關(guān)于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及尾水管氣蝕產(chǎn)生的原因及修復(fù)

孫甲穩(wěn)

摘要：當(dāng)前，我國(guó)發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了很多問題，尤其是轉(zhuǎn)輪氣蝕、裂痕、尾水管氣蝕問題，已經(jīng)影響了發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，想要有效解決這種問題，需要對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行更新，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，對(duì)氣蝕部位進(jìn)行檢修。本文主要對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及尾水管氣蝕產(chǎn)生的原因和修復(fù)方法進(jìn)行闡述，通過科學(xué)的氣蝕處理和減緩方法，加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行中的控制，以此提高機(jī)組性能、運(yùn)行效率和運(yùn)行水平。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī);轉(zhuǎn)輪;尾水管;氣蝕

引言：

水輪發(fā)電機(jī)是水力發(fā)電廠的動(dòng)力來源渠道之一，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)組的重要組成部分，在發(fā)電廠生產(chǎn)建設(shè)過程中，因?yàn)楹恿骱沉亢洼斏沉康脑黾樱瑢?dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易被磨蝕，尤其是混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，其成為水輪機(jī)組普遍存在的問題。對(duì)此，需要我國(guó)水電廠加強(qiáng)研究，在有效解決混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕問題的基礎(chǔ)上，還需要重點(diǎn)解決尾水管氣蝕問題。

一、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及尾水管氣蝕產(chǎn)生的原因

（一）混流式水輪機(jī)輪轉(zhuǎn)磨蝕破壞

第一，轉(zhuǎn)輪空蝕破壞。轉(zhuǎn)輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部液體壓力會(huì)在流動(dòng)或者靜止?fàn)顟B(tài)下達(dá)到一定的限度，最終發(fā)生氣化，在一定部位中出現(xiàn)小氣泡，這些氣泡會(huì)因?yàn)閴毫ψ儎?dòng)而在此集聚，這個(gè)過程就叫做空蝕。小氣泡和水流共同進(jìn)入到高壓狀態(tài)下會(huì)發(fā)生聚集，因此此過程壓力大、速度快、流動(dòng)頻率高，會(huì)促使恒定溫度升高，電化學(xué)腐蝕會(huì)增加，直接導(dǎo)致輪轉(zhuǎn)機(jī)材料被破壞，這種空蝕狀態(tài)下產(chǎn)生的材料破壞成為空蝕破壞。因?yàn)檗D(zhuǎn)輪機(jī)上部的空蝕屬于流動(dòng)液體空蝕，根據(jù)其空間性質(zhì)的不同可以分為間隙空蝕、局部空蝕、翼型空蝕。第二，轉(zhuǎn)輪泥沙磨損。轉(zhuǎn)輪機(jī)運(yùn)行過程中的流通場(chǎng)所會(huì)有一定的懸浮泥沙，這些堅(jiān)硬的泥沙顆粒會(huì)在流動(dòng)過程中撞機(jī)流動(dòng)面，導(dǎo)致流動(dòng)面出現(xiàn)疲勞磨損。當(dāng)泥沙在固定方向下對(duì)轉(zhuǎn)輪流通面進(jìn)行持續(xù)撞擊時(shí)，會(huì)導(dǎo)致沖擊處發(fā)生磨損，這時(shí)金屬材料會(huì)脫落，這些長(zhǎng)期被磨損的流通面會(huì)變得凹凸不平，直接加劇損壞效率。泥沙磨損具體原因如下：磨損時(shí)的運(yùn)行條件，比如混流式流道參數(shù)，轉(zhuǎn)輪機(jī)運(yùn)行環(huán)境;流道面的材料性質(zhì)、和彈性、硬度、抗沖擊性;含沙水流特點(diǎn)、泥沙硬度和形態(tài)、水流速度等。一般情況下，水流含沙量越大，水流速度會(huì)越高，泥沙硬度會(huì)增強(qiáng)，對(duì)轉(zhuǎn)輪機(jī)造成的沖擊會(huì)加大，當(dāng)轉(zhuǎn)輪機(jī)表面材料性質(zhì)不高時(shí)，也會(huì)加劇磨損[1]。

