混流式水輪機(jī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生原因及修復(fù)

宋 巖，宋喜杰，韓慶東

（云峰發(fā)電廠，吉林 集安 134200）

0 引言

被譽(yù)為共和國(guó)水電長(zhǎng)子的云峰水利樞紐工程，1955年由中方勘探設(shè)計(jì)，1958年中朝鴨綠江水利發(fā)電廠建設(shè)籌委會(huì)決議，由中朝雙方人員組成云峰聯(lián)合設(shè)計(jì)委員會(huì)，確定廠房及引水系統(tǒng)工程由中方設(shè)計(jì)、施工，大壩工程由朝方設(shè)計(jì)、施工。1959年4月完成了工程的初步設(shè)計(jì)，同年9月通過(guò)了初步設(shè)計(jì)審查并破土動(dòng)工。1965年9月9日第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電（4號(hào)機(jī)），1967年4月18日4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，同年大壩竣工，并于1971年由朝方移交中方負(fù)責(zé)運(yùn)行、管理。電站為引水混合式電站，位于鴨綠江中上游，集安市青石鎮(zhèn)境內(nèi)，電站共安裝4臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為4臺(tái)×100 MW＝400 MW。1號(hào)、3號(hào)機(jī)組為中方50 Hz系統(tǒng)，向國(guó)家電網(wǎng)送電。2號(hào)、4號(hào)機(jī)組為朝方60 Hz系統(tǒng)，向朝鮮國(guó)家電網(wǎng)送電。

云峰電站是中華人民共和國(guó)首座單機(jī)容量100 MW的水電站，現(xiàn)已安全運(yùn)行50多年，為國(guó)家創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的缺乏，加工能力的限制，以及電站運(yùn)行工況等多種因素的影響，也暴露出許多問(wèn)題，存在問(wèn)題最多的是水輪機(jī)部分，而破壞最嚴(yán)重的部分為轉(zhuǎn)輪，由于轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞的面積越來(lái)越大，裂紋發(fā)生的頻次越來(lái)越高，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)銹蝕等許多問(wèn)題日益突出，已經(jīng)危及機(jī)組的安全運(yùn)行。因此自2005年開(kāi)始著手進(jìn)行老舊機(jī)組的改造工作。為慎重起見(jiàn)，首先從最先投產(chǎn)發(fā)電，存在缺陷最多的4號(hào)機(jī)組開(kāi)始，方案經(jīng)多次修改，2011年正式開(kāi)始了云峰4號(hào)機(jī)組的改造工作，改造范圍重點(diǎn)為水輪機(jī)部分。機(jī)組改造2012年10月17日開(kāi)始至2013年5月25日結(jié)束，歷時(shí)221 d完成。轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉及部分導(dǎo)水機(jī)構(gòu)零部件采用不銹鋼加工而成。通過(guò)近4年的運(yùn)行，更換的水輪機(jī)各部件與原機(jī)組部件配合良好，振動(dòng)減小，運(yùn)行工況穩(wěn)定，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)抗腐蝕性能良好，4號(hào)機(jī)組改造取得了成功。但水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠、葉片正、背根間的氣蝕依然發(fā)生、發(fā)展著。2017年4月我們對(duì)4號(hào)機(jī)組進(jìn)行改造后的首次A級(jí)檢修，檢修中對(duì)轉(zhuǎn)輪氣蝕部位進(jìn)行了修復(fù)。下面針對(duì)不銹鋼轉(zhuǎn)輪氣蝕的發(fā)生、發(fā)展原因進(jìn)行分析，對(duì)轉(zhuǎn)輪氣蝕部位的修復(fù)進(jìn)行闡述。僅供探討、參考和借鑒。

