采用快速成型方法修復(fù)轉(zhuǎn)輪空蝕破壞

［加拿大］ D.劉易斯

為了攻克修復(fù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片空蝕破壞方面的相關(guān)技術(shù)限制，筆者開(kāi)發(fā)了一種基于快速成型方法的修復(fù)新技術(shù)。該技術(shù)是使用一臺(tái)便攜式掃描儀，產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪葉片表面的三維(3D)圖像，并將其下載至計(jì)算機(jī)。對(duì)下載的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并建造一個(gè)替換件，然后，將其焊接到現(xiàn)有的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上。

安大略發(fā)電(OPG)公司已兩次應(yīng)用該技術(shù)，且效果良好。第1次應(yīng)用結(jié)果表明，該技術(shù)是可行的，提供的替換件與受損轉(zhuǎn)輪葉片的相關(guān)性良好。第2次是應(yīng)用于正在運(yùn)行的水電站，OPG公司在制造替換件的同時(shí)，機(jī)組在繼續(xù)運(yùn)行。該公司計(jì)劃將該新技術(shù)用于其水電站的空蝕修復(fù)工作。

1 標(biāo)準(zhǔn)空蝕維修技術(shù)

當(dāng)水中壓力小于汽化壓力時(shí)，水可形成小氣泡。如果氣泡在轉(zhuǎn)輪表面附近破裂，局部高壓力可使轉(zhuǎn)輪材料剝離。這種現(xiàn)象稱為空蝕，能給水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪造成重大損害。

OPG公司運(yùn)營(yíng)65座水電站，總裝機(jī)容量6963 MW，最小裝機(jī)容量為 1 MW，最大的則超過(guò)1400 MW。修復(fù)空蝕是OPG公司員工必須完成的水輪機(jī)最常見(jiàn)的轉(zhuǎn)輪維護(hù)任務(wù)。歷史上，平均維修間隔時(shí)間約為12 a。但是，機(jī)組之間狀況千差萬(wàn)別，因?yàn)樾碌霓D(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)已經(jīng)得到大大改進(jìn)，減少甚至消除了空蝕。

在實(shí)施修復(fù)前，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)輪的空蝕損傷進(jìn)行檢查，以確定損壞的部位。然后，對(duì)受損部位進(jìn)行打磨，消除麻面。通常，受損面積可遠(yuǎn)大于首次檢查出的面積。表面處理完成后，即用堆焊填充轉(zhuǎn)輪缺失部位。最后打磨表面，使其盡可能回復(fù)到轉(zhuǎn)輪表面的原狀。

由于許多因素，使該方法的運(yùn)用面臨許多問(wèn)題。

(1)空蝕通常發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片的下游側(cè)，對(duì)于立式水輪機(jī)需要仰焊，維修難度大。

(2)添加材料時(shí)，焊工必須對(duì)原轉(zhuǎn)輪斷面作最佳判斷，而且打磨材料需與原始斷面完全一樣的要求很難達(dá)到。

(3)焊接層厚必須超過(guò)原來(lái)的斷面，以便研磨恢復(fù)光滑表面。而往往是用不銹鋼堆焊面層，不銹鋼很難研磨。

(4)堆焊過(guò)程中，焊接熔池的收縮可導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪形狀變形，通常需要定位板或支架，以限制這種變形，但收縮應(yīng)力仍然存在，當(dāng)撤去支架時(shí)，最終的形狀不確定。

(5)技術(shù)上，消除應(yīng)力相當(dāng)困難，不可能糾正焊接引起的變形。

(6)堆焊會(huì)在有限的空間產(chǎn)生大量焊接煙霧。

(7)轉(zhuǎn)輪葉片變形與轉(zhuǎn)輪上堆積的焊接量成正比。大量焊接修復(fù)可能會(huì)導(dǎo)致較大的轉(zhuǎn)輪葉片變形。

2 開(kāi)發(fā)新技術(shù)

根據(jù)制造業(yè)和其他工業(yè)行業(yè)使用的新的快速成型和三維造型方法，OPG公司決定對(duì)利用其中某些方法的可能性展開(kāi)研究，以用于對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和其他構(gòu)件，例如泄流環(huán)和導(dǎo)葉，復(fù)雜表面的修復(fù)。

OPG公司要求對(duì)方法改進(jìn)之后實(shí)施就地修復(fù)，并實(shí)現(xiàn):

(1)延長(zhǎng)因修復(fù)空蝕而停電的間隔時(shí)間;

(2)減少維修期間機(jī)組的停電時(shí)間;

