УДК 627.084 неприливные
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
В статье представлены результаты оценки технического состояния проточного тракта гидроагрегата деривационной ГЭС с целью получения исходных данных для организации холостых сбросов воды при аварийной остановке ГЭС. В статье изложены результаты обследования: быстропадающего щита с закладными частями; пазов ремонтного затвора; рабочего колеса; вала турбины; элементов направляющего аппарата; статора турбины и спиральной камеры; отсасывающей трубы. Приведены основные данные визуального осмотра и инструментальных исследований, замеров узлов, проведенная на основании данных обследования, оценка технического состояния оборудования и конструкций. А также даны рекомендации для возможности дальнейшей безопасной эксплуатации обследуемых узлов и элементов проточного тракта.
проточный тракт ГЭС, гидротурбина, неразрушающие методы контроля, оценка состояния оборудования.
Введение
В Российской Федерации в эксплуатации находятся более 200 гидроэлектростанций, срок службы многих из них превысил 40 лет. За столь длительный период времени изменились требования нормативно-технической документации, требуется модернизация и замена как гидромеханического, так и турбинного оборудования. Кроме того, на эксплуатацию сооружений и оборудования влияют изменения гидрологических условий водотока, от которых непосредственно зависит безопасность функционирования гидроэнергетического объекта и его сооружений.
Объектом обследования является проточный тракт гидротурбины средненапорной деривационной ГЭС, которая была введена в эксплуатацию более 60 лет назад. В 2007 г. была произведена реконструкция гидротурбины с увеличением мощности при расчетном напоре с 17,67 МВт до 22,0 МВт и заменой рабочего колеса, направляющего аппарата (в существующую проточную часть), а также частичной доработкой вала турбины на заводе с заменой крепежа фланцевых соединений вала. В 2019 г. проведен последний текущий ремонт гидротурбины, после чего гидроагрегат выведен из эксплуатации. Дефекты, зафиксированные при проведении текущего ремонта в 2019 г., устранены не были.
Актуальность работы заключается в своевременном проведении инструментального обследования элементов проточного тракта для оценки возможности холостых сбросов и обеспечения технической безопасности энергетического объекта, а также соответствия действующим требованиям нормативно-технической документации. Перед проведением работ был изучен и проанализирован отечественный и зарубежный опыт в области эксплуатации гидротурбинного оборудования [1-11].
Целью работы является оценка технического состояния проточного тракта гидроагрегата деривационной ГЭС для получения исходных данных для организации холостых сбросов воды при аварийной остановке ГЭС (по строительству холостого водосброса).
Задачи обследования состояли:
- в оценке технического состояния рабочего колеса, вала турбины, направляющего аппарата, спиральной камеры и статора турбины, металла отсасывающей трубы;
- в оценке наличия следов карбонизации бетона и класса бетона отсасывающей трубы, с сопоставлением его с проектными данными;
- в выявлении нарушенных зон (с изменением геометрии облицовки, с наличием заоблицовочных пустот), влияющих на безопасную работу;
- в оценке гидромеханического оборудования (элементов быстропадающего щита, технического состояния металла пазов быстропадающего щита и ремонтного затвора, класса бетона пазов затворов, следов карбонизации бетона) и др.
Материалы и методы
Обследование проведено в 2022 г. и включало в себя контроль следующих узлов: быстропадающий щит с закладными частями; пазы ремонтного затвора; рабочее колесо; вал турбины; направляющий аппарат; статор турбины и спиральная камера; отсасывающая труба, включая конус.
Работы по этим элементам включали в себя: визуальный осмотр; инструментальные исследования и замеры узлов для определения качественного и количественного характера кавитационных, коррозионных, эрозионных, механических повреждений и износа; проверки зазоров, прогибов, люфтов; толщины металлических облицовок; прочности бетонных конструкций, с целью оценки их соответствия требования заводской документации и действующим НТД.
Для оценки состояния металлических конструкции применялись: визуальный и измерительный контроль (ВИК), ультразвуковая толщинометрия, контроль проникающими веществами (ПВК), магнитопорошковая дефектоскопия (МПД), твердометрия.
При оценке состояния бетонных конструкций использовались: механический неразрушающий метод с использованием склерометра, ультразвуковой неразрушающий метод, прямой неразрушающий метод – отрыв со скалыванием, определение глубины карбонизации, а для отсасывающей трубы - лазерное сканирование.
