映秀灣電站1號(hào)機(jī)組座環(huán)修復(fù)技術(shù)

談 泰 權(quán)

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，四川 都江堰 611830)

1 電站概況

映秀灣水電站是岷江上游左岸的一座低閘隧洞引水式徑流電站，位于汶川縣映秀鎮(zhèn)境內(nèi)，廠房為地下式，裝有3臺(tái)45 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭54 m，始建于1965年8月，于1971年9月1號(hào)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

電站的座環(huán)為無蝶形邊的焊接結(jié)構(gòu)，上、下環(huán)為箱型結(jié)構(gòu)，座環(huán)外形尺寸為6 580×1 740 mm，分為兩半，用螺栓固定成整體。設(shè)計(jì)要求座環(huán)與頂蓋、底環(huán)配合法蘭面的不平行度不大于0.25 mm。自2008年“5·12”汶川特大地震后，在機(jī)組檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)該電站機(jī)組座環(huán)存在變形情況，且座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面處存在較大的磨損現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為：(1)頂蓋抗磨面與底環(huán)抗磨面間高度偏差達(dá)1.67 mm；(2)為保證導(dǎo)葉端面間隙均勻，對(duì)每個(gè)導(dǎo)葉進(jìn)行配車，24個(gè)導(dǎo)葉的高度不一致；(3)頂蓋密封面與座環(huán)密封槽所在平面間的間隙不均勻，且最大間隙達(dá)0.88 mm；(4)底環(huán)安裝時(shí)，需在底環(huán)與座環(huán)之間加金屬墊片，最厚金屬墊片達(dá)1.00 mm。結(jié)合電站1號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)改造，決定在此期間對(duì)座環(huán)進(jìn)行修復(fù)。

2 座環(huán)修復(fù)方案

2.1 座環(huán)修復(fù)范圍

結(jié)合電站1號(hào)機(jī)組座環(huán)的實(shí)際情況，此次修復(fù)范圍為水輪機(jī)座環(huán)與頂蓋配合法蘭面、與頂蓋配合密封面及與底環(huán)配合法蘭面，并對(duì)座環(huán)第二鏜口立面進(jìn)行處理，便于找出水輪機(jī)中心基準(zhǔn)。

2.2 座環(huán)修復(fù)技術(shù)要求

此次座環(huán)修復(fù)主要是恢復(fù)座環(huán)的設(shè)計(jì)尺寸，為了保證修復(fù)質(zhì)量，提出以下技術(shù)要求：

(1)座環(huán)補(bǔ)焊過程中應(yīng)采取有效措施，確保座環(huán)焊接變形在許可范圍內(nèi)，座環(huán)與頂蓋、底環(huán)連接螺栓孔分度圓滿足設(shè)計(jì)要求；

(2)焊縫應(yīng)均勻一致、光滑，與母體金屬融合良好，且無空穴、裂紋和夾渣；

(3)對(duì)焊接部件進(jìn)行消除殘余應(yīng)力處理，待殘余應(yīng)力消除后再對(duì)部件進(jìn)行表面機(jī)械加工處理；

(4)水輪機(jī)座環(huán)與頂蓋配合法蘭面、與頂蓋配合密封面及與底環(huán)配合法蘭面經(jīng)修復(fù)后，三個(gè)平面的高程、平整度滿足設(shè)計(jì)要求；

(5)在水輪機(jī)座環(huán)精加工過程中，加工設(shè)備不能使水平和中心產(chǎn)生偏移，以保證加工精度；

(6)水輪機(jī)座環(huán)修復(fù)后，經(jīng)UT、PT或其他有效的無損檢測(cè)方式檢測(cè)合格[1]。

2.3 座環(huán)原始數(shù)據(jù)測(cè)量

為制定座環(huán)修復(fù)方案，有必要對(duì)座環(huán)實(shí)際水平情況進(jìn)行測(cè)量?，F(xiàn)場(chǎng)采用水準(zhǔn)儀測(cè)量56個(gè)座環(huán)頂蓋螺栓把合孔處的相對(duì)高程，換算得到座環(huán)的實(shí)際水平情況。水準(zhǔn)儀測(cè)量座環(huán)頂蓋螺栓把合孔相對(duì)高程數(shù)據(jù)見表1。

表1 座環(huán)頂蓋螺栓把合孔相對(duì)高程數(shù)據(jù)表 /mm

從表1可知，座環(huán)與頂蓋配合法蘭面的不平度達(dá)3.02 mm。

2.4 座環(huán)修復(fù)方案確認(rèn)

結(jié)合座環(huán)變形情況，提出以下兩種修復(fù)方案：

方案一：以座環(huán)與頂蓋配合法蘭面的最高點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)座環(huán)進(jìn)行補(bǔ)焊，然后進(jìn)行車削，以車削至最高點(diǎn)為止，并以此平面為基準(zhǔn)，按照座環(huán)設(shè)計(jì)尺寸對(duì)座環(huán)密封槽、座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面進(jìn)行處理。

