某抽水蓄能電站轉輪葉片汽蝕分析及修復

胡德江，李 偉，沈華哲，劉功亮，彭選飛

（南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司，廣東 廣州511400）

0 前言

某抽水蓄能電站共4臺機組，水輪機轉輪采用長短葉片型式，即在轉輪圓周方向交替布置5張長葉片與5張短葉片。轉輪葉片、上冠、下環采用抗磨性能和焊接性能良好的馬氏體不銹鋼材料焊接而成，并進行VOD（真空氧氣脫碳）精煉工藝鑄造。長短葉片轉輪具有的多個葉片可以顯著降低葉片負荷、抑制部分負荷運行時的轉輪內部發生的流體的偏向以及二次流的發生，在壓力脈動、振動等方面長短葉片轉輪明顯優于常規葉片轉輪，剛性好，強度高，且提高了轉輪空化性能[1-2]。

圖1 轉輪長短葉片交替布置

1 汽蝕狀況及原因分析

1.1 汽蝕狀況

1號機組于2015年11月投產，在2016年11月對機組進行第1次常規檢修時未發現葉片有明顯汽蝕現象，而在2017年11月對1號機組進行常規檢修發現，轉輪5張短葉片未出現明顯汽蝕現象，1號、3號、5號、7號長葉片出水邊（水輪機工況）下環側壓力面靠近葉片根部均出現不同程度的汽蝕現象，9號長葉片只出現輕微的汽蝕麻點，根據汽蝕嚴重程度將汽蝕區域分為A、B 2個區域，其中A區域汽蝕狀況比B區域嚴重，汽蝕狀況如圖2所示。

圖2 長葉片汽蝕區域

由汽蝕引起的過流部件表面局部金屬質點的疲勞和剝落，會使金屬表面失去光澤而變暗，或變毛糙而發展成麻點、針孔狀，這是一種輕微的汽蝕現象。隨著時間的推移，在金屬表面產生微小的麻點或麻坑，使該處水流的流態產生微小的變化——細微的脫流或旋渦，使凹坑沿水流方向越變越長，并加寬而呈橢圓狀（見圖2），加速了該處的磨損與空蝕，進而加速了材質的破壞，使金屬表面變得十分疏松成為蜂窩狀（海綿狀），汽蝕深度可達幾毫米到幾十毫米。現場測量發現1號、3號長葉片汽蝕最大破壞深度達2 mm， 5號、7號長葉片最大汽蝕深度分別為1 mm和0.5 mm，小于汽蝕保證值5 mm以下。汽蝕檢查情況如表1、2所示。

表1 葉片汽蝕現象

表2 葉片汽蝕情況統計

依據《反擊式水輪機空蝕評定》[3]，轉輪長葉片空蝕損壞量可采用以下公式計算，計算所得體積如表2所示。

式中：Vi—第i個空蝕區體積；

himax—第i個空蝕區的最大空蝕深度；

Ai—第i個空蝕區的面積；

ρ—轉輪密度，7.85×10-6kg/mm3。

由以上公式計算可得轉輪葉片汽蝕總質量為m=0.0223 kg＜1 kg，遠小于保證值 1 kg，機組仍滿足運行要求。

1.2 汽蝕分析

抽水蓄能電站在電網系統中擔任調峰調頻的任務，水泵水輪機組工況轉換頻繁，有時甚至只帶部分負荷運行。當機組帶部分負荷或偏離最優工況運行時，導葉進口水流以負沖角進入導葉柵，過大的負沖角將引起導葉后即葉片頭部出現脫流旋渦，且在葉片出水邊存在低壓區，而低壓是引起轉輪葉片汽蝕的一個主要原因。如圖3所示，當機組在小開度（流量小）或者大開度（大流量）工況運行時，轉輪與頂蓋和導葉間水流擾動加劇，產生大量汽泡使水流連續性遭到破壞，空化現象逐漸加劇，進一步使機組轉輪內部流動越發不穩定，從而容易誘發壓力脈動，導致機組受到的軸向力增大，使機組振動加強[4]。