Определение прочности бетона и определение глубины карбонизации проводилось для следующих элементов: отсасывающая труба; паз затвора НБ; паз быстропадающего затвора; паз ремонтного затвора; паз ремонтного затвора НБ. Обследование проводилось в соответствии с действующими нормативными документами: СТО 70238424.27.140.017-2010, ГОСТ 22690-2015, ГОСТ 17624-2012, ГОСТ 31383-2008, ГОСТ Р 55562-2013 (МЭК 60609-1:2004), ГОСТ Р ИСО 10543–99, ГОСТ Р 52330–2005, РД 03–606–03, РД 13–05–2006.
В соответствии с СТО 70238424.27.140.001-2011 «Гидроэлектростанции. Методики оценки технического состояния основного оборудования» техническое состояние оборудования оценивалось как: «работоспособное», «неработоспособное», «частично-неработоспособное», «предельное», «неисправное состояние», «рабочее состояние», «нерабочее состояние».
Результаты и обсуждение
По результатам обследования одним из типичных дефектов рабочего колеса является абразивный износ , связанный с наличием крупных частиц в водном потоке, проходящем через проточную часть. Износ носит незначительный характер и не влияет на работоспособность оборудования при своевременном восстановлении целостности поверхности в случае проявлении раковин более 5 мм.
В зоне сопряжения лопастей с нижним ободом зафиксированы выборки металла (Рис. 1). В связи с отсутствием подтверждающих данных определить причину возникновения указанных выборок невозможно. Такие выборки могли быть произведены как в процессе монтажа рабочего колеса для изменения поля напряжений зоны сопряжения «лопасть-обод», так и в процессе эксплуатации по причине абразивного износа.
|
|
|
Рисунок 1 - Выборка металла в зоне сопряжения лопасти с ободом (красным овалом отмечена зона выборки) |
В результате обследования установлено, что облицовка вала турбины имеет значительный износ, который проявляется в утонении и наличии радиальных трещин по сварному шву. Можно предположить, что в процессе эксплуатации в зоне турбинного подшипника происходил износ облицовки, вследствие чего, результаты измеренных до ремонта величин по уклону вала и общей линии вала имели отклонения. В период проведения ремонтных работ по результатам восстановления целостности поверхности происходило утонение облицовки. Причины износа облицовки в процессе эксплуатации могут быть связаны с отклонением зазоров по турбинному подшипнику, а также с вибрационными возмущениями.
Основные дефекты по спиральной камере и колоннам статорам носят схожий характер и заключаются в наличие значительного коррозионного поражения поверхности.
При обследовании выявлен коррозионный износ всей поверхности колонн статора (Рис. 2) и частичный износ облицовки спиральной камеры с местами отслоения и разрушением видимой части клепочных соединений облицовки глубиной поражения более 5 мм. В соответствии с нормативной документацией при выявлении износа более 5 мм необходимо проводить специальные восстановительные мероприятия. При этом, без проведения коррозионной зачистки, определить фактическое состояние всей поверхности металла не представляется возможным.
|
|
|
Рисунок 2 - Нарушение профиля кромки, коррозионный износ поверхности колонны статора |
По всем колоннам статора отмечается нарушение профиля входных кромок в связи с абразивным износом. Это разрушение не носит критичный характер, однако, при эксплуатации может привести к ухудшению состояния металла колонн. По большинству сегментов облицовки спиральной камеры имеется отклонения более 15 % в меньшую сторону по толщине, что может говорить о наличии утонения металла в процессе эксплуатации и потери изначальной его несущей способности.
Из результатов комплексного инструментального обследования следует, что облицовка конуса отсасывающей трубы имеет сплошное коррозионное поражение, которое оценочно не превышает 5 мм, что не является критическим дефектом. Отмечается незначительный абразивный износ поверхности. По облицовке отсасывающей трубы выявлены многочисленные дефекты как коррозионно-эрозионного характера, так и проявляемые в отклонении геометрических характеристик поверхности.
Отмечается сплошной коррозионный износ поверхности, также зафиксированы три зоны сквозного разрушения облицовки, которые в целом не носят критического характера и устраняемы типовыми ремонтными воздействиями. По результатам проведенной оценки твердости отмечается, что зона прилегания облицовки к забетонированной части имеет отклонение по твердости (337 НВ при среднем значении других участков облицовки 155 НВ) в сторону охрупчивания.
