水輪機過流部件空蝕分析及預防

龔在禮，熊 宇

（1.四川電力職業技術學院，四川 成都 610071；

2.四川川投田灣河開發有限責任公司，四川 成都 610015）

寶珠寺水電站位于四川省廣元市三堆鎮——白龍江下游，電站最大庫容25.5億m3，調節庫容13.4億m3，為不完全年調節水庫。電站承擔著四川電網調峰、調頻和事故備用的任務，裝機容量700 MW，單機容量175 MW。水輪機型號HLD89-LJ-500，額定出力178.6 MW，轉速136.4 r/min，吸出高度-3 m，最大水頭103 m，最小水頭68.5 m，設計水頭84.4 m，單機設計流量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，庫區段來沙量很少，水質較好。電站于1996年12月首臺11號機投產發電，12、13、14號機相繼于1997年6月、12月和1998年6月投產發電，電站樞紐工程于2000年11月移交電廠。

1 水輪機過流部件空蝕現象

1999年11月至2000年12月間，電站利用機組大、小修機會，分別對4臺機組的過流部件空蝕情況進行了首次詳細檢查，發現4臺機組空蝕情況十分相似：轉輪葉片完整，無明顯的空蝕跡象；轉輪下環和泄水錐有輕微空蝕針點；轉輪上冠靠葉片背面根部空蝕較嚴重 （見表1）。

尾水管錐管里襯上在4個補氣管根部 （順水流旋轉方向斜向下約45°處）空蝕嚴重，面積達600 mm×700 mm，最嚴重處已穿孔，面積達300 mm×400 mm。尾水補氣管有1根從根部斷裂，另1根斷掉約200 mm。

11號機于2000年3月 （運行39個月）對其轉輪第一次檢修后，2004年3月第二次檢查發現，空蝕仍發生在轉輪上冠兩葉片間結合處，但2000年3月采用CHS237不銹鋼焊條補焊的部分未發生空蝕，說明該不銹鋼材料抗空蝕性能良好，補焊工藝良好。2008年4月進行第三次檢查發現，轉輪補焊處無外觀缺陷，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，不銹鋼葉片和下環無裂紋、無氣孔，外觀檢查合格，整體表現出翼型空蝕很輕微，且幾乎沒有泥沙磨損；尾水補氣短管靠-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象，空腔空化引起的空蝕和振動依然存在。

12號機于1999年11月 （運行29個月）對其轉輪第一次檢修后，2003年2月第二次檢查未發現葉片、上冠等部位空蝕。2005年12月停機進行第三次檢查 （中修）發現，轉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；尾水管內一些部件空蝕較嚴重，有1根補氣短管脫落，補氣管安裝處周圍補氣腔鋼板兩處脫落，面積大約1.5 m2。湊合節 （座環與尾水錐管之間）有裂紋。2007年5月停機進行第四次檢查 （A修）發現，轉輪進水側葉片與上冠結合處有輕微的空蝕帶，個別葉片進水邊上部有小型空蝕針孔；尾水管湊合節焊接鋼板有約2 m2的脫落；靠-X、+Y方向尾水補氣腔鋼板約1.44 m2已脫落，靠+X、+Y方向尾水補氣腔鋼板約0.64 m2已脫落。

在對13、14號機的檢查發現，其空蝕、斷裂與脫落情況與11、12號機十分相似。

表1 轉輪上冠空蝕量數據 mm

2 水輪機過流部件空蝕原因分析

寶珠寺水電站水輪機過流部件破壞主要發生在轉輪上冠靠葉片背面根部，破壞區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。這是因為寶珠寺電站庫容大、泥沙含量少，庫區回水長（67 km），大部分泥沙在庫區已沉積，壩前和進入水輪機過流部件的水質較好，因而過流部件磨損很小。盡管4臺機組從投產到第一次檢查，除11號機運行3年多時間 （運行小時數達14 533 h）外，其他3臺機組都只運行2年多時間 （運行小時數只有10 000 h多一點）（見表2）；但水輪機上冠部位空蝕卻很嚴重，4臺機組空蝕部位和破壞特征類似，空蝕區最長950 mm，最寬140 mm，最深20 mm。近9年來對機組運行情況的觀察和分析認為，造成嚴重空蝕的主要原因有兩個：一是過流部件材質不好。轉輪上冠選用優質碳鋼制造，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；而轉輪葉片和下環采用不銹鋼制造，其抗空蝕性能較好，空蝕破壞輕微。在第一次檢修時采用抗空蝕性能良好的CHS237不銹鋼焊條對轉輪上冠空蝕區補焊后，轉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。二是機組運行工況較差。電站在系統中主要擔負調峰、調頻和事故備用任務，機組有較長時間處于空載旋轉備用，小流量使進入水輪機轉輪的水流流態變差，從而產生空化和空蝕；同時，11號機投入運行初期的水庫水位較低，水輪機處于低水頭下運行，也是空蝕嚴重的原因之一。

