混流式水輪機不銹鋼轉輪氣蝕產生原因及修復

宋 巖，宋喜杰，韓慶東

（云峰發電廠，吉林 集安 134200）

0 引言

被譽為共和國水電長子的云峰水利樞紐工程，1955年由中方勘探設計，1958年中朝鴨綠江水利發電廠建設籌委會決議，由中朝雙方人員組成云峰聯合設計委員會，確定廠房及引水系統工程由中方設計、施工，大壩工程由朝方設計、施工。1959年4月完成了工程的初步設計，同年9月通過了初步設計審查并破土動工。1965年9月9日第一臺機組發電（4號機），1967年4月18日4臺水輪發電機組全部投產發電，同年大壩竣工，并于1971年由朝方移交中方負責運行、管理。電站為引水混合式電站，位于鴨綠江中上游，集安市青石鎮境內，電站共安裝4臺混流式水輪發電機組，裝機容量為4臺×100 MW＝400 MW。1號、3號機組為中方50 Hz系統，向國家電網送電。2號、4號機組為朝方60 Hz系統，向朝鮮國家電網送電。

云峰電站是中華人民共和國首座單機容量100 MW的水電站，現已安全運行50多年，為國家創造了巨大的經濟效益的同時,由于設計經驗的缺乏，加工能力的限制，以及電站運行工況等多種因素的影響，也暴露出許多問題，存在問題最多的是水輪機部分，而破壞最嚴重的部分為轉輪，由于轉輪氣蝕破壞的面積越來越大，裂紋發生的頻次越來越高，導水機構銹蝕等許多問題日益突出，已經危及機組的安全運行。因此自2005年開始著手進行老舊機組的改造工作。為慎重起見，首先從最先投產發電，存在缺陷最多的4號機組開始，方案經多次修改，2011年正式開始了云峰4號機組的改造工作，改造范圍重點為水輪機部分。機組改造2012年10月17日開始至2013年5月25日結束，歷時221 d完成。轉輪、導葉及部分導水機構零部件采用不銹鋼加工而成。通過近4年的運行，更換的水輪機各部件與原機組部件配合良好，振動減小，運行工況穩定，導水機構抗腐蝕性能良好，4號機組改造取得了成功。但水輪機轉輪上冠、葉片正、背根間的氣蝕依然發生、發展著。2017年4月我們對4號機組進行改造后的首次A級檢修，檢修中對轉輪氣蝕部位進行了修復。下面針對不銹鋼轉輪氣蝕的發生、發展原因進行分析，對轉輪氣蝕部位的修復進行闡述。僅供探討、參考和借鑒。

4號機組是20世紀60年代由前蘇聯列寧格勒金屬工廠設計制造，至2012年10月，已安全運行48年。受當時設計、制造技術條件的限制，以及多年運行，機組存在的安全隱患有：轉輪葉片出口邊開口不均，導致運行時各個葉片壓力分布不平衡；機組多年運行轉輪金屬疲勞已達極限；轉輪氣蝕、裂紋修復補焊重復進行，導致葉片變形、質量不平衡；朝鮮電網運行不穩定，機組長期處在低于45～50 Hz低頻工況下運行，造成自然補氣能力差；推力軸承結構不合理；上機架剛度不足等等。這些隱患都可能造成機組震動，影響最大的是水輪機部分，而破壞最嚴重的部分為轉輪，由于轉輪氣蝕面積越來越大，裂紋發生的頻次、數量越來越多，已經危及機組以及系統的運行安全，機組改造勢在必行。改造范圍主要為水輪機部分，更換零部件包括：1）尾水管護壁；2）尾水管十字補氣架；3）轉輪；4）底環；5）活動導葉；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；11）水導軸承；12）上機架更換等。

