某水电站尾水进人门缺陷研究处理

2022-05-28曹家起杨德志闫志飞刘警安

水电站机电技术 2022年5期

曹家起，杨德志，闫志飞，刘警安

（雅砻江流域水电开发有限公司官地水力发电厂，四川成都 610051）

0 前言

该水电站位于四川省凉山州西昌市与盐源县交界处，与西昌市直线距离约40 km，公路里程约80 km。主要建筑物由左右岸挡水坝、中孔坝段和溢流坝段(碾压混凝土重力坝)、消力池、右岸引水系统及地下厂房发电系统组成。右岸布置引水发电系统，压力管道采用单机单管供水，右岸地下厂房装机4台600 MW机组，总装机容量2 400 MW，年平均发电量为111.29亿kW·h。电站的开发任务主要是发电，与上游电站作为一组电源同步运行，在电力系统中承担调峰及调频任务。4台机组于2013年3月全部投产发电，水轮机型号为HLD538-LJ-770型混流式立轴水轮机，由东方电气集团东方电机有限公司制造。

1 尾水进人门结构介绍

该水电站尾水管的型式为窄高弯肘形尾水管，为便于进入尾水管检查和维修转轮而不必拆卸水轮机，在锥管段上设置有1个600 mm×800 mm的进人门，进人门座由现场焊接在尾水锥管上，左右各设置两道长筋板、两道短筋板以增加尾水门强度，门盖由26颗M 24不锈钢螺栓把合至门座，检修期从左至右打开方便人员进出（如图1所示）。并在锥管里衬的适当位置设有测压接头，用于测量锥管压力，压力脉动等。在进人门下部两侧设有小门及凹槽，用于检修平台的安装。布置情况如图2所示。

图1 尾水进人门现场示意图

图2 尾水进人门布置图

2 运行过程中发现的问题及原因分析

该水电站首台机组于2012年3月31日正式发电，2013年全部投产，至今已良好运行近十年，在2020年1月巡检发现2号机组部分尾水门筋板存在不同程度裂纹（如图3、4、5所示），部分裂纹已延伸至尾水管本体，对机组安全稳定运行产生了很大隐患。对问题产生原因、处理方法进行分析。

图3 左侧第二块筋板裂纹

图4 左侧第四块筋板裂纹

图5 左侧第四块筋板裂纹延伸图

产生原因分析如下：

（1）尾水压力脉动较大，且进人门周围无混凝土包裹，因此进人门附近振动比较大，焊缝容易产生裂纹。

（2）2号机尾水门左侧少焊2块短筋板，该筋板作用是增加刚强度，缺失对整体受力产生影响。

（3）进人门附近焊缝焊脚偏小，焊接质量较差。

因机组暂不具备消缺条件，因此为保证机组安全运行，将进行以下几个方面研究，择出最优工况，并每天进行机组巡视检查，确保裂纹无扩大趋势。

3 压力脉动对尾水管壁产生的影响

研究表明，转轮出口、直锥段进口处压力脉动值很大，沿尾水管流动方向减弱，肘管处略有增强[1]。同时由于尾水管内本来就会出现复杂的流体运动，尤其是在过渡过程中，更是伴随着压力脉动，气泡产生和溃灭，这样就使得尾水管内的水流呈三维的气液两相流状态[2]。更加难以进行研究。

尾水管压力脉动产生和机组运行的工况有很大关系，经验表明，机组在部分负荷时，明显感觉较大振动，在满负荷及超负荷时振动较小，因此本文将通过水轮机模型数据及大量监控数据分析，择出最优运行工况，以满足机组健康稳定运行。水轮机主要参数见表1。

表1 水轮机主要参数

4 水轮机模型实验数据

HLD538-LJ-770水轮机在出厂时已进行详细模型实验，最终实验报告部分如下（模型测点见图6、表2）：

图6 水轮机模型测点

表2 模型测点示意图

（1）在长期连续安全稳定运行范围内，尾水锥管距转轮出口0.30D2测点处所测得的压力脉动时域相对幅值最大6.5%，出现在最低水头45%预想出力附近，频谱分析表明，无明显的激振频率；在部分负荷运行工况，频谱分析表明，压力脉动频率为0.25~0.4倍的转频，为典型低频涡带频率。