圖3 壓力脈動與開度和負荷關系曲線

對于水泵工況來說，此時水泵水輪機運行在低水頭、大流量工況，葉片進水邊既是低壓區又是脫流區，其空化性能較水輪機工況差，更容易發生汽蝕現象[5]。生產廠家現場檢查汽蝕部位后指出，水泵工況進水邊葉片略厚呈凸面，造成水泵工況水流脫流在凸面下方脫流形成真空，產生真空汽泡，而葉片由于有凹面，當水流沿曲面流過時，低凹處也會形成汽泡，而凸面或凹處產生的汽泡在高壓區域潰滅，高速沖擊金屬表面，會導致金屬剝蝕脫落。且在大流量工況下，隨著葉片低壓邊厚度的增大，對水流干擾作用增強，導致空化區域范圍略有增大，空化作用加劇[6]。

綜上所述，對于高水頭、大流量水泵水輪機組，水輪機運行工況時葉片出水邊存在低壓區，而在水泵工況運行時轉輪葉片進水邊既是低壓區也存在頭部脫流現象，使得水泵水輪機轉輪葉片低壓邊相比其他部位更易于發生汽蝕現象。

2 汽蝕修復

2.1 汽蝕區域處理

對于出現汽蝕的葉片，需要對其進行修復處理，防止汽蝕加深擴大從而影響機組穩定運行。為了避免機組泵工況運行時由于葉片較厚出現頭部脫流而再次成為空蝕發生的起點，對1號、3號、5號、7號葉片水泵工況進口低壓區域凸起部位打磨1 mm，打磨區域長度約為200 mm左右，如圖4（左）所示。為了對汽蝕區域進行補焊修復，將汽蝕區域鏟磨處理直至露出母材，汽蝕深度大的，鏟磨深度略大一點，如汽蝕A區；汽蝕深度較小的，輕微鏟磨汽蝕部分露出母材即可，如汽蝕B區。為了保證焊接質量，對汽蝕A區和B區鏟磨的面積均要大于原汽蝕區域面積。葉片汽蝕打磨情況如圖4（右）所示。

圖4 打磨拋光1 mm（左）及汽蝕區域打磨（右）

2.2 汽蝕區域補焊修復

依據水輪機生產廠家提供的轉輪汽蝕修復技術方案，補焊之前對汽蝕區域預熱到80℃以上至少3 min。預熱溫度及時間滿足要求后，采用鎢極氬弧焊（GTAW）方法將Ф2.4 mm的N0.9036焊絲（生產廠家提供）對汽蝕區域進行堆焊。補焊時先焊接上、下部位然后再焊接中部，焊接順序如圖5所示，補焊完成后再焊接一層回火層，回火層高于正常葉片平面約1～2 mm，便于后續打磨拋光。

圖5 汽蝕補焊順序及要求

在補焊過程中，對汽蝕區域范圍較大部位不能連續焊接，要一點點逐步放入焊絲，避免局部溫度過高而使葉片發生變形；對于汽蝕深度大的部位如汽蝕A區，應采用多層多道的焊接方式來減小轉輪上下方向（上冠-下環方向）的殘余應力。焊接過程中要確保焊縫與母材過渡圓滑無尖角及突起，且溶敷金屬內部沒有融合不良或者氣孔。葉片補焊情況見圖6（左）。葉片汽蝕區域補焊完成后，依次對葉片補焊部位進行打磨拋光及修形，如圖6（右）所示。打磨拋光及修形完成后補焊區域與正常葉片過渡自然，無局部凸起或凹坑存在，對汽蝕區域進行PT探傷未發現融合不良部位或氣孔等。

圖6 汽蝕區域補焊（左）及拋光修形（右）

1號、3號、5號、7號長葉片汽蝕部位經過修復運行狀況良好，近2年檢查原汽蝕區域及其他區域未出現明顯汽蝕現象，同時對其他3臺機組長葉片汽蝕區域采用本文修復工藝進行處理，運行至今汽蝕區域未出現汽蝕現象。表明轉輪長葉片泵工況進水邊經過修磨1 mm及汽蝕補焊修復處理后，葉片抗汽蝕特性得到顯著改善。

3 結論

（1）高水頭，大流量水泵水輪機組葉片低壓區域比其他部位更容易發生汽蝕現象。

（2）泵工況時進水邊葉片厚薄不均，會產生頭部脫流而誘發汽蝕。

（3）轉輪葉片汽蝕部位經過修復處理后抗汽蝕特性得到改善，表明本文所采用的葉片汽蝕補焊工藝是可行和值得推廣的，為今后水泵水輪機轉輪葉片汽蝕修復工作提供了實踐經驗。