采用快速成型方法修復轉輪空蝕破壞

［加拿大］ D.劉易斯

為了攻克修復水輪機轉輪葉片空蝕破壞方面的相關技術限制，筆者開發了一種基于快速成型方法的修復新技術。該技術是使用一臺便攜式掃描儀，產生轉輪葉片表面的三維(3D)圖像，并將其下載至計算機。對下載的數據進行分析，并建造一個替換件，然后，將其焊接到現有的水輪機轉輪上。

安大略發電(OPG)公司已兩次應用該技術，且效果良好。第1次應用結果表明，該技術是可行的，提供的替換件與受損轉輪葉片的相關性良好。第2次是應用于正在運行的水電站，OPG公司在制造替換件的同時，機組在繼續運行。該公司計劃將該新技術用于其水電站的空蝕修復工作。

1 標準空蝕維修技術

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

OPG公司運營65座水電站，總裝機容量6963 MW，最小裝機容量為 1 MW，最大的則超過1400 MW。修復空蝕是OPG公司員工必須完成的水輪機最常見的轉輪維護任務。歷史上，平均維修間隔時間約為12 a。但是，機組之間狀況千差萬別，因為新的轉輪設計已經得到大大改進，減少甚至消除了空蝕。

在實施修復前，應對轉輪的空蝕損傷進行檢查，以確定損壞的部位。然后，對受損部位進行打磨，消除麻面。通常，受損面積可遠大于首次檢查出的面積。表面處理完成后，即用堆焊填充轉輪缺失部位。最后打磨表面，使其盡可能回復到轉輪表面的原狀。

由于許多因素，使該方法的運用面臨許多問題。

(1)空蝕通常發生在轉輪葉片的下游側，對于立式水輪機需要仰焊，維修難度大。

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

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

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

(5)技術上，消除應力相當困難，不可能糾正焊接引起的變形。

(6)堆焊會在有限的空間產生大量焊接煙霧。

(7)轉輪葉片變形與轉輪上堆積的焊接量成正比。大量焊接修復可能會導致較大的轉輪葉片變形。

2 開發新技術

根據制造業和其他工業行業使用的新的快速成型和三維造型方法，OPG公司決定對利用其中某些方法的可能性展開研究，以用于對水輪機轉輪和其他構件，例如泄流環和導葉，復雜表面的修復。

OPG公司要求對方法改進之后實施就地修復，并實現:

(1)延長因修復空蝕而停電的間隔時間;

(2)減少維修期間機組的停電時間;

(3)最大限度減少轉輪葉片維修產生的變形;

(4)保持原有轉輪表面輪廓;

(5)取消焊接修復期間對笨重定位板的依賴。

OPG公司開發的這項技術，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，并產生表示被掃描的三維表面的幾何形狀或“點云”。對數據點的位置，則是參考內部坐標系確定，該坐標系是在轉輪表面隨機增設一個位置目標建立的。

完成的掃描分辨率為±0.004 n.。合成的數據文件取決于覆蓋面積和數據捕獲率。

由于收集的原始數據量大，因此需將其轉換為更易使用的較小多邊形網格立體測量(STL)文件。用多邊形網格表示建模表面的一系列三角形的面和邊，網格尺寸越小，分辨率越高，所建模型的外形也就越光滑。通常，一臺具有增強內存和某些計算機輔助繪圖(CAD)能力的筆記本計算機，足以勝任這項工作。

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

通過分析周邊非空蝕轉輪的表面，來確定轉輪嵌襯的外表面。根據這種表面信息，可以設計一個新嵌襯的平滑輪廓線，使其與原先的轉輪斷面達到最佳匹配。此外，也可以設計邊緣斜面及其他一些特性，以方便最終的安裝。

關于轉輪嵌襯的IGES文件是完整的，可以直接發送給制造商，由他們據此選用合適的材料，采用鑄造或數控加工技術制造成實際的部件。

3 應用新技術

OPG公司在卡里波(Caribou)發電站廢棄的螺旋槳轉輪上對新技術進行了首次試驗。首先是拆除部分轉輪葉片，運往壩址處的維修車間，任選轉輪葉片上的一個部位進行修復。然后，對該部位實施打磨，以重復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，對轉輪區域和現有受損區域周邊的表面進行掃描。根據這些掃描數據，創建一個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情況，用這些數據來顯示“丟失”的受侵蝕轉輪的表面。OPG公司利用各種計算機軟件程序，例如Solidworks和Rhino3D，便可產生一個適合轉輪空洞和與現有轉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始掃描，根據近似的和外圍掃描數據，可以近似地得出嵌襯的外表面輪廓。

現在已完成了表示該嵌襯的文件，OPG公司使用計算機模型來模擬測試擬合;利用已完成的文件，來產生一個計算機數控加工文件;為五軸銑床編寫一個計算機程序，編寫完立即將新創建的加工文件上傳。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輪段。結果配合尺寸正確，與轉輪表面吻合良好。

基于該實驗的成功，OPG公司決定利用這項技術來修復運行中的水輪機，并選擇了裝機容量18.5 MW的Ear瀑布發電站直徑為107 n.的莫里斯水輪機轉輪作為修復對象。

