水轮机顶盖护板现场修复工艺的研究

曾青林

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410000）

水轮机在水电站生产运行过程中发挥着极为重要的作用，其运行稳定性直接影响着水电站的生产平稳程度以及质量水平，因此，需要着重落实对水电站水轮机组的运行安全性维护，一旦发现其中各个结构发生问题，必须要及时组织针对性的修复处理。

1 案例概述

某混流式水轮机包含悬吊式发电机，弹性金属塑料瓦为推力瓦结构；巴氏合金分块瓦为上下导轴承结构，分别设定为6块与8块。对于该水轮机顶的盖顶结构而言，其中包含着的导叶轴套孔为24个，支撑着多种固定部件，包括主轴密封座、水轮机瓦座等等；导叶端面的密封结构为刚性密封，总间隙保持在0.16～0.56 mm的范围内；导叶端面与水轮机顶盖护板之间的间隙保持在0.15～0.35 mm的范围内；选取厚度为15 mm的不锈钢抗磨材料作为该水轮机顶盖护板，与水轮机顶盖本体之间的连接主要使用沉头螺栓实现；正常情况下，水轮机顶盖护板与水轮机顶盖本体之间并不存在缝隙；水轮机顶盖护板与顶盖止漏环之间不存在缝隙，且两者并非连接为整体。经过长时间的运行，发现该水轮机顶盖护板结构存在较为严重的磨损腐蚀情况，导致整个水轮机组难以保持安全、稳定、正常运行状态，因此组织对水轮机顶盖护板的现场修复处理。

2 水轮机顶盖护板的磨损腐蚀情况分析

对该水轮机的顶盖护板结构进行观察分析，发现磨损腐蚀位置主要集中在导叶轴颈孔附近，一半以上的面积处于磨损腐蚀状态，磨损腐蚀的深度最大值为5 mm；磨损腐蚀的表面区域呈现出较为光滑的状态，与基于角向磨光机打磨之后的表面状态相类似，没有观察到凹陷、麻眼等缺陷。在导叶轴颈孔内部，导向铜套的安装止口受到损坏。针对这样的磨损腐蚀现状，主要落实了以下几种水轮机顶盖护板的现场修复工艺，包括现场补焊、变形处理、打磨、细化微调等等，具体操作工艺与要点详见后文。

3 水轮机顶盖护板现场修复的展开路径探究

3.1 现场补焊

水轮机顶盖护板的补焊目的为将顶盖进行调平处理，实践中，主要以氩弧焊接的形式选取φ1.2 mm的不锈钢焊丝实施堆焊。在现场补焊操作过程中，需要适当提升焊接电流以及现场焊接速度，并将百分表分别加设于水轮机顶盖内外两侧，实现对整个焊接过程工艺参数的实时性监测。观察并选取水轮机顶盖护板磨损腐蚀最为严重的位置，以此为起点展开焊接，并逐步向外围落实拓展。出于对焊接质量的考量，在本次水轮机顶盖护板现场修复实践中主要安排两名焊接技术人员，其中一名技术人员进行补焊施工，另一名技术人员主要落实对焊接过后各个部位的焊接应力及时、全面消除，此时所选用的方法为锤击法。

现场补焊操作完成后，对水轮机顶盖护板的各类参数进行检测，发现存在水轮机顶盖护板严重变形的问题，所以无法在完成焊接后立即组织正常的预装工作，此时水轮机顶盖护板所表现出的现实情况主要如下：

第一，水轮机顶盖护板与止漏环之间存在缝隙，且这种环缝表现出上拱状态，上拱达到1 mm左右。

第二，水轮机顶盖护板以及水轮机顶主体已然表现出较为明显的变形问题，两者之间产生肉眼可见的缝隙。对于这一缝隙而言，其靠向外侧的缝隙距离维持在0.05～0.1 mm的范围内；靠向内侧的缝隙距离维持在0.1～0.25 mm的范围内。

3.2 变形处理

结合现场观察结果能够了解到，该水轮机顶盖护板存在变形问题，即水轮机顶盖护板与水轮机顶盖本体之间产生肉眼可见的缝隙，同时发生上拱问题。基于这样的情况，需要落实对水轮机顶盖护板的变形处理，此时，重点放在对堆焊产生应力变形的消除方面，以此促使水轮机顶盖护板与水轮机顶盖本体之间能够切实保持紧密连接状态。在本次水轮机顶盖护板的变形处理过程中，所落实的操作工艺要点内容如下所示。