表2 第一次檢修前機組運行情況統計 h

在2000年、2004年、2008年對11號機以及1999年、2003年、2007年對12號機的檢查過程中多次出現的尾水管大面積空蝕、尾水補氣管斷裂和脫落、焊接的喇叭口支持座周圍腔體鋼板開裂等現象，可判斷為水輪機空腔空化所致。其原因有三：①該電站機組長期在低負荷下空載旋轉備用，使轉輪出口水流存在一定的圓周速度分量，使轉輪后產生渦帶，渦帶中心壓力低于汽化壓力。這種渦帶在尾水管中旋轉并周期性地碰擊尾水管的邊壁造成強烈振動，同時在尾水管進口段邊壁形成空腔空蝕。②機組開停機頻繁 （見表3）。由于機組每次啟停都要經歷空載、并網、低負荷和振動區，圖1某水頭下機組負荷、振動、擺度曲線可顯示：這個階段的振動強度高出額定負荷時的35.9%～47.6%；并且每次開停機都要兩次越過振動區，機組承受較大幅度的振動。③寶珠寺電站吸出高度負值偏小。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 開停機與振動區運行情況統計

圖1 某水頭下機組負荷與振動、擺度值曲線

3 水輪機過流部件空蝕處理和預防

（1）轉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 （空蝕區邊沿延伸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—乙炔焰對補焊表面局部預熱80℃以上；再采用手工電弧焊，用CHS237不銹鋼焊條進行補焊，需防止產生熱變形和應力集中，采用在上冠周圍對稱施焊的方法，對焊量較大的補焊縫輔以錘擊釋放應力，每次堆焊量不宜過厚。每焊一遍均進行打磨，再補焊、再打磨，直到打磨后表面與原表面平齊，過度平滑，粗糙度、波浪度應符合圖紙要求；同時用樣板檢查葉片根部過渡圓角應符合要求。

（2）尾水錐管上補氣管根部空蝕區的處理。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，鑲焊部位在補氣腔處， 4個50 mm×100 mm方孔采用16 mm厚度碳鋼板鑲焊，表面堆焊不銹鋼，補氣腔下部嚴重空蝕處亦用不銹鋼板鑲焊。錐管空蝕部位的補焊方法、材料及鏟磨方法和要求與轉輪上冠相同。

在近幾年的多次檢修中，均采用上述材料和方法對轉輪葉片、上冠及尾水管的空蝕部分進行補焊，轉輪葉片、上冠補焊效果良好；但尾水管部分空蝕程度依然嚴重。針對尾水管空蝕，補氣管斷裂、脫落，焊接的喇叭口支持座周圍腔體鋼板開裂，尾水管湊合節出現裂紋等問題，還采取了改善機組運行條件的措施：一是，減緩空腔空化和空蝕。合理安排發電量和水位消落時間，在保證電站有好的經濟效益又保證電網安全的前提下，使機組盡量處于較高水位和良好的工況下運行，減輕了空蝕和振動。二是，從主軸和尾水管給轉輪下部壓力脈動區補氣。進一步改善補氣裝置，使補入的空氣進入空穴區域。三是，盡量避開振動區運行，減少開停機次數。四是，在易空蝕破壞區鋪焊1層或多層抗空蝕性能穩定的不銹鋼防護層 （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號機擴大性小修期間，用英國進口的貝爾佐納 （一種復合材料，包括：陶瓷、金屬 BELZONA1311和超光滑金屬 BELZNA1314）對轉輪上冠空蝕部分進行了試驗性處理，其核心是涂以抗空蝕性好的韌性材料，吸收微泡破裂時的能量，以柔韌性來抵抗空蝕。2002年春季14號機運行14個月后，發現用貝爾佐納噴涂技術處理的空蝕區涂層絕大部分已經脫落，空蝕程度加劇。因此，從實際使用結果看，貝爾佐納噴涂技術處理對防止空蝕效果不佳，用不銹鋼補焊技術處理水輪機的空蝕破壞效果良好。

4 結語

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

［1］ 于波.水輪機原理與運行［M］.北京：中國電力出版社，2007.

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