1 轉輪參數對比

水輪機部分（改造前參數/改造后參數）

型 號：PO741-BM-380(前蘇聯制造)/HLA1090-LJ-395(國產制造)；

額定出力：103 MW/122 MW；

最大水頭：113.5/113.5（m）；

設計水頭：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%；

額定轉速：180.0/180.0（r/min）；

飛逸轉速：360.0/360.0(r/min)；

轉輪直徑：3800.0/3950.0（mm）；

轉輪葉片數：14/14（個）；

活動導葉葉片數：24/24（個）；

吸出高度 -2.5/-2.5（m）；

安裝高程:206.5/206.5（m）；

設計年利用小時數：3650/3650（h）；

上冠下環材質：ZG20MnSi/ZG06Gr13Ni5Mn；

葉片材質：ZG20MnSi/ZG04Gr13Ni5Mn；

2 不銹鋼轉輪氣蝕檢查及運行情況

2.1 轉輪氣蝕情況

2014年4月16日4號機組C級檢修首次發現轉輪氣蝕破壞，在10號-11號、11號-12號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。未發現明顯的氣蝕點。2014年4月-2017年4月共進行6次C級檢修，每一次檢查氣蝕面積都在增加，2017年4月7日A級檢修時，轉輪14個葉片上冠出水邊，均有不同程度的氣蝕破壞發生，氣蝕部位集中在上冠出水邊向進水方向延伸500 mm與葉片正、背根上半圓弧間，最大的氣蝕面積發生在10號-11號葉片間，面積550 mm×20 mm=0.11 m2,最小氣蝕破壞發生在4號—5號葉片間面積150 mm×100 mm=0.015 m2，大部分氣蝕部位呈現不規則凸凹狀，深度在0.01～0.5 mm之間，用手觸摸粗糙感明顯。氣蝕破壞嚴重的部位有3處，分別發生在10號葉片的背根部，11號葉片的正根部，8號葉片的背根部。深度在3～6 mm，面積在15～20 mm2范圍。轉輪其他部分檢查后無氣蝕發生，氣蝕破壞情況見表1、圖1、圖2：

表1 轉輪氣蝕分布情況

圖1 氣蝕破壞情況

圖2 氣蝕破壞總體情況

2.2 轉輪探傷檢查情況

按照《云峰發電廠水輪發電機組標準化檢修作業流程》、《云峰發電廠水輪機檢修規程》要求，檢修前應對轉輪進行著色探傷檢查。檢查區域為：轉輪上冠氣蝕發生部位；葉片與上冠連接處正、背根、葉片與下環連接處正背根部位；葉片進水邊海豚頭部位；上冠、下環過水面等。檢查后發現上冠、下環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，分布位置無規律，氣孔直徑多數在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，分布位置無規律，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 轉輪更換后運行情況

由于中朝電量差以及朝方電網系統不穩定等多種因素的影響，4號機組2013年5月24日—2017年4月7日共運行15 691.61 h。而中方3號機組2014年運行8 409.36 h，且發電負荷遠遠超過4號機組。按此推論如果4號機轉輪安裝在1號機組上，氣蝕破壞的情況將更加嚴重。表2為4號機運行數據。

表2 2013-2017年4號機組運行數據

3 水輪機轉輪氣蝕產生的原因分析

4號機組轉輪氣蝕部位大致相同，14個葉片間的氣蝕面積卻相差較大，我們對每一氣蝕部位都進行檢查、分析，氣蝕產生原因有以下幾點：

（1）轉輪斷面型線不規則產生的氣蝕：轉輪上冠、葉片、下環由數控機床加工后，按設計要求組裝定位，葉片與上冠、下環焊接由人工完成，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人員操作，因此上冠出水邊的斷面型線差別較大。14個葉片發生氣蝕的面積相差的也非常懸殊，我們對氣蝕面積最小的4號—5號葉片進行了重點分析，發現上環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。而氣蝕嚴重部位的面積比4號—5號葉片上冠氣蝕面積大7倍多，原因為轉輪流道內原本平順運行的正壓水流在經過局部缺陷流道斷面時，水壓力產生較大的波動，形成正、負壓區域，水流在正負壓力的變化中，水中氣泡易在該區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點對發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生微觀塑性變形和材料疲勞。造成金屬結晶顆粒脫落，形成初期氣蝕。當氣蝕反復作用在同一部位時，就會造成金屬表面變暗、粗糙、出現蜂窩等現象，與我們看到的氣蝕部位失光失色高度吻合。這是氣蝕產生的主要原因。參考受力分析如圖5：

圖5 轉輪氣蝕區域斷面型線結構及受力分析圖

（2）轉輪流道加工缺陷造成的氣蝕：在檢查中發現轉輪流道正根部位，多處存在褶皺缺陷，缺陷如圖6。由于混流式水輪發電機組轉輪水流變化復雜，流道內原本正壓的水流，因褶皺存在，渦流效應頻繁，水流行進中正負壓力交替變化，造成了水錘的反復沖擊，人為原因造成了不應有的氣蝕破壞。上冠出水邊原本就是氣蝕破壞的易發部位，由于焊接夾渣、氣孔及其他缺陷的存在，該區域氣蝕破壞產生的機率則更高。

