石垭子水电站转轮泵板破坏原因分析与结构改造

石垭子水电站转轮泵板破坏原因分析与结构改造

付强

贵州中水能源股份有限公司遵义分公司  贵州省 遵义市 563000   

摘要：对石垭子水电站1号机组水轮机转轮泵板故障问题进行总结，分析泵板破坏的原因，并对泵板结构进行了改进，将焊接结构修改为螺栓结构，消除了泵板再次破坏的隐患，同时提高加工精度和装配精度，满足使用需求，可为同类型机组提供参考。

关键词：石垭子水电站；水轮机；叶片泵结构；泵盖板；

1  概述

石垭子水电站位于务川县大坪镇和柏村镇交界的梅林峡谷河段中，是洪渡河干流水电梯级开发的第六级，工程以发电为主，大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高134.50米，相应库容3.215亿立方米，电站总装机14万千瓦。石垭子水电站转轮型号为HLA630-LJ-280，转轮直径2.8m，额定水头97.4m，额定转速272.7r/min，额定出力为71800kW，其转轮上冠设有焊接式叶片泵，转轮与主轴采用螺栓连接摩擦传递扭矩。

石垭子水电站2010年投产发电，2014年检修发现1号机转轮上冠叶片泵盖板环型焊缝出现开裂，后转轮返厂重新焊接处理；2020年12月，1号机大修时又发现转轮上冠叶片泵盖板若干处出现开裂及掉块。

转轮叶片泵盖板出现裂纹和掉块严重影响了电站的安全稳定运行[1,2]，本文将分析造成其泵板破坏的原因，并采取相应技术措施以消除了泵板再次破坏的隐患。

2  转轮破坏情况

该电站先后两次的检修、大修中，1#机转轮叶片泵盖板出现裂纹情况如下：

1）2014年检修，发现转轮上冠端面泵板和内外环板沿转轮园周共有4块泵板两侧沿焊缝边缘和焊缝约80%长度开裂，实测最大开裂处间隙约3mm；转轮上环止漏环全圆周有深浅不一、凹凸不平的擦伤痕，其中一半圆周程度较重。转轮上止漏环中上部约15mm宽间断拉伤痕，最深处实测相对值约0.4mm；顶盖对应部分有近一半圆周有擦伤痕迹，程度比转轮轻；转轮下环的上、下止漏环全圆周面出现深浅不一的擦伤痕，整个密封面凹凸不平，最深处实测相对值约0.35mm，座环对应两道密封环一半圆周面有连续擦伤痕，另一半有间断的部份擦伤痕迹。固定下止漏环分半组合面-X方向径向（密封面）出现错位，实测值约0.3mm，其中-Y侧分半面的-X向有较重擦痕；转轮下环圆周含密封面约200mm高度出现湛蓝颜色；转轮上冠梳齿密封环与泵板开裂对应部位约400mm周长有擦伤痕和湛蓝颜色。

图1：上冠叶片泵盖板图（2014年照）

2）2020年12月大修，转轮上冠叶片泵盖板有5处掉块，盖板环型焊缝出现10处裂纹，裂缝总长度为整体焊缝约70%。上冠叶片泵盖板裂纹及图片如下图2所示。

图2： 上冠叶片泵盖板图（2020年照）

3  原因分析

1. 根据2014年检修时现象，通过对比拆卸时测量的水导轴瓦间隙和日常运行的轴瓦温度，水导轴瓦瓦面检查，日常运行中从未发生卡塞堵转等现象，损坏原因初步判定为：密封面出现的擦痕应与转动部分中心线定位有关系，通过对比转轮密封面的擦痕印迹深浅和固定止漏环的擦痕印迹说明转动部分中心定位时出现偏移，初步认为是导致擦伤的主要原因。拉伤痕迹推测与异物、局部高点在旋转中瞬间碰撞挤压有关，通过拉伤面积和痕迹推测是旋转过程中一次性形成的，且不局以导致机组出现卡阻堵转等现象发生。泵板焊缝边缘和焊缝出现开裂初步认为与转轮材质和焊接工艺控制有关，与厂方的沟通中也有一致的认识。出现的湛蓝颜色应是摩擦产生高温导致。要求对转轮进行探伤检测，判别是否还存有暗裂纹或气泡；对转轮密封面擦伤部位进行点焊补平，测园并车加工密封面，保证三道密封面的同心度、密封面园度和改善密封面平整度；对转轮进行静平衡试验，条件具备作动平衡试验。

