二灘水電站水輪機空蝕情況與修復

史 寶 平， 程 文， 檀 曉 龍

(二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000)

二灘電站坐落于四川省攀枝花市境內的雅礱江上，距攀枝花市區約46 km，是雅礱江流域的梯級電站之一。二灘電站安裝6臺550 MW發電機組，水庫庫容57.9億m3，屬季調節水庫，設計多年平均發電量170億kWh，保證出力1 000 MW，年利用小時5162h。二灘電站單機容量大，調節性能好，是川渝電網的主力電站，承擔系統調頻、調壓、調峰、斷面潮流及事故備用任務。

1 空蝕的產生[1]

我們通常講的氣蝕現象，實際上包括了空化和空蝕兩個過程。空化乃是在液體中形成空穴使液相流體的連續性遭到破壞，它發生在壓力降低到某一臨界值的流動區域中，在空穴中主要充滿著液體的蒸汽和從溶液中析出的氣體，當這些空穴進入壓力較低的區域時，就開始發育長成為較大的氣泡，然后氣泡被流體帶到壓力高于臨界值的區域，氣泡就將潰滅，這個過程稱為空化，它包括空穴的初生、發育、成長到潰滅的整個過程。空蝕是指由于空泡的潰滅，引起過流表面的材料損壞，在空泡潰滅的過程中伴隨著機械、電化、熱力、化學等過程的作用，是一個綜合作用的結果。空蝕是空化的直接后果，空蝕只是發生在固體邊界上。

按空化和空蝕發生的部位通常可分為翼型空化和空蝕、間隙空化和空蝕、局部空化和空蝕和空腔空化這四種基本類型。

2 二灘水電站空蝕情況

二灘水電站在1998年投產運行后，頂蓋下環板及頂蓋減壓板逐漸出現空蝕，并逐年加重。其中#6機組于1998年8月投產發電，自2000年9月至12月擴大性大修后，每年進行一次“以故障診斷和設備體檢為主”的C修，機組整體運行良好，但近幾年6號機組C修檢查發現水輪機頂蓋空蝕情況逐年加劇。2012年3月6號機組C修，檢查發現空蝕部位主要有：頂蓋下環板(下平面)、頂蓋減壓板(上表面及內外側面)、頂蓋減壓板立筋。其中頂蓋下環板的空蝕最為嚴重，空蝕區域類似橢圓形狀，用自制工具測量最深達43 mm(頂蓋下環板厚度75 mm)。

在2013年機組A修中對水輪機作全面檢查，具體空蝕情況如下。

2.1 轉輪

13 個葉片進水邊背水面靠近下環的位置、葉片之間上冠過流面靠近出口邊的位置均發現有不同程度空蝕，部分葉片出水邊與下環R 角位置亦有面積較小的空蝕。轉輪葉片空蝕見圖1所示

2.2 頂 蓋

從泄水錐內檢查發現頂蓋底板均存在不同程度的空蝕，11號～12號導葉對應頂蓋底板空蝕最深達46 mm，頂蓋吊出機坑放置于安裝間翻身后，對底板空蝕進行了全面的測量，17號～18號導葉對應頂蓋底板汽蝕最為嚴重，深度達到54 mm。而3號～4號與13號～14號導葉對應頂蓋底板空蝕最為輕微，最深分別為9 mm與11 mm，且這兩個位置均在頂蓋組合縫(頂蓋組合縫處減壓板筋板較近的兩塊，其余位置均為一塊)沿水流方向的下游側。減壓板與頂蓋底板對應的位置亦存在不同程度的空蝕，最深21 mm。全部12塊減壓板筋板垂直端面內外側亦存在不同程度空蝕。頂蓋底板空蝕見圖2所示。

圖1 轉輪葉片空蝕

圖2 頂蓋底板空蝕

2.3 底環

底環抗磨板內環由于導葉金屬密封塊與之高程差的影響，均存在輕微空蝕。底環抗磨板見圖3所示。

3 二灘水電站空蝕原因分析[2-3]

轉輪葉片的空蝕屬于翼型空蝕。液體繞流翼型時，翼型背面的壓力往往為負壓，當背面低壓區的壓力降低到環境氣化壓力以下時，將會導致空化區的出現，在空化區的末端將出現最嚴重的空蝕區并向上下游擴展。