方案二：以座環(huán)與頂蓋配合法蘭面的最低點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)座環(huán)與頂蓋配合法蘭面直接進(jìn)行車削，以車削至最低點(diǎn)為止，并以此平面為基準(zhǔn)對(duì)座環(huán)密封槽、座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面進(jìn)行處理，最后在座環(huán)與頂蓋配合法蘭面加不銹鋼調(diào)節(jié)墊片[2]，以保證座環(huán)與頂蓋之間的配合。

座環(huán)頂蓋配合法蘭面寬度為135 mm、厚度為40 mm，若大面積焊接，會(huì)導(dǎo)致座環(huán)變形，螺栓孔亦會(huì)隨之變形，后期將無法保證頂蓋配合，因此，方案一不可行。同時(shí)，方案二也存在不足，若將不平度全部車除，座環(huán)厚度將由設(shè)計(jì)的40 mm降為37 mm，減薄了座環(huán)配合法蘭面的厚度。但是，對(duì)減薄后的座環(huán)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析，仍然有足夠的安全裕度，所以，最終選擇方案二。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1 數(shù)控機(jī)床安裝

機(jī)床由支撐架、中心集成組件、刀臂、配重臂、刀架驅(qū)動(dòng)組件、電氣控制單元等主要部件構(gòu)成。采用數(shù)控控制機(jī)床回轉(zhuǎn)速度、刀具進(jìn)給量，對(duì)座環(huán)進(jìn)行車削、精磨。

機(jī)床安裝順序?yàn)椋?1)架設(shè)牛腿支撐，并將其與尾水管里襯和機(jī)坑里襯進(jìn)行焊接，以確保機(jī)床支撐牢固；(2)安裝操作平臺(tái)；(3)安裝中心柱和中心框架；(4)安裝上支撐架；(5)調(diào)整設(shè)備水平；(6)調(diào)整機(jī)床中心，檢查設(shè)備水平。因現(xiàn)場(chǎng)及數(shù)控機(jī)床限制，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床安裝一次而完成三個(gè)平面的處理，結(jié)合數(shù)控機(jī)床安裝及加工特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采取座環(huán)與頂蓋配合法蘭面、與頂蓋配合密封面一同處理，座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面單獨(dú)處理的方式。座環(huán)上平面處理機(jī)具安裝和座環(huán)下平面處理機(jī)具安裝示意圖分別見圖1、2。

圖1 座環(huán)上平面處理機(jī)具安裝示意圖

圖2 座環(huán)下平面處理機(jī)具安裝示意圖

3.2 座環(huán)處理

為縮短座環(huán)處理工期，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)放棄了從上到下的加工順序[3],將座環(huán)處理順序調(diào)整為先處理座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面，后處理座環(huán)與頂蓋配合法蘭面和與頂蓋配合密封面。具體方法是以座環(huán)與頂蓋配合法蘭面最低點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，通過座環(huán)兩平面間的相對(duì)高程換算得到座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面的高程，對(duì)該平面進(jìn)行處理，最后處理座環(huán)與頂蓋配合法蘭面和與頂蓋配合密封面，并保持三者之間的相對(duì)高差與頂蓋實(shí)際尺寸匹配，且三個(gè)平面在處理完成后均經(jīng)PT、UT無損檢測(cè)合格。

3.2.1 座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面處理

為提高座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面的抗磨蝕性能，決定采用不銹鋼焊絲對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)焊?，F(xiàn)場(chǎng)采用氣體保護(hù)焊方式進(jìn)行焊接，采用窄道、短弧焊接工藝。在焊接相近位置對(duì)稱4處架設(shè)焊前、焊中、焊后監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)焊接過程中座環(huán)焊接量和焊接變形情況[4]，當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊接速度不一致、焊接變形量超過0.5 mm時(shí)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整[5]。在焊接量滿足要求后，對(duì)座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面進(jìn)行車削、精磨，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高程，最后用水準(zhǔn)儀對(duì)稱測(cè)得該平面24點(diǎn)相對(duì)高程。座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面高程數(shù)據(jù)見表2。

表2 座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面高程數(shù)據(jù)表 /mm

由表2可知，該平面最大高差為0.22 mm，不平度滿足不大于0.25 mm的要求。

3.2.2 座環(huán)與頂蓋配合法蘭面處理

以座環(huán)與頂蓋配合法蘭面最低點(diǎn)為基準(zhǔn)，對(duì)該平面進(jìn)行車削、精磨，以車削至最低點(diǎn)為止，同時(shí)，還要對(duì)該平面立面進(jìn)行車削。用水準(zhǔn)儀對(duì)稱測(cè)量座環(huán)與頂蓋配合法蘭面8點(diǎn)相對(duì)高程(表3)；用內(nèi)徑千分尺測(cè)量座環(huán)與頂蓋配合法蘭面內(nèi)徑(表4)；并分8點(diǎn)復(fù)核座環(huán)與頂蓋配合法蘭面和與底環(huán)配合法蘭面之間的高程差(表5)。

