水輪機(jī)過流部件空蝕分析及預(yù)防

龔在禮，熊 宇

（1.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610071；

2.四川川投田灣河開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610015）

寶珠寺水電站位于四川省廣元市三堆鎮(zhèn)——白龍江下游，電站最大庫容25.5億m3，調(diào)節(jié)庫容13.4億m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫。電站承擔(dān)著四川電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用的任務(wù)，裝機(jī)容量700 MW，單機(jī)容量175 MW。水輪機(jī)型號HLD89-LJ-500，額定出力178.6 MW，轉(zhuǎn)速136.4 r/min，吸出高度-3 m，最大水頭103 m，最小水頭68.5 m，設(shè)計(jì)水頭84.4 m，單機(jī)設(shè)計(jì)流量239 m3/s。汛期平均含沙量2.26 kg/m3，最大含沙量169 kg/m3，多年平均輸沙量2 370萬t，泥沙絕大部分來自白龍江上游碧口水電站以上，庫區(qū)段來沙量很少，水質(zhì)較好。電站于1996年12月首臺11號機(jī)投產(chǎn)發(fā)電，12、13、14號機(jī)相繼于1997年6月、12月和1998年6月投產(chǎn)發(fā)電，電站樞紐工程于2000年11月移交電廠。

1 水輪機(jī)過流部件空蝕現(xiàn)象

1999年11月至2000年12月間，電站利用機(jī)組大、小修機(jī)會，分別對4臺機(jī)組的過流部件空蝕情況進(jìn)行了首次詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)4臺機(jī)組空蝕情況十分相似：轉(zhuǎn)輪葉片完整，無明顯的空蝕跡象；轉(zhuǎn)輪下環(huán)和泄水錐有輕微空蝕針點(diǎn)；轉(zhuǎn)輪上冠靠葉片背面根部空蝕較嚴(yán)重 （見表1）。

尾水管錐管里襯上在4個(gè)補(bǔ)氣管根部 （順?biāo)餍D(zhuǎn)方向斜向下約45°處）空蝕嚴(yán)重，面積達(dá)600 mm×700 mm，最嚴(yán)重處已穿孔，面積達(dá)300 mm×400 mm。尾水補(bǔ)氣管有1根從根部斷裂，另1根斷掉約200 mm。

11號機(jī)于2000年3月 （運(yùn)行39個(gè)月）對其轉(zhuǎn)輪第一次檢修后，2004年3月第二次檢查發(fā)現(xiàn)，空蝕仍發(fā)生在轉(zhuǎn)輪上冠兩葉片間結(jié)合處，但2000年3月采用CHS237不銹鋼焊條補(bǔ)焊的部分未發(fā)生空蝕，說明該不銹鋼材料抗空蝕性能良好，補(bǔ)焊工藝良好。2008年4月進(jìn)行第三次檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪補(bǔ)焊處無外觀缺陷，上冠碳鋼與不銹鋼葉片焊接交接部位存在輕微空蝕，空蝕孔最深9 mm，不銹鋼葉片和下環(huán)無裂紋、無氣孔，外觀檢查合格，整體表現(xiàn)出翼型空蝕很輕微，且?guī)缀鯖]有泥沙磨損；尾水補(bǔ)氣短管靠-X、-Y方向1根已脫落，焊接的喇叭口支持座完好，支持座周圍腔體鋼板存在開裂現(xiàn)象，空腔空化引起的空蝕和振動依然存在。

12號機(jī)于1999年11月 （運(yùn)行29個(gè)月）對其轉(zhuǎn)輪第一次檢修后，2003年2月第二次檢查未發(fā)現(xiàn)葉片、上冠等部位空蝕。2005年12月停機(jī)進(jìn)行第三次檢查 （中修）發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪上冠與葉片焊接處周圍有小部分空蝕，葉片背面基本無空蝕；尾水管內(nèi)一些部件空蝕較嚴(yán)重，有1根補(bǔ)氣短管脫落，補(bǔ)氣管安裝處周圍補(bǔ)氣腔鋼板兩處脫落，面積大約1.5 m2。湊合節(jié) （座環(huán)與尾水錐管之間）有裂紋。2007年5月停機(jī)進(jìn)行第四次檢查 （A修）發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪進(jìn)水側(cè)葉片與上冠結(jié)合處有輕微的空蝕帶，個(gè)別葉片進(jìn)水邊上部有小型空蝕針孔；尾水管湊合節(jié)焊接鋼板有約2 m2的脫落；靠-X、+Y方向尾水補(bǔ)氣腔鋼板約1.44 m2已脫落，靠+X、+Y方向尾水補(bǔ)氣腔鋼板約0.64 m2已脫落。

