古田溪水力发电厂三级电站#2机转轮室更新改造

古田溪水力发电厂三级电站 #2机转轮室更新改造

陈 春

周宁华电能源有限公司

摘要：简述古田溪水力发电厂三级电站#2机转轮室更新改造技术方案选择与施工经过，为今后类似预埋件的更新工作积累了宝贵的经验，也希望能为同行开展类似工作有所帮助。

关键词：转轮室更新 技术方案 施工方案 灌浆

一、概述

三级电站#2机组为轴流转桨式机组，其转轮室已运行达40多年，转轮室气蚀严重，经多次修补打磨，转轮室直径和转轮室圆度均无法满足机组正常工作的要求，为提高机组抗气蚀能力，保证机组的运行安全，提高水轮机效率，电厂于2015年11月至2016年2月结合机组A级检修完成了转轮室的更新改造工作。

二、技术方案

2.1 技术方案选择

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。

2.2改造范围选择

古田溪三级电站二号机转轮室高度为1020mm，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400mm高度的整个圆环范围内。因此，我们的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园剔除，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。

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未出现汽蚀的部位（大约75mm）予以保留，采用气刨设备将转轮室大约950mm高度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150mm~170mm。

2.3新转轮室的设计制作

根据已有的原厂家图纸和现场测量的尺寸，对新转轮室进行设计和加工。新转轮室采用抗气蚀能力较强的304不锈钢（1Cr18Ni9Ti）制作,壁厚35mm。

为解决新转轮室安装难度大的问题,需进行的科学地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，然后用把合螺栓和定位销把四瓣拼装成整园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150X200mm的把合螺栓连接安装孔，在上下端面加工出V型焊接坡口。新转轮室出厂时预先加工好相应的灌浆孔、锚钉孔，新转轮室安装前现场进行拼圆，检查转轮室直径和圆度。

具体制作见示意图2。

图2 转轮室加工示意图

三、施工方案

新转轮室的安装精度直接影响到机组的安全运行，正确的施工方案是新转轮室安装精度的有力保障。经过多次研究与探讨我们确定了以下施工方案：

3.1、机组拆吊前应校核转轮实际运行高程，作为新转轮室高程的安装依据；

3.2、转轮吊出后校核转轮实际直径，以确定新转轮室是否需要加垫扩大尺寸；

3.3、以外顶盖为中心，校核定子、上、下机架中心；

3.4、安装工作平台，以原转轮室上平面（底环）为基准，向下1500mm处安装工作平台（现场配制），工作平台应牢固；

3.5、测量旧转轮圆度情况；

3.6、以原转轮室上平面法兰与底环连接处（以下论述中称为A面）为准，向下70mm处划圆周线，再向下950mm处划圆周线，两条线间的轴向距离950mm；

3.7、气刨割掉两线间950mm原转轮室，保证新转轮室能顺利装入。在上面那条割口，每瓣割两个R15浇缝水泥时的排气孔，每瓣割一个Ф60的浇口。

3.8、将轴向950mm间的水泥层凿掉，水泥层深度为150mm（不含原转轮室壁厚）。如果有钢筋，也要割掉，保证150mm水泥层深度。

3.9、吊装新转轮室，依次将转轮室1、2、3瓣吊入，尽量靠水泥壁且互相靠拢，此时第1、3瓣内圆开口尺寸必须大于2500mm。同时测量第4瓣内圆弦长应小于2490mm，或更小为好。保证第4瓣能顺利吊入。为保证焊接变形后圆周尺寸在合格范围内，如有需要可在结合面加垫使组合后新转轮室直径比设计大2mm。每瓣下面垫弧形钢板3块。吊装前将合缝板螺母焊在合缝板背面。

3.10、新转轮室安装高程以底环上平面为基准，中心以外顶盖中心为基准，调整新转轮室中心线至底环上平面高差为690mm（由于新转轮室上环缝焊接量比下环缝大，且焊接时先焊上环缝，考虑焊缝收缩对转轮室高程的影响，实际安装时使新转轮室比理论位置偏低5mm，即至底环的高差调至695mm）。

3.11、新转轮室中心和高程调至合格后，在上、下环缝处用钢板进行加固定位，加固完成后复核新转轮室安装尺寸，如有必要可重新进行调整，直至各项尺寸符合要求；根据新转轮室上预留的24各锚杆孔，对周围的混凝土打深度为500mm的锚孔，然后植入螺纹钢锚栓，靠转轮室内侧锚杆为M24螺纹，可带M24螺母进行锁紧，并可对新转轮室圆度进行微调。

3.12、转轮室与转轮叶片设计间隙较小，单侧间隙图纸要求在1.5~2.5mm以内，对转轮室圆度、同心度要求很高，为控制新转轮室在焊接过程中的焊接变形，并需采用必要的焊接工艺进行焊接，避免焊后圆度超标。由于新旧转轮室材质不同，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进行施焊。采用的焊接工艺如下：