4號(hào)機(jī)組是20世紀(jì)60年代由前蘇聯(lián)列寧格勒金屬工廠設(shè)計(jì)制造，至2012年10月，已安全運(yùn)行48年。受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)條件的限制，以及多年運(yùn)行，機(jī)組存在的安全隱患有：轉(zhuǎn)輪葉片出口邊開(kāi)口不均，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)各個(gè)葉片壓力分布不平衡；機(jī)組多年運(yùn)行轉(zhuǎn)輪金屬疲勞已達(dá)極限；轉(zhuǎn)輪氣蝕、裂紋修復(fù)補(bǔ)焊重復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致葉片變形、質(zhì)量不平衡；朝鮮電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，機(jī)組長(zhǎng)期處在低于45～50 Hz低頻工況下運(yùn)行，造成自然補(bǔ)氣能力差；推力軸承結(jié)構(gòu)不合理；上機(jī)架剛度不足等等。這些隱患都可能造成機(jī)組震動(dòng)，影響最大的是水輪機(jī)部分，而破壞最嚴(yán)重的部分為轉(zhuǎn)輪，由于轉(zhuǎn)輪氣蝕面積越來(lái)越大，裂紋發(fā)生的頻次、數(shù)量越來(lái)越多，已經(jīng)危及機(jī)組以及系統(tǒng)的運(yùn)行安全，機(jī)組改造勢(shì)在必行。改造范圍主要為水輪機(jī)部分，更換零部件包括：1）尾水管護(hù)壁；2）尾水管十字補(bǔ)氣架；3）轉(zhuǎn)輪；4）底環(huán)；5）活動(dòng)導(dǎo)葉；6）頂蓋；7）套筒；8）拐臂、連扳、止退壓板；9）接力器及推拉桿；10）控制環(huán)；11）水導(dǎo)軸承；12）上機(jī)架更換等。

1 轉(zhuǎn)輪參數(shù)對(duì)比

水輪機(jī)部分（改造前參數(shù)/改造后參數(shù)）

型 號(hào)：PO741-BM-380(前蘇聯(lián)制造)/HLA1090-LJ-395(國(guó)產(chǎn)制造)；

額定出力：103 MW/122 MW；

最大水頭：113.5/113.5（m）；

設(shè)計(jì)水頭：89.0/89.0（m）；

最小水頭：68.6/68.6（m）；

額定流量：130.0/140.0（m3/s）；

額定效率：91%/不小于93%；

額定轉(zhuǎn)速：180.0/180.0（r/min）；

飛逸轉(zhuǎn)速：360.0/360.0(r/min)；

轉(zhuǎn)輪直徑：3800.0/3950.0（mm）；

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)：14/14（個(gè)）；

活動(dòng)導(dǎo)葉葉片數(shù)：24/24（個(gè)）；

吸出高度 -2.5/-2.5（m）；

安裝高程:206.5/206.5（m）；

設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)：3650/3650（h）；

上冠下環(huán)材質(zhì)：ZG20MnSi/ZG06Gr13Ni5Mn；

葉片材質(zhì)：ZG20MnSi/ZG04Gr13Ni5Mn；

2 不銹鋼轉(zhuǎn)輪氣蝕檢查及運(yùn)行情況

2.1 轉(zhuǎn)輪氣蝕情況

2014年4月16日4號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修首次發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞，在10號(hào)-11號(hào)、11號(hào)-12號(hào)葉片間上冠出水邊部位，面積100 mm×80 mm=0.08 m2,特征為表面失光失色，眼觀成灰白色。未發(fā)現(xiàn)明顯的氣蝕點(diǎn)。2014年4月-2017年4月共進(jìn)行6次C級(jí)檢修，每一次檢查氣蝕面積都在增加，2017年4月7日A級(jí)檢修時(shí)，轉(zhuǎn)輪14個(gè)葉片上冠出水邊，均有不同程度的氣蝕破壞發(fā)生，氣蝕部位集中在上冠出水邊向進(jìn)水方向延伸500 mm與葉片正、背根上半圓弧間，最大的氣蝕面積發(fā)生在10號(hào)-11號(hào)葉片間，面積550 mm×20 mm=0.11 m2,最小氣蝕破壞發(fā)生在4號(hào)—5號(hào)葉片間面積150 mm×100 mm=0.015 m2，大部分氣蝕部位呈現(xiàn)不規(guī)則凸凹狀，深度在0.01～0.5 mm之間，用手觸摸粗糙感明顯。氣蝕破壞嚴(yán)重的部位有3處，分別發(fā)生在10號(hào)葉片的背根部，11號(hào)葉片的正根部，8號(hào)葉片的背根部。深度在3～6 mm，面積在15～20 mm2范圍。轉(zhuǎn)輪其他部分檢查后無(wú)氣蝕發(fā)生，氣蝕破壞情況見(jiàn)表1、圖1、圖2：