在對13、14號機(jī)的檢查發(fā)現(xiàn)，其空蝕、斷裂與脫落情況與11、12號機(jī)十分相似。

表1 轉(zhuǎn)輪上冠空蝕量數(shù)據(jù) mm

2 水輪機(jī)過流部件空蝕原因分析

寶珠寺水電站水輪機(jī)過流部件破壞主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪上冠靠葉片背面根部，破壞區(qū)的金屬表面呈海綿狀的針孔，并有呈灰暗無光澤的大小蜂窩和很深的針孔，金屬疏松脫落，而與水流方向一致的有規(guī)律的刮痕、小磨溝及魚鱗坑很少。這說明過流部件的破壞主要是空蝕破壞，泥沙磨損很輕微。這是因?yàn)閷氈樗码娬編烊荽?、泥沙含量少，庫區(qū)回水長（67 km），大部分泥沙在庫區(qū)已沉積，壩前和進(jìn)入水輪機(jī)過流部件的水質(zhì)較好，因而過流部件磨損很小。盡管4臺機(jī)組從投產(chǎn)到第一次檢查，除11號機(jī)運(yùn)行3年多時(shí)間 （運(yùn)行小時(shí)數(shù)達(dá)14 533 h）外，其他3臺機(jī)組都只運(yùn)行2年多時(shí)間 （運(yùn)行小時(shí)數(shù)只有10 000 h多一點(diǎn)）（見表2）；但水輪機(jī)上冠部位空蝕卻很嚴(yán)重，4臺機(jī)組空蝕部位和破壞特征類似，空蝕區(qū)最長950 mm，最寬140 mm，最深20 mm。近9年來對機(jī)組運(yùn)行情況的觀察和分析認(rèn)為，造成嚴(yán)重空蝕的主要原因有兩個(gè)：一是過流部件材質(zhì)不好。轉(zhuǎn)輪上冠選用優(yōu)質(zhì)碳鋼制造，這種材料硬度較低，耐疲勞特性和抗空蝕性能均較差，容易被空蝕破壞；而轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)采用不銹鋼制造，其抗空蝕性能較好，空蝕破壞輕微。在第一次檢修時(shí)采用抗空蝕性能良好的CHS237不銹鋼焊條對轉(zhuǎn)輪上冠空蝕區(qū)補(bǔ)焊后，轉(zhuǎn)輪上冠的空蝕破壞明顯減輕。這充分說明選用高抗蝕性能材料，對防止空蝕或減輕空蝕效果顯著。二是機(jī)組運(yùn)行工況較差。電站在系統(tǒng)中主要擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，機(jī)組有較長時(shí)間處于空載旋轉(zhuǎn)備用，小流量使進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水流流態(tài)變差，從而產(chǎn)生空化和空蝕；同時(shí)，11號機(jī)投入運(yùn)行初期的水庫水位較低，水輪機(jī)處于低水頭下運(yùn)行，也是空蝕嚴(yán)重的原因之一。

表2 第一次檢修前機(jī)組運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì) h

在2000年、2004年、2008年對11號機(jī)以及1999年、2003年、2007年對12號機(jī)的檢查過程中多次出現(xiàn)的尾水管大面積空蝕、尾水補(bǔ)氣管斷裂和脫落、焊接的喇叭口支持座周圍腔體鋼板開裂等現(xiàn)象，可判斷為水輪機(jī)空腔空化所致。其原因有三：①該電站機(jī)組長期在低負(fù)荷下空載旋轉(zhuǎn)備用，使轉(zhuǎn)輪出口水流存在一定的圓周速度分量，使轉(zhuǎn)輪后產(chǎn)生渦帶，渦帶中心壓力低于汽化壓力。這種渦帶在尾水管中旋轉(zhuǎn)并周期性地碰擊尾水管的邊壁造成強(qiáng)烈振動，同時(shí)在尾水管進(jìn)口段邊壁形成空腔空蝕。②機(jī)組開停機(jī)頻繁 （見表3）。由于機(jī)組每次啟停都要經(jīng)歷空載、并網(wǎng)、低負(fù)荷和振動區(qū)，圖1某水頭下機(jī)組負(fù)荷、振動、擺度曲線可顯示：這個(gè)階段的振動強(qiáng)度高出額定負(fù)荷時(shí)的35.9%～47.6%；并且每次開停機(jī)都要兩次越過振動區(qū)，機(jī)組承受較大幅度的振動。③寶珠寺電站吸出高度負(fù)值偏小。這也是造成空腔空化、形成空蝕、振動和裂紋的可能原因。

表3 開停機(jī)與振動區(qū)運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

圖1 某水頭下機(jī)組負(fù)荷與振動、擺度值曲線

3 水輪機(jī)過流部件空蝕處理和預(yù)防

（1）轉(zhuǎn)輪上冠靠葉片背面根部空蝕的處理。先用碳弧氣刨清理空蝕區(qū) （空蝕區(qū)邊沿延伸15～20 mm），使空蝕部位顯露完好的金屬本體，且最淺深度不小于4 mm；其次，用氧—乙炔焰對補(bǔ)焊表面局部預(yù)熱80℃以上；再采用手工電弧焊，用CHS237不銹鋼焊條進(jìn)行補(bǔ)焊，需防止產(chǎn)生熱變形和應(yīng)力集中，采用在上冠周圍對稱施焊的方法，對焊量較大的補(bǔ)焊縫輔以錘擊釋放應(yīng)力，每次堆焊量不宜過厚。每焊一遍均進(jìn)行打磨，再補(bǔ)焊、再打磨，直到打磨后表面與原表面平齊，過度平滑，粗糙度、波浪度應(yīng)符合圖紙要求；同時(shí)用樣板檢查葉片根部過渡圓角應(yīng)符合要求。