表3 座環(huán)與頂蓋配合法蘭面8點(diǎn)相對(duì)高程 /mm

表4 座環(huán)與頂蓋配合法蘭面內(nèi)徑 /mm

表5 座環(huán)與頂蓋配合法蘭面和與底環(huán)配合法蘭面之間的高程差 /mm

由表3可知，座環(huán)與頂蓋配合法蘭面的最大高差為0.10 mm，不平度滿足不大于0.25 mm要求；由表4可知，座環(huán)與頂蓋配合法蘭面內(nèi)徑偏差最大為0.40 mm，圓度滿足座環(huán)允許偏差要求；由表5可知，座環(huán)與頂蓋配合法蘭面和與底環(huán)配合法蘭面的高程差在1 694.73～1 694.77 mm之間，設(shè)計(jì)高程差在1 698.00～1 698.25 mm之間，座環(huán)與頂蓋配合法蘭面需加不銹鋼調(diào)節(jié)墊片厚度在3.23～3.52 mm范圍內(nèi)，符合要求。

3.2.3 座環(huán)與頂蓋配合密封面處理

座環(huán)密封槽所在平面厚度為20 mm，且原密封槽為“R型”，現(xiàn)場(chǎng)加工處理“R型”密封槽的難度大、工期長(zhǎng)，決定對(duì)原“R型”密封槽進(jìn)行堆焊，然后用機(jī)床重新配車“U型”密封槽。由于密封部位焊接量大，且密封止口底部厚度較薄，焊接時(shí)止口容易向上變形，需對(duì)密封圈部位采取防變形措施。焊接前在密封部位先均勻布置防變形塊(間距：300 mm)，以減少焊接變形量，同時(shí)，在密封止口的正面及背面錯(cuò)位處也布置防變形塊，間距為300 mm，背面防變形塊尺寸為200 mm×45 mm×25 mm(長(zhǎng)×寬×高)，正面防變形塊尺寸為40 mm×40 mm×25 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

焊接時(shí)，采用對(duì)稱和局部少量焊接方式進(jìn)行焊接，避免焊接時(shí)熱量集中導(dǎo)致密封止口變形程度大，同時(shí)在焊接相近位置對(duì)稱4處架設(shè)焊前、焊中、焊后測(cè)量點(diǎn)，以監(jiān)視焊接速度和焊接變形量。密封槽堆焊完成后，以與座環(huán)與頂蓋配合法蘭面間的高程差為基準(zhǔn)，對(duì)該平面進(jìn)行車削，最后加工密封槽和精磨，并對(duì)密封槽立面、座環(huán)第二鏜口立面進(jìn)行車削。用游標(biāo)卡尺對(duì)稱測(cè)量座環(huán)與頂蓋配合法蘭面與密封面相對(duì)高程差(表6)；用內(nèi)徑千分尺測(cè)量密封槽立面、座環(huán)第二鏜口立面內(nèi)徑(表7)。

表6 座環(huán)與頂蓋配合法蘭面與密封面相對(duì)高程差 /mm

表7 密封槽立面、座環(huán)第二鏜口立面內(nèi)徑 /mm

由表6可知，座環(huán)與頂蓋配合法蘭面與密封面相對(duì)高程的最大偏差為0.04 mm，考慮疊加座環(huán)與頂蓋配合法蘭面的不平度，此平面不平度仍滿足不大于0.25 mm的設(shè)計(jì)要求；由表7可知，密封槽、座環(huán)第二鏜口圓度滿足座環(huán)允許偏差要求。

座環(huán)與頂蓋配合法蘭面與密封面的設(shè)計(jì)高程差為320.00～320.10 mm，座環(huán)與頂蓋配合法蘭面需加不銹鋼調(diào)節(jié)墊片厚度在3.38～3.52 mm范圍內(nèi)。因此，只要在座環(huán)與頂蓋配合法蘭面處所加不銹鋼調(diào)節(jié)墊片厚度控制在3.38～3.52 mm，即可滿足三平面相對(duì)高程差要求。

4 結(jié) 語

電站機(jī)組座環(huán)在2008年汶川特大地震中出現(xiàn)嚴(yán)重變形，在電站1號(hào)發(fā)電機(jī)改造期間，對(duì)1號(hào)機(jī)組變形嚴(yán)重的座環(huán)進(jìn)行處理，結(jié)合數(shù)控機(jī)床及座環(huán)特點(diǎn)，采用對(duì)座環(huán)與頂蓋配合法蘭面進(jìn)行車削和精磨，對(duì)座環(huán)與底環(huán)配合法蘭面及與頂蓋密封配合面進(jìn)行補(bǔ)焊、車削和精磨的方式，對(duì)座環(huán)三個(gè)平面進(jìn)行了處理，同時(shí)對(duì)座環(huán)與頂蓋把合面立面、密封槽立面和座環(huán)第二鏜口進(jìn)行了車削處理。處理之后，三個(gè)平面的不平度及三個(gè)立面的圓度均滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)機(jī)組回裝證明，此次座環(huán)修復(fù)有效解決了水輪機(jī)檢修時(shí)座環(huán)加墊、頂蓋與座環(huán)間密封間隙偏差大、導(dǎo)葉高度不一致等問題，達(dá)到了預(yù)期效果，同時(shí)為該電站2、3號(hào)機(jī)組及其他有類似情況的機(jī)組座環(huán)處理提供參考。