第一，依托临时点焊技术处理水轮机顶盖护板与水轮机顶盖本体之间的缝隙，投放磁座钻，并完成对原本固定护板用的沉头螺栓落实一次性的全部拆除处理，同时落实对新的沉头螺栓的安装加设。

第二，投放加热片，并以此完成对水轮机顶盖护板的预加热预加温处理，此时设定预加热温度维持在100～120 ℃的范围内。需要注意的是，在展开预加热预加温处理之前，需要完成临时保温棚的搭设，通过石棉布的投放使用保证保温棚各个细节位置密封严实，同时围绕水轮机顶盖护板表面落实加热片的放置与敷设，由此实现对水轮机顶盖护板的预加温预加热处理。

第三，投放压紧专用工具，并以此为支持依次落实对水轮机顶盖护板上拱位置的全部压平处理。在本次水轮机顶盖护板的现场修复过程中，投放的压紧专用工具数量不少于10对；在切实落实水轮机顶盖护板的压平处理之前，需要相关人员提前组织对焊点的磨平处理，并在实际的压紧过程中紧固处理水轮机顶盖护板四周布设的沉头螺栓。

第四，在完成上述几步骤的操作之后，对加热片进行拆除处理，进行水轮机顶盖护板的自然冷却；水轮机顶盖护板温度降低至室温后，对水轮机顶盖护板与水轮机顶盖本体之间的缝隙数据、实际接触情况进行检查，当观察到现实情况达到标准要求状态后，即可组织压紧专用工具的拆除处理操作，并在实现压紧专用工具的全面性拆除后再次实施对相应缝隙参数等数据的复测。

第五，在复测结果依然维持在允许参数范围内时，依托氩弧焊接工艺的实施，对沉头螺栓结构实施封堵焊接处理。

3.3 现场打磨

完成对该水轮机顶盖护板的变形处理操作之后，进行外观检测，发现存在对焊位置高度高于水轮机顶盖本体表面高度的问题，同时，水轮机顶盖护板与活动导叶端面之间所存在缝隙的距离维持在0.15～0.35 mm的范围内。基于这样的现实情况，需要组织对水轮机顶盖护板的现场打磨处理，特别是要对水轮机顶盖护板堆焊位置落实全面性打磨，促使水轮机顶盖护板整体的平面度与平整程度保持在允许范围内，从而达到更好维护水轮机运行安全性与稳定性的效果。在展开对水轮机顶盖护板对焊位置的现场打磨中，所落实的操作工艺要点内容如下所示：

第一，堆焊位置现场打磨方案的设计与确定。结合水轮机顶盖护板的装配图纸内容能够了解到，水轮机顶盖护板与底环开档4档尺寸偏差始终维持在0.1～0.35 mm的范畴内。选取定位销钉，并将其加设在水轮机顶盖护板翻身调入的基坑内部，对16个连接螺栓全部实施拧紧处理，并对底环与水轮机顶盖护板之间所存在着的开档尺寸展开精准测量。将基准设定为底环护板平面，投放内径千分尺，并以此为支持落实对水轮机顶盖护板平面度的测量。结合现场测量结果了解到，水轮机顶盖护板平面圆周开档偏差保持在0.1～0.2 mm的范围内，这样的参数符合水轮机顶盖护板设计图纸加工工艺的相关参数要求。基于此，在本次水轮机顶盖护板的现场打磨操作中，主要将基准设定为水轮机顶盖护板平面圆周，并结合刀尺的投放落实对堆焊部位相对高度的检测与控制，确保堆焊部位相对于水轮机顶盖护板平面更低，且高度差维持在0.02～0.15 mm的范畴内。

第二，对水轮机顶盖护板中设置的连接螺栓实施全部拆除操作，并在此基础上将基坑内的水轮机顶盖实施吊装移除处理，实施翻身打磨。在此过程中，投放磨光机并以此为支持落实人工打磨，本次实践中安排四名工作人员落实对称打磨处理，以此实现对打磨速度的提升。实践中，先使用磨光机展开对堆焊位置的粗打磨，并在打磨至基本满足尺寸要求的条件下依托抛光机的投放进行抛光打磨处理。

第三，在4档尺寸均满足相关精度要求的条件下，投放方形油石展开对水轮机顶盖护板表面的研磨处理；在量具平面均匀涂抹红丹粉，轻轻在护板上滑动，实现对表面接触面积的检测，以此确保任意1 cm2内均存在至少两个接触点。