2008年秋，水輪機停機進行定期維護。檢查發現，轉輪葉片和節流環已空蝕。

OPG公司選擇了兩個轉輪葉片和大約1/3的節流環進行修復。經檢查，發現有8個部位出現了嚴重的空蝕坑。首先打磨受損區域，除去蝕坑的表面，然后Agile制造公司對該部位進行掃描。大約4 h后，掃描完成，機組返回運行。

一旦開發完成8個轉輪嵌襯的IGES模型文件，即將其用電子郵件發到艾伯塔省卡爾加里(Calgary)的MA鑄鋼廠。然后，開始建造鑄模和生產砂型鑄件，鑄件必須與計算機模型完全匹配。MA鑄鋼廠采用一個稱為Magmasoft的軟件程序，模擬和優化鑄造澆鑄，以消除任何可能的空隙和缺陷。為了此次測試，使用了316 L不銹鋼鑄造轉輪部件。

2009年春，機組停機，安裝新轉輪嵌襯。機組運行6個月后，修復區域又新增了輕微的空蝕。鑄造的嵌襯吻合良好，只需進行輕微打磨，以適應所有部件;嵌襯的邊緣仍做成斜面，然后再焊接到位。在較大的嵌襯上，隨機鉆幾個直徑為1 n.的孔，以方便對嵌襯焊接。

在停機期間，OPG公司還決定實時測試新的修復方法，并選擇了3個空蝕的轉輪葉片。2009年5月21日，打磨和掃描了空蝕的表面，設計了新的嵌襯，并通過電子郵件發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貨。從開始掃描至部件完工，總共只用了7 d時間。第2 d，就已將新嵌襯焊接到位，機組返回運行。

運行1 a后，OPC公司關閉該機組以便檢查修復后的轉輪狀態，并配備攝象機進行檢查。結果表明，沒有發現可見的損傷，該機組恢復運行。

基于這些測試結果，OPG公司得出如下結論:

(1)使用該技術修復轉輪，所需維修時間比以前的方法縮短約30%，該數字會根據損傷程度和需要維修的量發生變化。

(2)機加工嵌襯適合于一次性部件，而鑄造適合于批量生產零部件。

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

(4)比較容易維持原來的轉輪表面。通過開發三維模型和掃描數據，OPG公司能夠創建準確表述原始轉輪斷面。采用以前的技術，焊工必須超焊，然后再打磨回到創建轉輪輪廓，而且該程序只能基于經驗判斷，沒有可靠的方法來確定成品的形狀是否成功。

(5)工作條件較好，因為需要焊接的量少，也不需要額外的轉輪葉片支撐。

(6)最小嵌襯厚度應為0.25 n.，這使得通過鑄造或加工生產零件更容易，薄片也更難以牢固地焊接到轉輪表面。因此，在準備掃描時，將受損區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用在礦井設計方案中，初步嘗試決策方法，應用的結果證明，層次分析的方法非常簡單實用，具有系統性、邏輯性和靈活性，在采礦領域里，除了選擇礦井設計方案之外，還可以進行系統優化、采礦方案優化等，各類資源的設計、分配都可以實用層次分析法進行判斷和處理。

(7)略微受損區域可用堆焊修復。

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

為使該技術得到進一步開發，OPG提出了以下建議。

(1)如果冶金性能兼容和焊接技術適當，有可能會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的不銹鋼)。

(2)空蝕往往發生在相同位置，因此，OPG公司可能會利用以前收集的歷史數據，而無需額外掃描和進行模型開發就能替換嵌襯。

(4)可以使兩次停機維護之間的運行時間更長。遭受空蝕的轉輪需要經常檢查，最好在空蝕還未滲透太深之前修復。如果維修間隔延長，焊接修復量大，轉輪葉片扭曲的可能性與熔池體積的增加成正比。只要保持結構完整，使用嵌襯技術，可使轉輪的維護間隔延長1倍。

(5)可將掃描的數據精確拷貝，用于其他工作。例如，重復的轉輪部分可以用任何材料制作，這種復制可在維修車間進行;可設計、預制和測試新的部件(如轉輪端部的抗空化唇，防止產生不必要的渦流)，適配轉輪復制件，以在將來停機時安裝。

(6)修復前掃描轉輪，建立基準參考，用于完工后進行比較。

4 結語

OPG公司兩項試驗經驗表明，新技術達到了公司原先制定的標準，而且用途相當廣泛，可以大大減少轉輪修復的時間，因為大部分工作只需用一臺計算機完成。現在，該公司與提供服務的供應商建立了合作關系，以快速有效地實施該項技術。

對于OPG公司來說，掃描受損轉輪表面的準備工作相當簡單。只是將受損轉輪表面清理好以備掃描，一個技術人員可在約4 h內完成掃描;然后，外部供應商完成建模和生產新部件。一旦新轉輪嵌襯到達現場(約10 d)，OPG公司能在約2 d時間內安裝好。

在將來的水利設施中，可能會使用三維掃描。該技術可以應用于受侵蝕影響的區域(如進水閘門、壓力鋼管和導葉)，通過掃描評估出現問題區域的一般狀況。其主要優點是能迅速捕捉其他設備難以到達區域的準確的三維圖象，然后，機組可恢復運行，收集的數據則輸入到計算機。當計算機完成分析后，即可開發修理程序，并在車間制造組件，從而大大減少電站的停機時間。