表1 轉(zhuǎn)輪氣蝕分布情況

圖1 氣蝕破壞情況

圖2 氣蝕破壞總體情況

2.2 轉(zhuǎn)輪探傷檢查情況

按照《云峰發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)化檢修作業(yè)流程》、《云峰發(fā)電廠水輪機(jī)檢修規(guī)程》要求，檢修前應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行著色探傷檢查。檢查區(qū)域?yàn)椋恨D(zhuǎn)輪上冠氣蝕發(fā)生部位；葉片與上冠連接處正、背根、葉片與下環(huán)連接處正背根部位；葉片進(jìn)水邊海豚頭部位；上冠、下環(huán)過(guò)水面等。檢查后發(fā)現(xiàn)上冠、下環(huán)與葉片焊接部位存在有氣孔、夾渣等焊接缺陷。氣孔缺陷每條焊縫都存在，分布位置無(wú)規(guī)律，氣孔直徑多數(shù)在φ0.001～φ0.01 mm之間。直徑φ0.5～φ1 mm氣孔6處。夾渣缺陷6處，在葉片圓弧下方，分布位置無(wú)規(guī)律，面積在6～15 mm2不等。氣孔、夾渣缺陷如圖3、圖 4：

圖3 焊接氣孔分布情況

圖4 焊接夾渣情況

2.3 轉(zhuǎn)輪更換后運(yùn)行情況

由于中朝電量差以及朝方電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定等多種因素的影響，4號(hào)機(jī)組2013年5月24日—2017年4月7日共運(yùn)行15 691.61 h。而中方3號(hào)機(jī)組2014年運(yùn)行8 409.36 h，且發(fā)電負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)4號(hào)機(jī)組。按此推論如果4號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪安裝在1號(hào)機(jī)組上，氣蝕破壞的情況將更加嚴(yán)重。表2為4號(hào)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表2 2013-2017年4號(hào)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生的原因分析

4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪氣蝕部位大致相同，14個(gè)葉片間的氣蝕面積卻相差較大，我們對(duì)每一氣蝕部位都進(jìn)行檢查、分析，氣蝕產(chǎn)生原因有以下幾點(diǎn)：

（1）轉(zhuǎn)輪斷面型線不規(guī)則產(chǎn)生的氣蝕：轉(zhuǎn)輪上冠、葉片、下環(huán)由數(shù)控機(jī)床加工后，按設(shè)計(jì)要求組裝定位，葉片與上冠、下環(huán)焊接由人工完成，焊接部位的型線，按樣板人工打磨修整。由于流道狹窄不利于作業(yè)人員操作，因此上冠出水邊的斷面型線差別較大。14個(gè)葉片發(fā)生氣蝕的面積相差的也非常懸殊，我們對(duì)氣蝕面積最小的4號(hào)—5號(hào)葉片進(jìn)行了重點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)上環(huán)與葉片連接處的型線，直線段與圓弧連接近似相切，接近理想的正根型線。而氣蝕嚴(yán)重部位的面積比4號(hào)—5號(hào)葉片上冠氣蝕面積大7倍多，原因?yàn)檗D(zhuǎn)輪流道內(nèi)原本平順運(yùn)行的正壓水流在經(jīng)過(guò)局部缺陷流道斷面時(shí)，水壓力產(chǎn)生較大的波動(dòng)，形成正、負(fù)壓區(qū)域，水流在正負(fù)壓力的變化中，水中氣泡易在該區(qū)域破裂形成高速射流（即水錘壓力），這種微觀射流沖擊伴隨著水流質(zhì)點(diǎn)對(duì)發(fā)生汽蝕部位的金屬表面不斷的壓入和吸出，使該部位金屬表面發(fā)生微觀塑性變形和材料疲勞。造成金屬結(jié)晶顆粒脫落，形成初期氣蝕。當(dāng)氣蝕反復(fù)作用在同一部位時(shí)，就會(huì)造成金屬表面變暗、粗糙、出現(xiàn)蜂窩等現(xiàn)象，與我們看到的氣蝕部位失光失色高度吻合。這是氣蝕產(chǎn)生的主要原因。參考受力分析如圖5：

