：水下運(yùn)輸，經(jīng)尾水閘門進(jìn)入。新泄水錐整體制造，采取水下運(yùn)輸，由尾水閘門經(jīng)過尾水管運(yùn)達(dá)轉(zhuǎn)輪附近。方法是：將一個(gè)金屬導(dǎo)送座沉入尾水閘門外水底，再將泄水錐吊放到金屬導(dǎo)送座上，泄水錐沿導(dǎo)送座以自重自由滑移至尾水閘門內(nèi)側(cè)，然后落下尾水門，排空尾水管存水。人員進(jìn)入尾水管內(nèi)，將泄水錐沿尾水管運(yùn)至轉(zhuǎn)輪下，之后安裝就位。

（3）方案二計(jì)算

由于尾水管出水口底坎與水平面之間斜度為1：9.5，則傾角為arctg1/9.5=4.74°。為保證滑落過程中速度均勻，無卡阻顛簸和停頓，與尾水管出口底坎斜度保持一致，導(dǎo)送座按5°制作。

泄水錐自重滑落受力見圖2。

圖2 泄水錐自重滑落受力

泄水錐水下受浮力為：

泄水錐的浮力=泄水錐排開水體積×水的密度

=（2 950 kg+ 小車重 150 kg）×1/7.95

=390 kg

故泄水錐水下重力為：3 100-390=2 710 kg。

泄水錐滑移分力

F1=Gsinθ=（2 950 kg+ 小 車 重 150 kg）×sin5°×9.8 N/kg× （1-1/7.95）

=2 710 kg×0.087 2×9.8 N/kg

=2 315 N

泄水錐受到的摩擦阻力

N=Gcosθ=2 710 kg×cos5°×9.8 N/kg

=26 457 N

泄水錐小車與導(dǎo)送座之間的摩擦阻力，在滾動(dòng)摩擦?xí)r，其系數(shù)為0.021，故為0.021N=556 N

泄水錐前進(jìn)方向受到的流體阻力F2，主要與流體密度、泄水錐流線型裝、行進(jìn)速度有關(guān)。參照強(qiáng)風(fēng)時(shí)風(fēng)阻為19.044 kg/m2，受力面積為泄水錐平面投影面積計(jì)算

F2=（2.345 m×1.438 m/2）×19.044 kg/m2

=32.1 kg=315 N

可見，泄水錐水下在斜度為5°的導(dǎo)送座所受的下滑動(dòng)力2 315 N＞泄水錐與導(dǎo)送座之間滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的阻力556 N+水流產(chǎn)生的阻力315 N，所以，泄水錐在5°導(dǎo)送座上滿足自重下滑要求，且有1倍以上的裕量。

分析認(rèn)為，方案二工期短、技術(shù)可行，質(zhì)量有保障，予以采用。方案一作為備用。

方案二實(shí)施之前，在安裝間進(jìn)行模擬試驗(yàn)，校驗(yàn)泄水錐在導(dǎo)送座滑行速度以及穩(wěn)定性狀態(tài)，滑行方向及距離。模擬試驗(yàn)起重機(jī)在水下潛水員配合下吊放后重新進(jìn)行位置調(diào)整能力。特別檢驗(yàn)了導(dǎo)送座在尾水門槽附近時(shí)前后位置調(diào)整是否能夠順利很快完成。經(jīng)過地面模擬試驗(yàn)，泄水錐滑動(dòng)、操作正常，滿足施工要求。

3 準(zhǔn)備工作

（1）制作一個(gè)裝載泄水錐的滾輪小車。小車輪徑不大于150 mm，重心盡量偏低。滾輪使用4個(gè)定向車輪，泄水錐與小車裝配時(shí)大頭向下，小車與泄水錐法蘭用螺栓把合緊密，小車前后端焊接兩處吊環(huán)。泄水錐制造廠內(nèi)側(cè)筋板上部距法蘭210 mm處對(duì)稱加工4處Φ40吊物孔，經(jīng)過計(jì)算泄水錐重心位置，在下部距口沿207 mm處對(duì)稱加工4處Φ40吊物孔可作為垂直起吊吊點(diǎn)。

圖3 泄水錐與小車裝配

（2）制作一個(gè)鋼質(zhì)導(dǎo)送座。呈三棱體，其一面為導(dǎo)送座，坡面斜度5°，光滑平整，長寬3 m×3 m，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地面試驗(yàn)?zāi)艹惺苄顾F重量，檢驗(yàn)裝置整體滑行穩(wěn)定。