3.1 頂蓋和底環部位的空蝕屬于間隙空蝕

當水流通過狹小通道或間隙是引起局部流速升高，壓力下降到一定程度時便會出現空化和空蝕現象。機組在振區運行時尾水管中產生真空蝸帶，該真空蝸帶有時會延伸到水輪機轉輪出口處，通過轉輪上冠處的八個均布的減壓孔進入頂蓋內減壓板上部被筋板隔離出來的一個個狹小空間，繼而導致從上止漏環間隙的漏水進入該區域后，在此真空蝸帶的影響下高速流經頂蓋表面，壓力下降，因而在此區域便會產生空蝕。

圖3 底環抗磨板空蝕

3.2 尾水錐管部位的空蝕屬于空腔空蝕

空腔空蝕是由于反擊式水輪機在非設計工況運行時轉輪出口水流存在一定的圓周速度分量，在該圓周速度分量的作用下，在轉輪后產生渦帶，渦帶中心形成很大的負壓，這種渦帶一般低于水輪機轉速頻率在尾水管中旋轉，造成尾水管種的流速場和壓力場也發生周期性變化，并將引起機組的振動和噪音，嚴重時將引起硬性不穩定及在尾水管進口段邊壁處引起空蝕。

4 二灘水電站空蝕處理措施

空蝕處理主體工作分為空蝕測量、打磨清根、補焊、打磨修型、探傷檢查五個部分，以頂蓋的空蝕處理為例，具體過程如下：

4.1 空蝕深度及面積測量

將頂蓋底板空蝕區域按照導葉對應位置進行分區標記，測量頂蓋底板空蝕區域左邊界離左筋板距離、空蝕區域外邊界離頂蓋止漏環距離、空蝕區域長度與寬度，將測量結果列表記錄，并繪制空蝕區域在頂蓋本體上的分布圖。利用自制工具對頂蓋底板下平面空蝕深度進行測量，根據測量結果繪制頂蓋底板空蝕徑向及周向剖面圖。6號機頂蓋汽蝕測量繪圖見圖5所示，頂蓋底板空蝕徑向及周向剖面圖。

圖4 6號機頂蓋汽蝕測量繪圖

圖5 頂蓋底板空蝕徑向及周向剖面圖

4.2 空蝕區域打磨清根

用風動砂輪機對頂蓋空蝕區域進行主體打磨，主體露出頂蓋本體金屬光澤，用風動直磨機對主體打磨之外的細小空蝕進行徹底清根，并露出頂蓋本體金屬光澤，測量最大深度。空蝕區域打磨清根后見圖7所示。

4.3 空蝕部位補焊

在對稱的四個頂蓋導葉中軸孔內及頂蓋抗磨板表面架設百分表，在焊接過程中全程監視焊接變形。在施焊空蝕區域對應位置導葉中軸孔架設自制工裝，將鋼琴線布置可靠，在焊接前后測量導葉上軸套相對于導葉中軸套的偏移。焊接前對焊接區域加熱至70℃，按照之前標記的區域，由最深的對稱兩個區域開始焊接，過程中注意焊接變形。依次將頂蓋底板所有區域焊接完畢。空蝕區域補焊后見圖8所示。

圖6 空蝕區域打磨清根后

圖7 空蝕區域補焊后

4.4 空蝕補焊后打磨

用風動砂輪機將頂蓋空蝕補焊后高出本體的部分進行打磨，打磨過程先粗磨找平，再精磨修型。對打磨過程中出現低點的位置進行補焊后重新打磨。空蝕區域補焊打磨后見圖9所示。

4.5 探傷檢查

對精磨后的頂蓋底板進行表面滲透探傷，探測補焊部分內部有無裂紋或缺陷。

5 水輪機抗空化的措施[1， 4，5]

空蝕不僅會使水力機械的金屬材料被大量剝蝕，出現穿孔或掉邊的現象，還會伴隨著產生噪音和壓力脈動，尤其是尾水管中的脈動渦帶，當其頻率一旦與相關部件的自振頻率相吻合，則必然引起共振，造成機組的振動、出力的擺動等，嚴重威脅著機組的安全運行。同時，當水輪機中的空化發展到一定階段時，葉片的擾流情況將會變壞，從而減少了水力距，促使水輪機功率下降，效率降低。因此，改善水輪機的空蝕性能有著極其重要的意義。