圖5 轉(zhuǎn)輪氣蝕區(qū)域斷面型線結(jié)構(gòu)及受力分析圖

（2）轉(zhuǎn)輪流道加工缺陷造成的氣蝕：在檢查中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪流道正根部位，多處存在褶皺缺陷，缺陷如圖6。由于混流式水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪水流變化復(fù)雜，流道內(nèi)原本正壓的水流，因褶皺存在，渦流效應(yīng)頻繁，水流行進(jìn)中正負(fù)壓力交替變化，造成了水錘的反復(fù)沖擊，人為原因造成了不應(yīng)有的氣蝕破壞。上冠出水邊原本就是氣蝕破壞的易發(fā)部位，由于焊接夾渣、氣孔及其他缺陷的存在，該區(qū)域氣蝕破壞產(chǎn)生的機(jī)率則更高。

（3）轉(zhuǎn)輪焊接缺陷產(chǎn)生的氣蝕：為了提高效率，新轉(zhuǎn)輪增長(zhǎng)了流道長(zhǎng)度，葉片流道扭曲狹窄，這給人工焊接增加了難度，另外由于焊條本身缺陷，施焊后產(chǎn)生氣孔、夾渣缺陷就在所難免。

圖6 褶皺分布情況

氣孔的形成原因：氣孔缺陷是作業(yè)人員沒(méi)能嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接導(dǎo)致。應(yīng)用施焊的G367M不銹鋼焊條，技術(shù)要求不用加溫和保溫，但產(chǎn)生如此多的焊接氣孔，是否可以在焊藥中增加防氣孔元素、焊接工藝中增加焊條干燥、防潮等措施避免氣孔的產(chǎn)生。

夾渣缺陷產(chǎn)生原因：從缺陷形成的現(xiàn)象看可以斷定，夾渣是焊接藥皮沒(méi)有清理干凈造成的。有兩處氣蝕嚴(yán)重的部位是由夾渣和氣孔缺陷造成的。

（4）轉(zhuǎn)輪組裝工藝不合理產(chǎn)生的氣蝕原理：轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)加工完成后，為了保證轉(zhuǎn)輪葉片位置的相對(duì)準(zhǔn)確，在各部件表面畫好安裝基準(zhǔn)線，為使安裝過(guò)程中不將基準(zhǔn)線丟失，重要的控制點(diǎn)位用機(jī)械設(shè)備加工標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)直徑φ=2.5 mm，在安裝完成后標(biāo)記點(diǎn)沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)焊消除，標(biāo)記點(diǎn)坑造成局部的水流紊亂，因此產(chǎn)生嚴(yán)重的氣蝕破壞。不同部位標(biāo)記點(diǎn)如圖7、圖8、圖9：

圖7 構(gòu)造線標(biāo)記點(diǎn)情況

圖8 背根構(gòu)造線標(biāo)記點(diǎn)情況

圖9 構(gòu)造線標(biāo)記點(diǎn)分布情況

（5）表面粗糙度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生的氣蝕：轉(zhuǎn)輪加工完成后表面粗糙度加工是通過(guò)打磨和拋光完成的，表面粗糙度設(shè)計(jì)值為Ra1.6，上冠、葉片、下環(huán)機(jī)械加工后表面粗糙度可達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，粗糙度不達(dá)標(biāo)的地方在轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)與葉片焊接區(qū)域，有局部區(qū)域可見(jiàn)清晰的磨痕，磨痕存在流道褶皺區(qū)域內(nèi)，也是發(fā)生氣蝕破壞的又一原因。

4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕修復(fù)

根據(jù)檢修計(jì)劃，本次檢修轉(zhuǎn)輪沒(méi)有吊出基坑，為了處理好轉(zhuǎn)輪的氣蝕破壞，云峰電廠生產(chǎn)技術(shù)部根據(jù)設(shè)備檢修時(shí)間安排以及氣蝕的實(shí)際情況，提出了轉(zhuǎn)輪氣蝕處理意見(jiàn)，生產(chǎn)技術(shù)人員協(xié)商后形成了最終的處理方案,處理情況及工藝流程如下：