（3）泄水錐焊接吊攀，作為牽引點(diǎn)和側(cè)起升吊點(diǎn)。泄水錐近似為正圓錐體，其重心位置經(jīng)過計(jì)算在Zc=1/4h=1/4×1 438=359 mm處；確保泄水錐豎直翻身過程中保持鉛垂?fàn)顟B(tài)，以滿足通過尾水閘門門槽寬度尺寸要求?？紤]到泄水錐水平移動(dòng)時(shí)下部為滾輪小車，應(yīng)適當(dāng)增加高度，故U型吊攀豎向焊接在泄水錐上部0.3 m處，焊縫要求雙邊滿焊焊接。

（4）在尾水管內(nèi)焊接錨固點(diǎn)一處，位置距離地面0.8 m，將1 t定滑輪掛設(shè)在此錨點(diǎn)上，并將一個(gè)卡環(huán)掛在錨點(diǎn)處，作為滑輪失效時(shí)備用。

（5）船只準(zhǔn)備，船只載重10～20 t。船尾裝設(shè)拖運(yùn)吊點(diǎn)。

（6）汽車吊準(zhǔn)備，要求汽車吊起升高度不低于40 m。最大起升高度時(shí)回轉(zhuǎn)半徑不低于6 m。

（7）潛水員準(zhǔn)備，潛水設(shè)備配備可靠水下照明，通信、呼吸及出入水浮筏等必要設(shè)備。

（8）繩索具準(zhǔn)備。8 mm鋼絲繩，一端制作標(biāo)準(zhǔn)吊扣，另一端捆好防松散即可。距離吊扣端頭70 m處，綁扎紅色絕緣帶標(biāo)記。

圖4 導(dǎo)送座

4 水下運(yùn)輸

（1）尾水管充水，平壓后提升閘門至門槽頂部，鎖定閘門。

（2）以尾水門機(jī)將金屬導(dǎo)送座吊入尾水管出口附近，潛水員水下觀察并指揮尾水門機(jī)調(diào)整導(dǎo)送座位置，合適后摘鉤。導(dǎo)送座應(yīng)朝向尾水管，方向必須與機(jī)組水流排出方向一致，距離尾水門機(jī)中心線略大于1/2泄水錐最大直徑，以便泄水錐在落下時(shí)剛好落放在導(dǎo)送座最高端。導(dǎo)送座不能太過靠前，也不能太靠后。太靠前則泄水錐放下后將會(huì)向后倒翻，太靠后則重力加速度不足，不能完成利用導(dǎo)送座重力下滑到目標(biāo)位置。導(dǎo)送座位置不佳時(shí)，潛水員水下配合起重機(jī)，反復(fù)調(diào)整直至達(dá)到要求。如發(fā)現(xiàn)水下地面有物品，影響導(dǎo)送座放置后水平度，應(yīng)清理平整后方可施行。

（3）泄水錐水下吊運(yùn)。入水前，起重工船上作業(yè)，先使泄水錐翻身大頭向下，然后入水放至導(dǎo)送座高端。在潛水員指揮下，繼續(xù)緩慢下降吊索，直至泄水錐滑入尾水管內(nèi)。潛水員確認(rèn)泄水錐經(jīng)過尾水管口，進(jìn)入尾水閘門內(nèi)側(cè)后，將導(dǎo)送座吊出。

圖5 泄水錐水下吊運(yùn)

（4）排水，檢查確認(rèn)泄水錐進(jìn)入尾水管內(nèi)后，將尾水門落下，排空尾水管內(nèi)存水。

5 尾水管內(nèi)的運(yùn)輸

（1）泄水錐進(jìn)入尾水管后，在尾水管內(nèi)的錨點(diǎn)上掛裝手拉葫蘆，人工牽引泄水錐，運(yùn)至轉(zhuǎn)輪正下方的尾水管底部。

（2）在轉(zhuǎn)輪上冠葉片偏心位置焊接吊攀，泄水錐垂直起升時(shí)，在此吊點(diǎn)掛手拉葫蘆，起升至尾水管檢修平臺(tái)上方。為了盡量減少泄水錐通過檢修平臺(tái)空間，泄水錐提升至尾水管檢修平臺(tái)之前，應(yīng)側(cè)向起吊。待泄水錐通過檢修平臺(tái)后，泄水錐空中翻身，大頭向上，然后安裝。