3.4 导水机构端面的间隙调整

对所有活动导叶开档数据展开测量，并与1挡数据相比较，在满足相关数据要求的条件下即可组织导水机构的预装操作。依照编号设定内容，对导叶落实依次性的安装施工，连接吊入基坑的水轮机顶盖与座环；完成定位销的安装就位操作后，对所有的活动导叶进行手动转动处理，以此实现对活动导叶动作实际灵活程度的检测；判断所有活动导叶的运行灵活性到预设要求后，针对16个螺栓落实拧紧处理，以此促使水轮机顶盖护板与座环保持良好的连接状态，并再一次展开对所有活动导叶状态的检查，避免导叶卡死；在所有检查结果均达到预设标准的条件下，即可组织所有连接螺栓的安装以及拧紧操作。同时，出于对更好保障导水机构预装质量的考量，安装导叶套筒后需要及时检测端面间隙以及同轴度。

在展开端面间隙检测过程中，要求落实导叶所有状态下的平面端面间隙测量。在本次水轮机顶盖护板现场修复过程中，观察到A导叶上存在总间隙最大值，为0.65 mm；观察到B导叶上存在上部总间隙最小值，为0.25 mm；总间隙最大值与设计间隙之间的差距维持在0.09 mm，满足水轮机的安全运行要求。

实践中，获取到的端面间隙测量数据如下所示：在导叶全闭状态下，A导叶上部大头间隙为0.5 mm、上部小头间隙为0.65 mm、下部大头间隙为0、下部下头间隙为0，B导叶上部大头间隙为0.25 mm、上部小头间隙为0.35 mm、下部大头间隙为0、下部下头间隙为0；在导叶50%开度状态下，A导叶上部大头间隙为0.5 mm、上部小头间隙为0.65 mm、下部大头间隙为0、下部下头间隙为0，B导叶上部大头间隙为0.25 mm、上部小头间隙为0.4 mm、下部大头间隙为0、下部下头间隙为0；在导叶100%开度状态下，A导叶上部大头间隙为0.3 mm、上部小头间隙为0.35 mm、下部大头间隙为0.2 mm、下部下头间隙为0.2 mm，B导叶上部大头间隙为0.22 mm、上部小头间隙为0.25 mm、下部大头间隙为0.18 mm、下部下头间隙为0.15 mm。

3.5 其他

在本次水轮机顶盖护板现场修复期间，在堆焊处理后产生较为严重的变形问题，促使后续打磨操作的难度大幅提升。针对这一问题现象展开深入性分析，发现产生严重变形问题的原因如下所示：本水轮机顶盖护板的材质为不锈钢，厚度维持在15 mm左右；在实际的焊接操作中，虽然使用了氩弧焊接模式，且配套落实对焊接应力的消除，但是焊接期间所生成的热量依然会引发焊接变形问题。基于此，必须要强化焊接过程中的变形防控措施落实力度。实践中，可以引入的焊接变形防控措施主要如下：

第一，在实际焊接操作展开前组织预热处理，并在每完成一层焊接后均依托风镐的投放实现对焊接应力的消除；完成焊接后，需要落实一段时间的保温处理，并在自然冷却操作的支持下，驱动残余焊接应力得到彻底性的释放。

第二，依托分区对称的模式组织对焊施工，在单次对焊期间需要尽可能保证少焊，从而保证焊接温度分布的均匀性；在焊接期间，要求依托百分表持续展开对焊接情况、各项参数变化情况的实时性观测。

第三，保证从中间位置开启堆焊施工，并逐步向两侧扩展；在满足焊接方位要求的基础上，尽可能选取堆焊厚度最大位置开启焊接施工。第四，在焊接期间配套投放压紧专用工具，从而体现出对焊接过程中水轮机顶盖护板变形问题的更好避免。

4 总结

综上所述，经过长时间的运行，水轮机顶盖护板极容易产生较为严重的磨损腐蚀问题，从而促使整个水轮机组难以长时间维持在安全、稳定、正常运行的状态下。基于此，需要切实参考水轮机顶盖护板的实际磨损腐蚀情况，完成焊接、变形处理、堆焊面打磨等操作，以此实现对水轮机顶盖护板的现场修复处理，促使水轮机顶盖护板恢复良好状态。