（二）轉(zhuǎn)輪磨損外觀特點(diǎn)和特征

第一，轉(zhuǎn)輪磨損外觀特點(diǎn)。轉(zhuǎn)輪機(jī)出現(xiàn)磨損破壞的主要原因是空蝕磨損和泥沙磨損，這兩種破壞方式各有不同，泥沙磨損會(huì)促使通道面出現(xiàn)各種魚鱗式的花紋，磨損程度較低的地方會(huì)出現(xiàn)小痕跡，磨損嚴(yán)重的地方會(huì)有顏色變化，花紋面積大?？瘴g破壞性會(huì)促使流通面出現(xiàn)海綿絮狀，金屬構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)孔洞，在破壞過程中，這些孔洞會(huì)不連續(xù)分布，不會(huì)影響金屬性能，以上這兩種破壞形式是交替發(fā)生的，因此間接加劇了轉(zhuǎn)輪的氣蝕破壞程度。第二，轉(zhuǎn)輪磨蝕特征?；炝魇侥ノg最嚴(yán)重的部位一般在葉片進(jìn)入水邊靠近下環(huán)部位、或者上冠、葉片出水邊處部位，磨損嚴(yán)重的部位一般在混流式轉(zhuǎn)輪葉和下環(huán)部位的出口和進(jìn)口位置，隨著水流變化磨蝕范圍和程度都將不斷增加。一般磨蝕會(huì)出現(xiàn)三角形狀，在此位置處，葉片和下環(huán)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)磨蝕，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片掉落。葉片在運(yùn)行時(shí)會(huì)和環(huán)節(jié)成為一個(gè)直角，在二次回流下形成脫流旋渦，會(huì)加劇沙粒的沖擊，另外葉片也會(huì)受到焊接區(qū)和轉(zhuǎn)輪流速的影響，從而加劇磨蝕[2]。

（三）尾水管氣蝕問題

水電站水輪機(jī)尾水管補(bǔ)氣方式是導(dǎo)致尾水管氣蝕的主要原因。尾水管補(bǔ)氣指尾水平臺(tái)中補(bǔ)氣閥，在自然條件下自動(dòng)補(bǔ)氣，當(dāng)水電站水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速過高時(shí)，尾水管會(huì)出現(xiàn)高旋渦帶，導(dǎo)致真空出現(xiàn)。真空因?yàn)槲鼩獠痪鶆驅(qū)е職忾y發(fā)生損壞，影響氣閥彈簧動(dòng)作，因?yàn)檎婵諝怏w進(jìn)入量不足，而破壞真空狀態(tài)，最終出現(xiàn)氣蝕，因此水輪機(jī)尾水管出現(xiàn)襯氣蝕破壞主要因?yàn)檎婵諝馕g導(dǎo)致的，而真空氣時(shí)和渦帶有著直接的影響關(guān)系。

二、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及尾水管氣蝕修復(fù)方法

（一）如何防治轉(zhuǎn)輪磨蝕破壞的方法

第一，加強(qiáng)設(shè)計(jì)?？梢栽黾愚D(zhuǎn)輪的級(jí)數(shù)，在水頭過高的區(qū)域可以采用多級(jí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn);可以設(shè)計(jì)葉片型式，根據(jù)流線進(jìn)行設(shè)計(jì);可以設(shè)計(jì)止漏環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)下環(huán)形狀選擇科學(xué)的結(jié)構(gòu)形式;可以適當(dāng)?shù)脑黾尤~片數(shù)量，葉片數(shù)量多可以降低葉片區(qū)域正負(fù)壓差，最終減小背面負(fù)壓。第二，加強(qiáng)制造。對(duì)于轉(zhuǎn)輪斷面，需要控制圓滑性;需要優(yōu)化改進(jìn)葉片加工工藝，采用現(xiàn)代化的鏟、磨數(shù)控加工工藝制造葉片;保證流通面材料，一般質(zhì)地堅(jiān)硬的材料，抗空蝕性越強(qiáng)，必要時(shí)可以財(cái)務(wù)熱噴耐腐蝕的金屬材料;拋光處理，通過拋光處理提高葉片表層的光滑度，降低粗糙度，以此降低空蝕程度。