Визуальным контролем отмечаются зоны разрушения поверхностного слоя бетона в выходной части отсасывающей трубы с оголением крупного заполнителя, вырывами, пустотами и выступающими металлическими элементами. По результатам определения прочности бетона, фактический класс бетона по прочности варьируется. В правобережной стенке составляет В25, что соответствует проектным значениям, в левобережной стенке В20 ниже проектных значений, в своде отсасывающей трубы все методы контроля показали класс В15, что ниже проектных значений, бетон пазов затворов имеет класс В20.
Коррозионный износ металлической части паза затвора отсасывающей трубы и разрушение поверхностного бетонного слоя в месте сопряжения с металлическими частями показаны на рис. 3.
|
|
|
Рисунок 3 - Коррозионный износ металлической части паза затвора отсасывающей трубы |
Выводы
1. Техническое состояние элементов водовода оценивается как "частично неработоспособное" из-за наличия значительного количества дефектов. В то же время эти дефекты не препятствуют преобразованию данного водовода для организации холостых сбросов воды при аварийной остановке ГЭС.
2. Отсасывающая труба имеет некоторые изменения геометрии сжатия, и при увеличении гидродинамической нагрузки или изменении ее характера может произойти повреждение бетона и его разрушение.
3. На стыке конуса и диффузора была обнаружена забетонированная зона, указывающая на наличие разрушения облицовки в нижней части в процессе эксплуатации. Эта часть испытывает значительные нагрузки от потока воды. На данных участках при дальнейшей эксплуатации может произойти повреждение металла облицовки.
4. Для возможности безопасной эксплуатации обследуемых узлов рекомендуется провести восстановление целостности поверхности уплотнений рабочего колеса; провести замену облицовки вала турбины на новую; восстановить целостность нижнего кольца, поверхности лопаток, лабиринтных колец направляющего аппарата. Металл спиральной камеры, колонн статора, отсасывающей трубы и ее конуса необходимо отремонтировать для устранения выявленных дефектов и отклонений.
5. Для обоснования прочности и надёжности работы конструкций рекомендуется выполнить прочностные расчёты на фактические и увеличенные гидродинамические нагрузки для обеспечения надёжной и безопасной эксплуатации.
1. Bellendir E. N. Inspection of the hydroelectric power station construction September 2001 Power Technology and Engineering 35(9):478-480 DOIhttps://doi.org/10.1023/A:1013773424556
2. Ivanchenko I.P., Prokopenko A.N. & Putsyn, N.V. Assessment of the Technical Condition of Hydroturbine Equipment at the Irkutsk HPP After an Extended Period of Service. Power Technol Eng 49, 83–89 (2015). https://doi.org/10.1007/s10749-015-0579-1
3. Baydakova N.V., Afonin A.V., Zhelyaskova O.I., Blagochinnov A.V., Kovalenko A.I. and Danilov S.A. Analysis of approaches to assessing the actual condition, residual life and reliability of hydraulic turbine E3S Web of Conferences 411, 01053 (2023) APEC-VI-2023 https://doi.org/10.1051/e3sconf/202341101053
4. Ivanchenko I.P., Potemkin A.A. Reliability of bladed systems of hydraulic turbines, Power Engineering (NII Einformenergomash), 1, 40 (1986)
5. Georgievskaya E.V. Substantiation of methods and terms for diagnosing hydroturbines beyond the design service life, In: Vitality and Structural Materials Science (ZhivKom-2016), Proceedings of the international conf., 120–123 (2016)
6. Brekke H., 2010, Performance and safety of hydraulic turbines, 25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/12/1/012061
7. Frunzăverde D., Muntean S., Mărginean G., Câmpian V., Marşavina L., Terzi R., and Şerban V., 2012, Failure analysis of a Francis turbine runner, 25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Beijing, China, DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/12/1/012115
8. Ha J.H., Kim C.H., 2009, A Study on the Performance Analysis of Francis Hydraulic Turbine. Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 33 (7): 1052-1059 IEC 60193-1999. Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines-Model acceptance tests
9. Lai X.D., 2004, Analysis and Estimation of Hydraulic Stablity of Francis Hydro Turbine. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 16 (2): 194-200
10. Pan L.P., 2002, Analysis of hydraulic stability of turbine. J. Changchun Inst. Tech. (Nat.Sci.Edi), 3 (4): 41-43
11. Yan Z.G., Zhou L.J., Wang Z.W., 2012, Turbine efficiency test on a large hydraulic turbine unit. SCIENCE CHIN Technological Sciences, 55 (8): 2199-2205. DOI:https://doi.org/10.1007/s11431-012-4914-6