(3)最大限度減少轉(zhuǎn)輪葉片維修產(chǎn)生的變形;

(4)保持原有轉(zhuǎn)輪表面輪廓;

(5)取消焊接修復(fù)期間對(duì)笨重定位板的依賴。

OPG公司開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)，基于使用一種便攜式立體手持激光掃描儀。該掃描儀是將激光束投射到物體表面，捕捉激光束反射的光子，并產(chǎn)生表示被掃描的三維表面的幾何形狀或“點(diǎn)云”。對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置，則是參考內(nèi)部坐標(biāo)系確定，該坐標(biāo)系是在轉(zhuǎn)輪表面隨機(jī)增設(shè)一個(gè)位置目標(biāo)建立的。

完成的掃描分辨率為±0.004 n.。合成的數(shù)據(jù)文件取決于覆蓋面積和數(shù)據(jù)捕獲率。

由于收集的原始數(shù)據(jù)量大，因此需將其轉(zhuǎn)換為更易使用的較小多邊形網(wǎng)格立體測(cè)量(STL)文件。用多邊形網(wǎng)格表示建模表面的一系列三角形的面和邊，網(wǎng)格尺寸越小，分辨率越高，所建模型的外形也就越光滑。通常，一臺(tái)具有增強(qiáng)內(nèi)存和某些計(jì)算機(jī)輔助繪圖(CAD)能力的筆記本計(jì)算機(jī)，足以勝任這項(xiàng)工作。

需將STL文件轉(zhuǎn)換為稱為初始圖形交換規(guī)范(IGES)的中性文件格式，它在三維CAD軟件包中使用很普遍。然后，從代表轉(zhuǎn)輪表面的IGES文件中，創(chuàng)建能代表3D嵌襯的IGES文件。與轉(zhuǎn)輪凹坑緊密配合的該嵌襯部分，可從轉(zhuǎn)輪表面數(shù)據(jù)中直接獲取。

通過(guò)分析周邊非空蝕轉(zhuǎn)輪的表面，來(lái)確定轉(zhuǎn)輪嵌襯的外表面。根據(jù)這種表面信息，可以設(shè)計(jì)一個(gè)新嵌襯的平滑輪廓線，使其與原先的轉(zhuǎn)輪斷面達(dá)到最佳匹配。此外，也可以設(shè)計(jì)邊緣斜面及其他一些特性，以方便最終的安裝。

關(guān)于轉(zhuǎn)輪嵌襯的IGES文件是完整的，可以直接發(fā)送給制造商，由他們據(jù)此選用合適的材料，采用鑄造或數(shù)控加工技術(shù)制造成實(shí)際的部件。

3 應(yīng)用新技術(shù)

OPG公司在卡里波(Caribou)發(fā)電站廢棄的螺旋槳轉(zhuǎn)輪上對(duì)新技術(shù)進(jìn)行了首次試驗(yàn)。首先是拆除部分轉(zhuǎn)輪葉片，運(yùn)往壩址處的維修車間，任選轉(zhuǎn)輪葉片上的一個(gè)部位進(jìn)行修復(fù)。然后，對(duì)該部位實(shí)施打磨，以重復(fù)典型的空蝕修理工作。

加拿大安大略省歐克斯橋(Uxbridge)的Agile制造公司受聘于OPG公司，對(duì)轉(zhuǎn)輪區(qū)域和現(xiàn)有受損區(qū)域周邊的表面進(jìn)行掃描。根據(jù)這些掃描數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)IGES文件，向OPG公司提供需要修理的表面和未損壞外圍表面的真實(shí)情況，用這些數(shù)據(jù)來(lái)顯示“丟失”的受侵蝕轉(zhuǎn)輪的表面。OPG公司利用各種計(jì)算機(jī)軟件程序，例如Solidworks和Rhino3D，便可產(chǎn)生一個(gè)適合轉(zhuǎn)輪空洞和與現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪表面緊密匹配的三維嵌襯。

采用三維建模軟件，從孔隙周邊未受損的外圍開(kāi)始掃描，根據(jù)近似的和外圍掃描數(shù)據(jù)，可以近似地得出嵌襯的外表面輪廓。

現(xiàn)在已完成了表示該嵌襯的文件，OPG公司使用計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬測(cè)試擬合;利用已完成的文件，來(lái)產(chǎn)生一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)控加工文件;為五軸銑床編寫一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，編寫完立即將新創(chuàng)建的加工文件上傳。為方便銑加工，Agile制造公司利用鋁坯加工該零件，然后將加工好的試件安裝在模擬轉(zhuǎn)輪段。結(jié)果配合尺寸正確，與轉(zhuǎn)輪表面吻合良好。