（1）氣蝕破壞部位的清理：應(yīng)用手持電鉆夾持φ6 mm錐形合金銑刀頭摳除氣孔、夾渣、構(gòu)造線標(biāo)記點(diǎn)造成氣蝕的破壞部分，以滿足焊接要求。由于正、背根部位氣孔較多，與哈電技術(shù)部門聯(lián)系確認(rèn)，本次只對(duì)目測(cè)清晰可見(jiàn)的氣孔進(jìn)行補(bǔ)焊處理。

（2）轉(zhuǎn)輪安裝構(gòu)造線標(biāo)記點(diǎn)清理：為了防止構(gòu)造線標(biāo)記點(diǎn)產(chǎn)生氣蝕，本次檢修將對(duì)標(biāo)記點(diǎn)清理補(bǔ)焊。

（3）補(bǔ)焊施工：選用焊條型號(hào)為G367M不銹鋼焊條，該焊條專門用于不銹鋼轉(zhuǎn)輪焊接及修補(bǔ)，可滿足奧氏體、馬氏體、鐵素體金相組織結(jié)構(gòu)金屬的焊接。特點(diǎn)為：焊接性能良好，不需要預(yù)熱及保溫，操作工藝簡(jiǎn)單，焊后工件焊道不易開(kāi)裂。是迄今為止轉(zhuǎn)輪焊接施工工藝最為簡(jiǎn)便的焊條。

缺陷焊接為手工電弧焊接，選用直徑φ3.2 mm電焊條，焊機(jī)選用交流弧焊機(jī)，電壓380V、電流90A。

補(bǔ)焊范圍：清理完成的氣孔、夾渣、標(biāo)記點(diǎn)等。G367M不銹鋼焊條其化學(xué)成分如表3：

表3 焊條熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（4）型線處理：由于4號(hào)—5號(hào)葉片氣蝕面積最小，型線近似理想型線，因此上冠與葉片圓弧過(guò)渡型線原則上按理想型線處理，即圓弧與直線段相切。深度h≤1 mm的氣蝕部位采用型線樣板控制，氣砂輪打磨至氣蝕消失方可進(jìn)行，磨削至0.10～0.20 mm余量，表面粗糙度Ra6.3轉(zhuǎn)下道工序。但由于時(shí)間、工位限制，型線處理與理想型線還有較大差距。

另外褶皺缺陷區(qū)域，本次檢修由于時(shí)間及工位的限制，并沒(méi)有進(jìn)行徹底處理，在下次檢修中應(yīng)作為重點(diǎn)檢查。

（5）修磨表面拋光處理：轉(zhuǎn)輪修磨表面的拋光處理，使用工具為角向磨光機(jī)人工打磨，用Z60磨片去除剩余磨削余量，再用Z120磨片處理至粗糙度Ra3.2～1.6之間（受施工條件限制粗糙度無(wú)法全部達(dá)到設(shè)計(jì)值Ra1.6）。

2017年5月12日至2017年6月2日，通過(guò)修補(bǔ)、型線修磨以及去除氣蝕破壞表面金屬的方法，完成了4號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞的處理工作，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。滿足設(shè)備運(yùn)行的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

云峰電站4號(hào)機(jī)HLA1090-LJ-395不銹鋼轉(zhuǎn)輪更換后，在3年多的運(yùn)行實(shí)踐中，很好的解決了上冠進(jìn)水邊、葉片，下環(huán)進(jìn)、出水邊、葉片的氣蝕問(wèn)題?？箽馕g性能的提高是可以肯定的，同時(shí)葉片沒(méi)有發(fā)生裂紋破壞，證明轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)是科學(xué)的。滿足了復(fù)雜水流條件下的流態(tài)要求，為進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。然而上冠出水邊氣蝕破壞的原因是否如分析結(jié)果，還有待于時(shí)間和實(shí)踐的證明。

另外G367M電焊條焊接氣孔缺陷是需要高度重視的，要避免轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞的發(fā)生我們要從每一個(gè)細(xì)節(jié)做起?？傊獜母旧辖鉀Q轉(zhuǎn)輪氣蝕問(wèn)題可謂任重道遠(yuǎn)。

[1]王者昌，陳懷寧.水輪機(jī)葉片裂紋的產(chǎn)生及對(duì)策[J].大電機(jī)技術(shù)，2003(6)：51-57.