圖8 空蝕區域補焊打磨后

目前，我國在水輪機防蝕方面的經驗主要有以下幾個方面：

5.1 改善水輪機的水力設計

翼型空蝕：空化系數明顯地受翼型厚度和最大厚度位置的影響，翼型越厚，空化系數越大，所以在滿足強度和剛度的條件下，葉片要盡量薄。另外，翼型擾度的增大在其他條件相同的情況下會引起翼型上速度的上升，所以翼型最大擾度點移向進口邊并減小出口邊附近的擾度，可降低空化系數。其次，葉片進水變的繞流條件對翼型的空化性能也有很大影響，進水變修圓，與葉片正背面型線的連接要光滑，以獲得良好的繞流條件，使得在寬闊的工作范圍內負壓尖峰的數值和變化幅度減小，能延遲空化的發生。

間隙空化：盡可能采用小而均勻的間隙來減小間隙空化。

空腔空化：改進尾水管及轉輪上冠的設計能有效減輕空腔空化，加長尾水管的直錐管部分和加大擴散角，有利于提高轉輪下部錐管上方的壓力，以削減渦帶的形成。此外，加長轉輪的泄水錐，控制尾水管進口的流速，影響渦帶的形成和壓力脈動。

5.2 提高加工工藝水平，采用抗蝕材料

葉片表面的粗糙度、波浪度不夠標準，葉片出水邊厚薄不均、相鄰葉片開口不等，材料夾砂、氣孔、裂縫等這都將導致葉片空化和空蝕的加劇。需要注意的是安裝后的安裝孔和螺釘頭很容易造成局部空蝕。

抗蝕材料應具有：韌性強、硬度高、抗拉力強、疲勞極限高、應變硬化好、晶格細、好的可焊性等綜合性能，以鎳鎘為基礎的各類高強度合金不銹鋼。

5.3 改善運行條件并采用適當的運行措施

5.3.1 規定合理的運行范圍

運行水頭高的水輪機受到的空蝕強度較大，同一水輪機，偏離額定水頭越遠，空蝕強度越大。

5.3.2 確定合理的檢修時間

在空蝕加劇期，空蝕量隨著發電時間急劇增加，因此，一般應在空蝕加劇期來臨之前進行大修。

5.3.3 合理選擇安裝高度

實際的吸出高度越小，其空化和空蝕的程度越輕。

5.3.4 補氣法

在運行過程中采用補氣的辦法減小或消除水輪機尾水管中產生的空腔空蝕。這種方法對破壞空腔空蝕、吸收空蝕所產生的振動有一定的作用。

6 結 語

水輪機的空蝕是始終存在的，盡管我們不能消除它，但要減輕水輪機的空蝕破壞, 就必須從設計、制造、運行等多個方面采取積極措施, 如設計合理的型線, 采用抗空蝕材料，提高冶煉鑄造和加工工藝水平, 提高檢修質量和安裝工藝, 改善水輪機運行條使機組在合理的工況下運行。只有這樣, 才能減少水輪機的空蝕, 延長檢修周期, 更好地發揮機組的經濟效益。二灘水電站檢修人員通過對二灘水電站水輪機實際運行中空蝕情況的分析以及空蝕處理技術的探討和研究，有效解決了二灘水電站水輪機的嚴重空蝕問題，發揮了水輪機的出力和效率，延長了二灘水電站機組的使用壽命，提高了機組安全可靠與經濟運行水平，爭取了二灘水電站最大的經濟效益。

參考文獻：

[1] 劉大愷主編．水輪機-3版．北京：中國水利水電出版社，2000

[2] 張可危．流體機械原理．北京：機械工業出版社，2000．

[3] 方超群．三峽700MW水輪機葉片空蝕現象及修復．湖北：水電與新能源，2010.06

[4] 段生孝.我國水輪機空蝕磨損破壞狀況與對策，北京：中國學術期刊電子出版社，2001

[5] 韋強.淺談龍羊峽電廠水輪機的空蝕問題，陜西：陜西水力發電，1993

作者簡介:史寶平(1985-)，男，陜西楊凌人，重慶大學電氣工程及其自動化畢業，工程師，現于雅礱江流域水電開發有限公司從事電站運行管理工作；

程 文(1987-)，男，陜西咸陽人，西安理工大學 水電站動力設備與管理畢業，助理工程師，現于雅礱江流域水電開發有限公司從事電站運行管理工作；

檀曉龍(1989-)，男，湖北棗陽人，武漢電力職業技術學院 機電設備運行與維護 畢業，助理工程師，現于雅礱江流域水電開發有限公司從事電站運行管理工作.