基于該實(shí)驗(yàn)的成功，OPG公司決定利用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)修復(fù)運(yùn)行中的水輪機(jī)，并選擇了裝機(jī)容量18.5 MW的Ear瀑布發(fā)電站直徑為107 n.的莫里斯水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪作為修復(fù)對(duì)象。

2008年秋，水輪機(jī)停機(jī)進(jìn)行定期維護(hù)。檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片和節(jié)流環(huán)已空蝕。

OPG公司選擇了兩個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片和大約1/3的節(jié)流環(huán)進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)有8個(gè)部位出現(xiàn)了嚴(yán)重的空蝕坑。首先打磨受損區(qū)域，除去蝕坑的表面，然后Agile制造公司對(duì)該部位進(jìn)行掃描。大約4 h后，掃描完成，機(jī)組返回運(yùn)行。

一旦開(kāi)發(fā)完成8個(gè)轉(zhuǎn)輪嵌襯的IGES模型文件，即將其用電子郵件發(fā)到艾伯塔省卡爾加里(Calgary)的MA鑄鋼廠。然后，開(kāi)始建造鑄模和生產(chǎn)砂型鑄件，鑄件必須與計(jì)算機(jī)模型完全匹配。MA鑄鋼廠采用一個(gè)稱為Magmasoft的軟件程序，模擬和優(yōu)化鑄造澆鑄，以消除任何可能的空隙和缺陷。為了此次測(cè)試，使用了316 L不銹鋼鑄造轉(zhuǎn)輪部件。

2009年春，機(jī)組停機(jī)，安裝新轉(zhuǎn)輪嵌襯。機(jī)組運(yùn)行6個(gè)月后，修復(fù)區(qū)域又新增了輕微的空蝕。鑄造的嵌襯吻合良好，只需進(jìn)行輕微打磨，以適應(yīng)所有部件;嵌襯的邊緣仍做成斜面，然后再焊接到位。在較大的嵌襯上，隨機(jī)鉆幾個(gè)直徑為1 n.的孔，以方便對(duì)嵌襯焊接。

在停機(jī)期間，OPG公司還決定實(shí)時(shí)測(cè)試新的修復(fù)方法，并選擇了3個(gè)空蝕的轉(zhuǎn)輪葉片。2009年5月21日，打磨和掃描了空蝕的表面，設(shè)計(jì)了新的嵌襯，并通過(guò)電子郵件發(fā)至翻砂車間以便鑄造。然后，用316L不銹鋼熔模鑄造工藝鑄造這些嵌襯。2009年5月28日，鑄造廠將完工的部件發(fā)貨。從開(kāi)始掃描至部件完工，總共只用了7 d時(shí)間。第2 d，就已將新嵌襯焊接到位，機(jī)組返回運(yùn)行。

運(yùn)行1 a后，OPC公司關(guān)閉該機(jī)組以便檢查修復(fù)后的轉(zhuǎn)輪狀態(tài)，并配備攝象機(jī)進(jìn)行檢查。結(jié)果表明，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)的損傷，該機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行。

基于這些測(cè)試結(jié)果，OPG公司得出如下結(jié)論:

(1)使用該技術(shù)修復(fù)轉(zhuǎn)輪，所需維修時(shí)間比以前的方法縮短約30%，該數(shù)字會(huì)根據(jù)損傷程度和需要維修的量發(fā)生變化。

(2)機(jī)加工嵌襯適合于一次性部件，而鑄造適合于批量生產(chǎn)零部件。

(3)由于減少焊接量，轉(zhuǎn)輪葉片變形程度降至最小。轉(zhuǎn)輪嵌襯本身作為一個(gè)支撐，有助于防止變形。

(4)比較容易維持原來(lái)的轉(zhuǎn)輪表面。通過(guò)開(kāi)發(fā)三維模型和掃描數(shù)據(jù)，OPG公司能夠創(chuàng)建準(zhǔn)確表述原始轉(zhuǎn)輪斷面。采用以前的技術(shù)，焊工必須超焊，然后再打磨回到創(chuàng)建轉(zhuǎn)輪輪廓，而且該程序只能基于經(jīng)驗(yàn)判斷，沒(méi)有可靠的方法來(lái)確定成品的形狀是否成功。

(5)工作條件較好，因?yàn)樾枰附拥牧可?，也不需要額外的轉(zhuǎn)輪葉片支撐。

(6)最小嵌襯厚度應(yīng)為0.25 n.，這使得通過(guò)鑄造或加工生產(chǎn)零件更容易，薄片也更難以牢固地焊接到轉(zhuǎn)輪表面。因此，在準(zhǔn)備掃描時(shí)，將受損區(qū)域至少打磨到最小厚度是值得的。

