李进军 张雷 张腾飞 王伟博 栾少帅 翁陈成

摘要：万家寨水电站水轮机组在高速高含沙水流长期冲刷作用下，活动导叶的刚性立面密封面磨损汽蚀严重，造成导叶漏水量加大，导致机组出现“潜动”问题。在分析导叶密封失效原因和总结传统堆焊打磨修复处理方式缺陷的基础上，提出了活动导叶立面密封技术改造方案，首次采用黄河水利科学研究院自主研发的钢塑复合聚氨醋导叶密封板，对1#和4#机组进行技术改造，对改造的技术细节和中间安装过程进行了精确控制和严格质量把关。经过两个汛期运行检验表明：活动导叶立面密封技术改造提高了导叶全关状态下的密封性能，可以有效杭磨和抑制漏水，解决了活动导叶密封失效的问题。

关键词：活动导叶；磨蚀；聚氨醋；密封板；水轮机组；技术改造

中图分类号：TV734.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.030

黄河是世界上输沙量最大、水流含沙量最高的河流，其干流上的水轮发电机组不同程度地受到泥沙磨蚀的危害[1]。万家寨水利枢纽工程位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段，总装机容量108万kW，年发电量27.5亿kW·h。水库设计总库容8.96亿m3，调节库容4.45亿m3。坝址控制流域面积39.5万km2，设计多年平均入库沙量1.49亿t、设计多年平均含沙量6.6kg/m3。淤积测验结果显示[2]，截至2010年9月，水库总库容由8.96亿m3减小至4.85亿m3，库容损失45.87%，水库纵向淤积为三角洲淤积形态，淤积集中发生在坝上0～57km河段内，水库已基本达到设计冲淤平衡状态。

枢纽上游来沙颗粒质坚粒硬，机组运行工况恶劣，在高速高含沙水流条件下，自2012年开始，万家寨水轮机严重磨蚀逐年显现，转轮叶片、下环及导叶等部位出现了较大的汽蚀坑和鱼鳞坑，部分坑深达20mm。在水力空蚀和泥沙磨损联合作用下，水轮机偏离设计工况，过流部件的磨蚀破坏加剧，机组停机状态下漏水严重，水力效率降低，检修时间延长。

针对水轮机活动导叶磨蚀导致漏水严重的问题，万家寨水电站管理部门采用黄河水利科学研究院研发的钢塑复合聚氨醋导叶密封板，对1#和4#机组进行技术改造。

1 活动导叶立面密封磨蚀情况

万家寨水电站1#-4#机组水轮机导叶由法国阿尔斯通水电设备有限公司设计和制造，每台机组有24个导叶，材质为ZG20SiMn，总高度3614mm，导叶上下端面净距离为1747.2mm，单个导叶质量为3050kg，导叶密封形式为传统的刚性密封，密封部位见图1。

万家寨水电站水轮机导叶立面密封设计采用不锈钢金属硬密封方式，通过接力器的压紧行程来实现关机状态下导叶密封，接力器压紧行程为5～7mm[3]。理论上密封效果应该很好，但黄河水流含沙量大，电站经过多年运行，在高含沙水流长期冲刷作用下，导叶的刚性立面密封面发生磨损，加剧了密封处的气蚀，并且形成恶性循环，导致导叶立面密封磨蚀严重，见图2、图3。

导叶磨蚀严重导致机组停机状态下漏水量很大，造成机组停机时间延长，增加了风闸制动机构的磨损。同时，当导叶漏水较多时，机组有“潜动”现象，严重威胁机组推力轴承等设备的安全，导致水车室噪音严重超标。大量的漏水也直接影响电站的发电效益。2导叶刚性密封磨蚀传统处理方式

导叶刚性密封磨蚀后一般通过堆焊的方式对其进行修复，即先刨去磨蚀区，然后进行电焊堆焊处理，堆焊完毕后再用角磨机打磨处理。该方法往往通过电焊、打磨多次重复处理才能满足要求，刚性密封面修形比较困难，现场加工处理条件很难保证密封面本身的平直度和粗糙度，容易引起导叶处理后开度不均匀。根据机组运行实际情况来看，采用传统堆焊技术处理后，堆焊点变成了金属汽蚀的脆弱点，经过一个小修周期后，堆焊面即被磨蚀殆尽，进一步汽蚀伤害到活动导叶的本体母材，严重影响了活动导叶的使用寿命。