通过2014年运行至2020年，1#机转轮叶片泵盖板再次出现的裂纹，甚至掉块，严重影响水轮机的正常使用。详细查看该机组图纸资料及运行日志资料，并对比相似电站资料及运行情况，经过材质化验等相关研究，得出该转轮叶片泵盖板出现的裂纹、甚至掉块的原因有：

1）静态结构刚强度不足。叶片泵盖板较薄（板厚为11～12mm），泵叶片与泵盖板未焊为一体，结构刚强度差。

2）动态结构疲劳强度不足。由于叶片泵中水流会引起压力波动，叶片泵出口方形孔（200×60），四角处未倒圆角，四角处易应力集中及疲劳破坏，现场的裂纹起始位置亦加以了佐证。

3）异种钢焊接工艺性差。泵盖板与上冠材料不一样，焊接工艺性差。

4）上冠、叶片泵一体结构不合理。将泵盖板与上冠焊接为一体，结构连续性差，焊接内应力大，易出现焊接缺陷。

5）盖板厚薄不均，泵盖板外缘厚17mm，泵盖板中间厚11～12mm，薄弱处易引起裂纹。

6）焊后退火不彻底，产生的内应力大，引发焊缝裂纹。

7）转轮上、下止漏环不同心，将产生水力不平衡激振，引起机组振动及转轮上冠及叶片泵受力不均，在交变载荷作用下，泵板出口及焊缝易产生疲劳破坏。

4

相应措施

上述对该转轮叶片泵裂纹原因，针对性的采取以下措施[3,4]：

1）重新设计制作叶片泵, 更改原上冠叶片泵结构，焊接结构改为螺栓联接结构，彻底消除焊接内应力。

2）机加工去掉原有泵盖板、泵叶片及内筒体；

3）增加泵盖板厚度，经强度校核计算，将泵盖板厚度由原来的12mm增厚至35mm。

4）泵板、泵叶片、内筒体材质均采用不锈钢，使之与上冠材质一致，转轮泵板连接螺栓材质也采用不锈钢。

5）在保证叶片泵过流能力下，将原转轮叶片泵进口及出口方形孔尺寸分别修改为100×80mm和 150×25mm，并四角处倒R10圆角。

6）对转轮其余焊缝进行探伤检测，判别是否还存有暗裂纹或气泡，探伤结论为合格；

7）转轮做静平衡试验，装叶片泵后复做平衡试验达要求，装销子并点焊牢靠；

8）转轮与主轴采用螺栓连接摩擦传递扭矩，转轮法兰面清洁后，联轴面重新喷涂增磨涂层达设计图只要求。

转轮叶片泵新结构见图2所示。

图3： 转轮叶片泵新结构示意

电站1#机转轮叶片泵改造完成，机组于2021年1月成功运行，机组运行平稳，各项运行指标均满足国家标准规范要求。

5  总结

本文通过对石垭子水电站转轮盖板破坏原因分析及处理，总结如下经验以供类似电站参考：

1）转轮泵板结构优化，上冠、叶片泵一体结构因工艺制造原因，容易导致焊接缺陷、焊后内应力大，而引发泵盖板裂纹、脱落，甚至掉块，而螺栓联接结构则可有效避免上述问题。

2）转轮与顶盖及底环上的固定止漏环加工和安装要满足设计同心度要求，满足设计间隙值，机组运行时，转轮外缘避免与止漏环擦碰。

3）叶片泵内水流压力波动等因素，增强其抗疲劳破坏性能，泵盖板应保证有足够刚强度。

4）转轮叶片泵进口及出口方形孔长宽比尺寸应合理设计，开孔四角要倒尽量大圆角，避免倒角处的应力集中及疲劳破坏。

5）上冠、叶片泵材质应尽可能一致，避免异种钢焊接引起的焊接缺陷。

参考文献

[1] 康健.水轮机顶盖取水技术中使用泵叶的体会[J]. 水力发电学报.   1989年第1期：79-86.

[2] 邓金杰,文树洁,杨庭豪，等.水电站水轮机顶盖取水泵板结构分析[J]. 东方电气评论.   2018年第4期：44-49.

[3] 张永学.水电站混流式水轮机组技术供水辅助水源结构[P]. 中国实用新型专利.   CN202370730U,2012-08-08.

[4] 杨二豪,吴钢,杨庭豪,等.黄登水电站水轮机转轮上冠泵板对顶盖取水的影响[J]. 水电能源