3.12.1加内支撑

新转轮室在开焊前，利用φ108*6的钢管对新转轮室进行加固，内支撑呈“井”字形，使转轮室的4瓣瓦片形成整体，达到增强刚性的作用，以减小焊接变形量。

3.12.2定位焊

定位焊即在正式开焊前，以此对上环缝、下环缝进行加固焊接，定位焊与正式焊接的焊接要求一样，由2名合格焊工对称进行定位焊接，定位焊每段长约100mm，焊角20mm，圆周均匀分布8个定位焊点，如图3所示：

图3 上环缝、下环缝定位焊分布情况

定位焊完成后再对转轮室安装高程、中心进行全面测量，如有必要可重新进行调整，直至合格。

3.12.3正式焊接

在新转轮室正式焊接时，先焊接上环缝，再焊接下环缝。对焊缝间隙大于3mm的焊缝，应该先对母材进行堆焊；焊接时焊工必须同时、同向、同速、对称施焊，且对“V”型坡口进行分层分道进行焊接，每层焊接完成后采用锤击进行应力消除，并用砂轮机对焊缝表面进行打磨，使其露出金属光泽。

在焊接过程中，要控制焊接速度和焊接量，单日焊接量不宜过大，且每天对监测焊接变形，采集数据，分析焊接变形，为第二天焊接工艺和焊接方案的制定提供有力依据。

在焊接过程中发现有椭圆变形情况，因及时进行调整和纠正，确保焊接朝有利方向进行，最终保证焊后新转轮室尺寸满足要求。

3.13、水泥灌浆

3.13.1孔位布置：钻孔按二个次序进行加密施工，最终灌浆孔距1.0m×1.0m，梅花形布置。钻孔以穿透钢板进入混凝土10cm为准。具体按以下顺序进行：Ⅰ序孔→Ⅱ序孔。孔径为Φ25mm，钻孔完成后用风枪进行吹洗，清理干净孔口杂物，保证孔口内无杂物、粉尘。

图4 水泥灌浆孔孔位图

3.13.2通风检查：用风枪检查各孔串通情况，确保灌浆孔通畅。

3.13.3灌浆：灌浆材料采用42.5普通硅酸盐水泥。浆液采用单一水灰比1：1配制。采用纯压式灌浆。灌浆压力暂按0.5MPa控制（根据实际情况调整），在该灌浆孔最大设计压力下，延续灌注30min不进浆，可结束灌浆作业。

3.13.4封孔：灌浆结束浆液固结后清理灌浆管及钢板钻孔，采用环氧树脂粘结等厚钢板封孔，要求封孔密实牢固。

3.14、化学灌浆

水泥浆液收缩达到一定强度后进行化学灌浆补强加固，具体施工措施如下：

3.14.1孔位布置：钻孔以穿透钢板为准，钻孔按处理范围呈梅花形布置，间距为25 cm×25cm，孔径为Φ14mm，钻孔完成后用风枪进行吹洗，清理干净孔口杂物，保证孔口内无杂物、粉尘。灌浆孔的间距，可根据脱空情况进行局部调整。

3.14.2通风检查：用风枪检查各孔串通情况，供灌浆时参考。

3.14.3灌浆：灌浆材料采用HK-G-2（环保型）低粘度环氧化学灌浆材料，材料性能如下：

HK-G-2（环保型）主要性能指标

灌浆自一端灌浆孔开始，向另一端逐孔推进，自最低端灌浆孔开始向高端逐孔推进，直至缝的最后一个灌浆孔。最后对所有不出浆的排气孔等进行补充灌浆。

灌浆压力要视钢衬能承受的压力而定，如果压力过大则可能导致钢衬破坏。

在选定压力下，注入量≤0.02kg/m，继续灌注30min即可结束灌浆；或每分钟注入量为0，继续灌注10min即可结束灌浆。

3.15、浆液固结后拆除灌浆嘴，将钢板钻孔清理干净，采用等厚不锈钢板封孔并磨平，确保密封效果。

3.16、校核新转轮室圆度，根据变形情况进行进一步处理，直至转轮室圆度合格。即可进行机组回装。

四、结束语

通过对严重汽蚀区域的转轮室更新为不锈钢材料可以大幅提高转轮室的抗汽蚀性能，提高转轮室的寿命，从而保证机组的安全稳定运行。

参考文献：

中华人民共和国电力行业标准DL/T5603-94，《转桨式转轮组装与试验工艺导则》；

中华人民共和国电力行业标准DL/T1066-2007，《水电站设备检修管理导则》；

中华人民共和国国家标准GB/T15468-2006《水轮机基本技术条件》

中华人民共和国国家标准GB/T8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》