3 活动导叶立面密封磨蚀技术改造

参照国内其他电站密封改造的先进经验以及万家寨水电站导叶的实际情况，决定将导叶密封方式由刚性硬密封改为弹性软密封，密封材料可在小修期间自行更换。文献[4-7]研究表明，已有水电站采用三角形实心和空心两种密封条对导叶刚性密封进行改造，在导叶立面密封大头面开燕尾槽或者梯形槽进行安装和固定。这种密封方式投运初期密封效果较好，但是运行一段时间后，密封条与燕尾槽或梯形槽交接位置易出现汽蚀，加上密封条体积小、材质软，易从固定槽内脱落导致密封失效。

为了避免出现上述问题，将密封条设计为矩形板状结构，中间有突起，见图4。在导叶大头密封面开方形槽加装聚氨酯密封板，在密封板上加工螺栓孔，根据密封板螺栓孔布置，在密封槽底平面加工螺栓孔，通过内六角螺栓将密封板可靠地固定于导叶上。同时，导叶小头的刚性密封面与大头的弹性密封面刚柔结合，具有一定的互补作用，可有效抑制漏水。

3.1 密封板材料选择

表1列出了各种材料的抗磨指数，指数越小，抗磨性能越高。聚氨酯材料的抗磨蚀性能明显优于其他材料，因此选择聚氨醋作为密封板的主要材料。通过对聚氨醋材料进行改性，使其具有较高的弹性及强度，同时具有优异的耐水性、耐磨性、耐油性、耐疲劳、耐撕裂及抗震动性等。

3.2 聚氨酯密封板设计

为了控制圆弧突起引起的汽蚀影响，在止水圆弧后仍采用聚氨酯弹性体（见图5），可较好地解决导叶加装密封条后产生汽蚀问题。

3.3密封板安装

在导叶大头密封面开方形槽加装密封板，方形槽尺寸及固定螺栓孔位置与聚氨酯密封板尺寸相对应。方形槽底部、侧面及不锈钢内六角螺栓螺丝上涂刷复合树脂胶液。按照螺栓孔对齐的原则，将钢塑复合聚氨酯密封板放置在活动导叶方形槽内，迅速用不锈钢螺栓进行把合。聚氨酯密封板固定后，在不锈钢螺栓孔、密封板与活动导叶相邻台阶用配置好的聚氨酯复合树脂砂浆进行封孔和光滑过渡处理（见图6）。这样一方面避免密封板两侧与导叶接触部位受水流冲刷而产生磨损，另一方面保证导叶大头的型线，防止水流经过导叶时出现扰动、脱流等现象。

4 运行效果

万家寨水电站于2014年6月对1#机组进行改造，2015年1月检查，导叶密封良好，未见磨蚀情况，只有局部过渡复合树脂砂浆出现了脱落情况，事后采用快速修补砂浆进行修复处理。2015年12月第二次检查，密封效果好，未见磨蚀情况。为了解决密封条过渡砂浆因过渡范围太小易脱落的问题，同时有效抑制导叶磨蚀加剧，2015年7月对4#机组进行改造，并采用复合树脂砂浆对导叶进行了整体防护，2016年1月检查，效果良好，未见磨蚀情况，见图7。

5 结论

聚氨酯密封板具有较高的强度，优异的m3磨性、m3水性，现场施工简便，安装拆卸方便，能够起到有效的抗磨和抑制漏水的作用，成功地解决了万家寨水电站活动导叶密封失效的问题，提高了导叶全关状态下的密封性能，消除了正常停机时因导叶漏水量大而导致的机组“潜动”现象，取得了良好的效果，可为其他水电站活动导叶密封改造提供借鉴。

参考文献：

[1]余江成.混流式水轮机导水机构的磨损特点与抗磨防护[C]//中国水力发电工程学会.第十七次中国水电设备学术讨论会论文集.淳安：中国水力发电工程学会，2009；339-347.

[2]程立军，刘涛，姚景涛.黄河万家寨水利枢纽淤积形态分析[J].地下水，2012（2）：138-139.

[3]郑淑华.万家寨水电站1#～4#水轮机结构特点[J].水利水电工程设计，1999（1）：11-12.

[4]王长志，张春晖.中低水头混流式水轮机导叶密封改造[J].大电机技术，2003（3）：55-58.

[5]宾斌，江晓林，何凯.中低水头电站水轮机活动导叶密封改造研究[J].水电与新能源，2011（5）29-32.

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