（2）模型水轮机尾水锥管距转轮出口0.30D2处压力脉动试验结果见表3。

5 运行过程中曲线分析

曲线分析主要截取不同出力下，导叶开度及尾水管压力脉动变化规律（如图7、图8、图9所示）。

图7 出力变化下压力脉动变化值

图8 90%额定出力下压力脉动变化值

图9 额定出力下压力脉动变化值

曲线分析可以得知，机组调整负荷时压力脉动变化最大，90%额定出力下，压力值为0.19 MPa，额定出力下，压力值为0.20 MPa。可以得知压力在80%~100%P下，尾水管所受压力脉动最小。

6 尾水门筋板裂纹处理

由以上分析可以得出，为保证机组安全运行，做出以下措施：

（1）尽量减少2号机作为调峰、调频机组运作。

（2）根据水头变化，及时调整负荷，尽量使2号机处于压力脉动最小的出力范围。

（3）每天进行巡视检查，每周进行一次PT探伤，如有延伸趋势，立即汇报处理。

（4）根据工作安排在具备处理条件（尾水管完全排空）时完全处理缺陷。

2020年~2021年机组检修期间，对2号机尾水门筋板裂纹进行了完全的处理。在机组停机状态并排空尾水后，将原门盖拆下，并对所有焊缝进行PT探伤，在过流面尾水门区域周围全面进行UT探伤，以检查是否存在隐形缺陷。安装工艺门盖（如图10所示），以增加门座密封面在焊接过程中的刚性，避免因焊接导致门座变形，产生不良后果，通过工艺门盖中间，焊接人员可自由进出流道，现场通过工艺门盖与密封面的把合间隙调节速度和方位，确保门座密封面焊接后的平整度。具体处理方法及要求如下：

图10 工艺门盖结构图

（1）对存在裂纹处的门座焊缝清理掉长100 mm（对称裂纹处），对裂纹按30°角，深25 mm刨开（碳弧气刨）。用锥磨头或旋转锉清理刨开斜面见金属光泽。PT探伤检查斜面上及清理门座焊缝处不能存在裂纹，否则继续清理至无裂纹为止。清理斜面见金属光泽。焊补各清理处，要求预热到90℃~110℃，焊接电流130 A~160 A，逐层锤击消应，到距离表面10 mm时暂停。过流面沿焊缝位置清理坡口，清根，按30°角深25 mm刨开（碳弧气刨），用锥磨头或旋转锉清理刨开斜面见金属光泽。PT探伤检查底、斜面上不能存在裂纹，否则继续清理至无裂纹为止。清理斜面见金属光泽。焊补清理处，要求预热到90℃~110℃，焊接电流130 A~160 A，逐层锤击消应，满焊。将过流面外侧焊缝满焊。打磨焊缝表面平滑过渡。分段、对称清理门座角焊缝、打磨见金属光泽。PT检查是否存在裂纹，焊接门座清理处的角焊缝，每段按200 mm长一次各分4段对称进行。注意检查工具门盖与门座密封平面的间隙，按间隙变化的情况调整焊接方位及焊接速度。至门座焊缝满足设计要求为止，打磨角焊缝，PT探伤检查合格。锥管本体裂纹处理完成后再装焊筋板。焊接要求同上述焊接要求一致。

（2）按原图纸要求增加左侧两块筋板；在进人门上、下方各增加一处筋板，以增加进人门刚性，减少焊缝疲劳。

（3）将筋板与门座间角焊由10改为12，以增加焊量，保证焊缝强度。

（4）将原机组的焊缝全部进行打磨处理，并按角焊12进行补焊，焊后对焊缝进行PT探伤，以确保焊接质量。

（5）焊接前预热，焊接过程中必须逐层锤击消应，确保焊后门座密封平面的平面度要求。锥管焊接部位应采用AWSE309L不锈钢焊条，筋板与门座焊接部分应采用CHE5015碳钢焊条。

缺陷处理后，经PT探伤无问题，满足运行要求，并在后续运行期间进行6个月定期探伤检查均未发现异常，将尾水门焊缝探伤列入机组后期检修重点检查项目，进行跟踪检查。至此，电站尾水进人门缺陷已完全进行处理。