（2）尾水錐管上補(bǔ)氣管根部空蝕區(qū)的處理。采取鑲塊與堆焊方式：鑲塊用20 mm厚的1Cr18Ni9Ti鋼板卷制，在錐管上開出坡口，鑲焊部位在補(bǔ)氣腔處， 4個(gè)50 mm×100 mm方孔采用16 mm厚度碳鋼板鑲焊，表面堆焊不銹鋼，補(bǔ)氣腔下部嚴(yán)重空蝕處亦用不銹鋼板鑲焊。錐管空蝕部位的補(bǔ)焊方法、材料及鏟磨方法和要求與轉(zhuǎn)輪上冠相同。

在近幾年的多次檢修中，均采用上述材料和方法對轉(zhuǎn)輪葉片、上冠及尾水管的空蝕部分進(jìn)行補(bǔ)焊，轉(zhuǎn)輪葉片、上冠補(bǔ)焊效果良好；但尾水管部分空蝕程度依然嚴(yán)重。針對尾水管空蝕，補(bǔ)氣管斷裂、脫落，焊接的喇叭口支持座周圍腔體鋼板開裂，尾水管湊合節(jié)出現(xiàn)裂紋等問題，還采取了改善機(jī)組運(yùn)行條件的措施：一是，減緩空腔空化和空蝕。合理安排發(fā)電量和水位消落時(shí)間，在保證電站有好的經(jīng)濟(jì)效益又保證電網(wǎng)安全的前提下，使機(jī)組盡量處于較高水位和良好的工況下運(yùn)行，減輕了空蝕和振動。二是，從主軸和尾水管給轉(zhuǎn)輪下部壓力脈動區(qū)補(bǔ)氣。進(jìn)一步改善補(bǔ)氣裝置，使補(bǔ)入的空氣進(jìn)入空穴區(qū)域。三是，盡量避開振動區(qū)運(yùn)行，減少開停機(jī)次數(shù)。四是，在易空蝕破壞區(qū)鋪焊1層或多層抗空蝕性能穩(wěn)定的不銹鋼防護(hù)層 （從目前情況看，只有不銹鋼和鋁鐵青銅近似地兼有這些性能）。

另外，寶珠寺水電站在2000年12月12日至2001年1月9日的14號機(jī)擴(kuò)大性小修期間，用英國進(jìn)口的貝爾佐納 （一種復(fù)合材料，包括：陶瓷、金屬 BELZONA1311和超光滑金屬 BELZNA1314）對轉(zhuǎn)輪上冠空蝕部分進(jìn)行了試驗(yàn)性處理，其核心是涂以抗空蝕性好的韌性材料，吸收微泡破裂時(shí)的能量，以柔韌性來抵抗空蝕。2002年春季14號機(jī)運(yùn)行14個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)用貝爾佐納噴涂技術(shù)處理的空蝕區(qū)涂層絕大部分已經(jīng)脫落，空蝕程度加劇。因此，從實(shí)際使用結(jié)果看，貝爾佐納噴涂技術(shù)處理對防止空蝕效果不佳，用不銹鋼補(bǔ)焊技術(shù)處理水輪機(jī)的空蝕破壞效果良好。

4 結(jié)語

綜上所述，選用高抗蝕性能材料制造水輪機(jī)過流部件，對防止空蝕或減輕空蝕具有顯著的效果；對于已投運(yùn)的水輪機(jī)采用不銹鋼補(bǔ)焊技術(shù)處理過流部件的空蝕問題是有效的；水輪機(jī)過流部件由空化引起的空蝕和振動情況比較復(fù)雜，目前尚沒有一套能夠全面、系統(tǒng)解決空蝕與振動問題的方法。因此，電廠人員在機(jī)組運(yùn)行中，記錄每一臺機(jī)組負(fù)荷、水頭與振動、噪聲的關(guān)系，在檢修工作中檢測記錄每一臺機(jī)組過流部件空蝕深度、面積、失重與時(shí)間的關(guān)系等，認(rèn)真分析每一臺機(jī)組空蝕與振動的成因，逐步掌握機(jī)組的空蝕特點(diǎn)，積極采取一些有針對性的預(yù)防措施，有利于逐步改善空蝕和振動狀況，提高機(jī)組安全、可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。同時(shí)，采用機(jī)組在線振動、擺度監(jiān)測技術(shù)，更有利于推行狀態(tài)檢修，使機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行上一個(gè)新臺階。

［1］ 于波.水輪機(jī)原理與運(yùn)行［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］ 任巖.黃河上的水電站水輪機(jī)磨蝕狀態(tài)檢修的研究［J］.水力發(fā)電， 2010,36（4）:57-59.