（3）轉輪焊接缺陷產生的氣蝕：為了提高效率，新轉輪增長了流道長度，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：氣孔缺陷是作業人員沒能嚴格按焊接工藝規程進行焊接導致。應用施焊的G367M不銹鋼焊條，技術要求不用加溫和保溫，但產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生。

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

（4）轉輪組裝工藝不合理產生的氣蝕原理：轉輪葉片、上冠、下環加工完成后，為了保證轉輪葉片位置的相對準確，在各部件表面畫好安裝基準線，為使安裝過程中不將基準線丟失，重要的控制點位用機械設備加工標記點，標記點直徑φ=2.5 mm，在安裝完成后標記點沒有進行補焊消除，標記點坑造成局部的水流紊亂，因此產生嚴重的氣蝕破壞。不同部位標記點如圖7、圖8、圖9：

圖7 構造線標記點情況

圖8 背根構造線標記點情況

圖9 構造線標記點分布情況

（5）表面粗糙度達不到設計要求產生的氣蝕：轉輪加工完成后表面粗糙度加工是通過打磨和拋光完成的，表面粗糙度設計值為Ra1.6，上冠、葉片、下環機械加工后表面粗糙度可達到設計標準，粗糙度不達標的地方在轉輪上冠、下環與葉片焊接區域，有局部區域可見清晰的磨痕，磨痕存在流道褶皺區域內，也是發生氣蝕破壞的又一原因。

4 水輪機轉輪氣蝕修復

根據檢修計劃，本次檢修轉輪沒有吊出基坑，為了處理好轉輪的氣蝕破壞，云峰電廠生產技術部根據設備檢修時間安排以及氣蝕的實際情況，提出了轉輪氣蝕處理意見，生產技術人員協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：應用手持電鉆夾持φ6 mm錐形合金銑刀頭摳除氣孔、夾渣、構造線標記點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，與哈電技術部門聯系確認，本次只對目測清晰可見的氣孔進行補焊處理。

（2）轉輪安裝構造線標記點清理：為了防止構造線標記點產生氣蝕，本次檢修將對標記點清理補焊。

（3）補焊施工：選用焊條型號為G367M不銹鋼焊條，該焊條專門用于不銹鋼轉輪焊接及修補，可滿足奧氏體、馬氏體、鐵素體金相組織結構金屬的焊接。特點為：焊接性能良好，不需要預熱及保溫，操作工藝簡單，焊后工件焊道不易開裂。是迄今為止轉輪焊接施工工藝最為簡便的焊條。

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

補焊范圍：清理完成的氣孔、夾渣、標記點等。G367M不銹鋼焊條其化學成分如表3：

表3 焊條熔敷金屬化學成分（質量分數）（%）

（4）型線處理：由于4號—5號葉片氣蝕面積最小，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行，磨削至0.10～0.20 mm余量，表面粗糙度Ra6.3轉下道工序。但由于時間、工位限制，型線處理與理想型線還有較大差距。

另外褶皺缺陷區域，本次檢修由于時間及工位的限制，并沒有進行徹底處理，在下次檢修中應作為重點檢查。

（5）修磨表面拋光處理：轉輪修磨表面的拋光處理，使用工具為角向磨光機人工打磨，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法全部達到設計值Ra1.6）。

2017年5月12日至2017年6月2日，通過修補、型線修磨以及去除氣蝕破壞表面金屬的方法，完成了4號水輪機轉輪氣蝕破壞的處理工作，基本達到了設計要求的技術標準。滿足設備運行的要求。

5 結語

云峰電站4號機HLA1090-LJ-395不銹鋼轉輪更換后，在3年多的運行實踐中，很好的解決了上冠進水邊、葉片，下環進、出水邊、葉片的氣蝕問題。抗氣蝕性能的提高是可以肯定的，同時葉片沒有發生裂紋破壞，證明轉輪設計是科學的。滿足了復雜水流條件下的流態要求，為進一步優化轉輪設計奠定了基礎。然而上冠出水邊氣蝕破壞的原因是否如分析結果，還有待于時間和實踐的證明。

另外G367M電焊條焊接氣孔缺陷是需要高度重視的，要避免轉輪氣蝕破壞的發生我們要從每一個細節做起?？傊獜母旧辖鉀Q轉輪氣蝕問題可謂任重道遠。

[1]王者昌，陳懷寧.水輪機葉片裂紋的產生及對策[J].大電機技術，2003(6)：51-57.