圖6 泄水錐吊裝

（3）當(dāng)泄水錐起升至最高位置時(shí)，將吊點(diǎn)設(shè)在泄水錐下部，以利于泄水錐上部盡量升高。

6 泄水錐安裝

（1）水輪機(jī)上冠適當(dāng)位置焊接新吊攀。將6根導(dǎo)向絲杠M42對(duì)稱安裝在泄水錐法蘭上。其余10個(gè)雙頭螺桿全部擰緊在螺孔內(nèi)。

（2）在泄水錐起升最后階段，葫蘆不能起升時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺紋頂升泄水錐。最后起升時(shí)由于吊點(diǎn)中心偏下，依靠導(dǎo)向桿進(jìn)行側(cè)向防傾倒。由于泄水錐內(nèi)部空間限制，導(dǎo)向絲桿分為3段制作，中間使用M24螺紋連接。使用時(shí)，泄水錐每上升330 mm（泄水錐法蘭至下部最大軸向空間尺寸，超過此尺寸后，導(dǎo)向桿將會(huì)被泄水錐下段錐段頂?。鹦兑欢?，逐步將泄水錐起升到位。

（3）新泄水錐安裝前，應(yīng)測量復(fù)核機(jī)組和泄水錐對(duì)應(yīng)尺寸，法蘭螺栓孔定位尺寸是否準(zhǔn)確，偏差是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

（4）清掃檢查上冠處泄水錐法蘭面。旋緊絲杠螺母，將泄水錐法蘭面貼實(shí)。旋緊過程中，應(yīng)對(duì)稱小幅平穩(wěn)上升。如有卡阻，應(yīng)檢查調(diào)整。上冠止口局部位置卡阻時(shí)，可適當(dāng)打磨止口或泄水錐法蘭側(cè)面。止口進(jìn)入前，涂抹少量黃油以減少摩擦阻力。

（5）分別對(duì)稱打緊其余12處法蘭螺母，將絲杠旋出。對(duì)稱緊固剩余4處螺母，參考鎖緊力矩3 826 N·m。所有內(nèi)螺紋涂抹螺紋鎖固劑，以防松動(dòng)。以塞尺檢查泄水錐法蘭內(nèi)端面間隙結(jié)合情況，如有間隙大于0.3 mm以上，重新打緊其法蘭螺栓。反復(fù)緊固后，保證泄水錐鎖固可靠，法蘭貼合緊密，受力對(duì)稱一致。螺母鎖緊后在其后面增加雙螺母鎖定。

（6）在泄水錐與上冠內(nèi)外部結(jié)合處，分段多層焊接。外部焊接14段，每段長160 mm，內(nèi)部焊接8段，每段長120 mm。在每個(gè)M42把合螺栓與上冠之間、螺母與螺母之間、螺母與螺桿頭部之間分別點(diǎn)焊牢固，每層至少對(duì)稱兩段點(diǎn)焊點(diǎn)。

（7）割除泄水錐外壁吊點(diǎn)，并打磨光滑，割除上冠減壓孔附近吊點(diǎn)并打磨光滑。將泄水錐運(yùn)輸用的滾輪小車吊至尾水檢修平臺(tái)，如無法直接運(yùn)出，將其分解后運(yùn)出尾水管。拆除右岸側(cè)尾水管盤型閥處焊接的滑輪吊攀，清理現(xiàn)場。

7 結(jié)論

安康水電廠3號(hào)機(jī)泄水錐水下運(yùn)輸恢復(fù)后，機(jī)組試驗(yàn)運(yùn)行將近2年時(shí)間，水導(dǎo)軸承擺度瓦溫運(yùn)行正常。泄水錐水下運(yùn)輸方案，設(shè)計(jì)制作了金屬導(dǎo)送座、滾輪小車、泄水錐安裝工具、翻身工藝等一系列工藝工裝。裝置結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，安全高效，保證了泄水錐安裝質(zhì)量和檢修工期進(jìn)度。工藝方案科學(xué)合理，有創(chuàng)新性。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪不吊出機(jī)坑狀況下，水下運(yùn)輸是解決泄水錐安裝復(fù)位的理想方案，具有一定的借鑒應(yīng)用價(jià)值。