（二）如何處理轉(zhuǎn)輪磨蝕破壞的方法

第一，加強(qiáng)磨時(shí)破壞程度測(cè)量。在對(duì)混流式水輪機(jī)進(jìn)行檢修之前，需要對(duì)空蝕破壞情況和泥沙磨損情況進(jìn)行檢查，測(cè)量金屬破壞程度、失重量、破損面積。對(duì)于金屬破壞程度一般采用探針和鋼板對(duì)磨蝕深度進(jìn)行測(cè)量;對(duì)于金屬失重量一般將粘泥根據(jù)葉片形狀涂抹在金屬磨蝕區(qū)域，進(jìn)行計(jì)量稱重，以上測(cè)量的結(jié)構(gòu)可以作為后期檢修資料數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。第二，磨蝕區(qū)域處理。對(duì)磨蝕區(qū)域進(jìn)行焊補(bǔ)前，需要對(duì)磨蝕區(qū)域進(jìn)行處理，以此縮減磨蝕面積，提高精度。一般在確定磨蝕區(qū)域后需要對(duì)其破損面進(jìn)行鏟削，為了避免此工序影響到后期的打磨和焊補(bǔ)，需要控制鏟削深度，以此降低打磨工作量，最終提高焊補(bǔ)質(zhì)量，降低鏟削難度。第三，嚴(yán)格遵守打磨要求。在采用軟質(zhì)砂輪進(jìn)行打磨焊補(bǔ)時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將金屬構(gòu)件表面的粗糙程度降到最低，保證打磨后的轉(zhuǎn)輪葉片形狀符合原線要求。打磨深度和長(zhǎng)度都需要遵循標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)輪葉片和樣板間的間隙需要控制最小。第四，葉片開口度修整和測(cè)量。葉片在進(jìn)行補(bǔ)焊時(shí)，其線型容易受到破壞，導(dǎo)致葉片轉(zhuǎn)經(jīng)受力不均勻，在運(yùn)行中會(huì)發(fā)生振動(dòng)，影響工作效率，因此需要對(duì)葉片開口度進(jìn)行修整。葉片開口度測(cè)量需要根據(jù)生產(chǎn)制造時(shí)設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行，技術(shù)人員在此過程中需要做好記錄，測(cè)量一般需要進(jìn)行兩次，便于后期校驗(yàn)。當(dāng)實(shí)際測(cè)量數(shù)值和允許數(shù)值不符時(shí)，需要進(jìn)行處理，一般葉片流面線型出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)，可以通過氣焊對(duì)葉片背面進(jìn)行烘烤，后使用樣板進(jìn)行壓實(shí)，確保最終合格[3]。

（三）如何處理尾水管氣蝕破壞的方法

第一，尾水管里襯處理。在尾水管里襯氣蝕破壞處進(jìn)行補(bǔ)焊前，需要采用砂輪機(jī)將內(nèi)部的水、油漬和鐵銹進(jìn)行清潔，并采用規(guī)格焊條進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊完成后采用砂輪機(jī)將其表面進(jìn)行打磨，并涂刷防銹漆。第二，補(bǔ)氣管處理。對(duì)于里襯連接處已經(jīng)斷裂的補(bǔ)氣管無法進(jìn)行補(bǔ)焊，因此需要采取以下方法進(jìn)行處理：去除斷裂的補(bǔ)氣管，采用鋼板制作補(bǔ)氣管，進(jìn)行替換;將氣蝕破壞輕微的補(bǔ)氣管采用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨、補(bǔ)焊，保證其表面光滑;修補(bǔ)補(bǔ)氣管進(jìn)氣出的真空破壞閥，并將彈簧力度不高的真空破壞閥及時(shí)割除，保證足夠的進(jìn)氣量。

三、結(jié)束語

綜上所述，混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕和破壞問題的解決是一項(xiàng)復(fù)雜、長(zhǎng)期、技術(shù)要求高的工作，其需要從設(shè)計(jì)方面對(duì)其運(yùn)行、材質(zhì)、機(jī)組、檢查處理、處理工藝上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將其作為一項(xiàng)系統(tǒng)性工程進(jìn)行，確保其中每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要符合標(biāo)準(zhǔn)，最終有效解決磨蝕問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉建彬. 混流式水輪機(jī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生原因及修復(fù)[J]. 商品與質(zhì)量，2019，000（002）：111.

[2]王大朋. 混流式混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施[J]. 裝備維修技術(shù)，2019（3）.

[3]王正偉，楊靜，羅永要，等. 一種適應(yīng)高水頭，高轉(zhuǎn)速和高含沙量的抗磨損混流式水輪機(jī)：，CN110439722A[P]. 2019.