本文將層次分析的方法應(yīng)用在礦井設(shè)計(jì)方案中，初步嘗試決策方法，應(yīng)用的結(jié)果證明，層次分析的方法非常簡(jiǎn)單實(shí)用，具有系統(tǒng)性、邏輯性和靈活性，在采礦領(lǐng)域里，除了選擇礦井設(shè)計(jì)方案之外，還可以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化、采礦方案優(yōu)化等，各類資源的設(shè)計(jì)、分配都可以實(shí)用層次分析法進(jìn)行判斷和處理。

(7)略微受損區(qū)域可用堆焊修復(fù)。

(8)轉(zhuǎn)輪嵌襯不能與轉(zhuǎn)輪完全融合，必須判斷是否合格，因此該方法不適合高應(yīng)力區(qū)。

為使該技術(shù)得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，OPG提出了以下建議。

(1)如果冶金性能兼容和焊接技術(shù)適當(dāng)，有可能會(huì)使用抵抗空蝕的嵌襯材料(如鉻鎳鐵合金、鎢鉻鈷合金及各種牌號(hào)的不銹鋼)。

(2)空蝕往往發(fā)生在相同位置，因此，OPG公司可能會(huì)利用以前收集的歷史數(shù)據(jù)，而無(wú)需額外掃描和進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)就能替換嵌襯。

(4)可以使兩次停機(jī)維護(hù)之間的運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。遭受空蝕的轉(zhuǎn)輪需要經(jīng)常檢查，最好在空蝕還未滲透太深之前修復(fù)。如果維修間隔延長(zhǎng)，焊接修復(fù)量大，轉(zhuǎn)輪葉片扭曲的可能性與熔池體積的增加成正比。只要保持結(jié)構(gòu)完整，使用嵌襯技術(shù)，可使轉(zhuǎn)輪的維護(hù)間隔延長(zhǎng)1倍。

(5)可將掃描的數(shù)據(jù)精確拷貝，用于其他工作。例如，重復(fù)的轉(zhuǎn)輪部分可以用任何材料制作，這種復(fù)制可在維修車間進(jìn)行;可設(shè)計(jì)、預(yù)制和測(cè)試新的部件(如轉(zhuǎn)輪端部的抗空化唇，防止產(chǎn)生不必要的渦流)，適配轉(zhuǎn)輪復(fù)制件，以在將來(lái)停機(jī)時(shí)安裝。

(6)修復(fù)前掃描轉(zhuǎn)輪，建立基準(zhǔn)參考，用于完工后進(jìn)行比較。

4 結(jié)語(yǔ)

OPG公司兩項(xiàng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明，新技術(shù)達(dá)到了公司原先制定的標(biāo)準(zhǔn)，而且用途相當(dāng)廣泛，可以大大減少轉(zhuǎn)輪修復(fù)的時(shí)間，因?yàn)榇蟛糠止ぷ髦恍栌靡慌_(tái)計(jì)算機(jī)完成?，F(xiàn)在，該公司與提供服務(wù)的供應(yīng)商建立了合作關(guān)系，以快速有效地實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)。

對(duì)于OPG公司來(lái)說(shuō)，掃描受損轉(zhuǎn)輪表面的準(zhǔn)備工作相當(dāng)簡(jiǎn)單。只是將受損轉(zhuǎn)輪表面清理好以備掃描，一個(gè)技術(shù)人員可在約4 h內(nèi)完成掃描;然后，外部供應(yīng)商完成建模和生產(chǎn)新部件。一旦新轉(zhuǎn)輪嵌襯到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)(約10 d)，OPG公司能在約2 d時(shí)間內(nèi)安裝好。

在將來(lái)的水利設(shè)施中，可能會(huì)使用三維掃描。該技術(shù)可以應(yīng)用于受侵蝕影響的區(qū)域(如進(jìn)水閘門、壓力鋼管和導(dǎo)葉)，通過(guò)掃描評(píng)估出現(xiàn)問(wèn)題區(qū)域的一般狀況。其主要優(yōu)點(diǎn)是能迅速捕捉其他設(shè)備難以到達(dá)區(qū)域的準(zhǔn)確的三維圖象，然后，機(jī)組可恢復(fù)運(yùn)行，收集的數(shù)據(jù)則輸入到計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)完成分析后，即可開(kāi)發(fā)修理程序，并在車間制造組件，從而大大減少電站的停機(jī)時(shí)間。