水力發電機組轉輪室氣蝕修復措施探討

王傳磊

摘 要：王甫洲水電站裝設4臺進口燈泡貫流式水輪機組，水輪機由奧地利ANDRIZ水輪機制造廠制造。運行以來，長期處于超高設計水頭運行，逐漸發生汽蝕，并不斷加深，直接影響到機組的出力和安全運行。氣蝕是一種復雜的水動力學現象，為消除和減輕氣蝕的危害，在加強設計、制造和使用研究的同時，文章將探討那些能夠修復已產生氣蝕破壞的部件、部位的有效措施。

關鍵詞：氣蝕;轉輪;轉輪室;修復措施

中圖分類號：TK730.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）09-0051-02

王甫洲水電站裝設4臺進口燈泡貫流式水輪機組，水輪機由奧地利ANDRIZ水輪機制造廠制造。其主要技術參數為：額定水頭7.52m，額定流量412m3/s，額定出力28.1MW，額定轉速71.4r/min，機械飛輪力矩480t㎡，水力飛輪力矩240t㎡，最大毛水頭10.3m，最小毛水頭3.7m，轉輪直徑7.2m，其由轉輪室、導葉機構、轉輪、尾水管等組成。水電站轉輪和槳葉為不銹鋼材料，在檢修過程中發現轉輪室內表面沿槳葉轉動區域存在汽蝕現象，直接影響到機組的出力和安全運行。氣蝕是一種復雜的水動力學現象，為消除和減輕氣蝕的危害，在加強設計、制造和使用研究的同時，對已產生氣蝕破壞的部件、部位進行有效修復。

1 檢查中發現的問題

2019年10月，王甫洲水電站#3機組在進行A級檢修時，組織技術人員對拆卸完成的轉輪室進行檢查，發現4扇轉輪室有明顯的氣蝕現象。產生的汽蝕缺陷位于轉輪室內表面沿槳葉轉動區域，以上部人孔蓋板及附近最為嚴重，呈蜂窩狀孔洞，點狀分布，寬度為600mm～800mm，普遍深度為1mm～5mm，局部深度達25mm，氣蝕區域約25㎡，如圖1、圖2所示。查閱制造安全圖紙標注的轉輪室母材為Fe360C，對應中國國標材料為Q235。

2 產生原因分析

王甫洲水電站燈泡貫流式水輪機組額定水頭7.52m，最大毛水頭10.3m，最小毛水頭3.7m。水電站轉輪和槳葉為不銹鋼材料，轉輪室母材為 Fe360C，對應中國國標材料為 Q235，其韌性和防汽蝕性能不佳。為了降低度電耗水率，提高機組發電效率，運行以來長期處于超高設計水頭10.3m區域運行，尾水出現大量的汽泡。運行過程中，水流在水輪機中流動通過壓力低于汽化壓力區，從槳葉間隙過水部份水汽化沸騰產生汽泡，產生局部沖擊壓力，產生對金屬周期性的撞擊并產生水擊壓力，使金屬表面受到反復的沖擊載荷，造成材料被破壞，導致金屬晶體汽蝕脫落[1]。汽蝕反復發生在同槳葉進、出水邊的轉輪室上，故在長時間超高水頭運行下，逐漸發生汽蝕并不斷加深。

3 具體修復措施

結合國內同類型燈泡貫流式水輪機組水電站處理的經驗，根據王甫洲水電站轉輪室的氣蝕范圍和深度，以及水輪機組長期運行狀態，可以對氣蝕區采用轉輪室修復（冷補）工藝修復（貝爾佐納金屬修補技術）進行處理，使修復后的轉輪室達到耐磨損、耐氣蝕的效果，同時更能有效控制轉輪室的變形。

3.1 預先清潔氣蝕區域

人工用鋼絲刷、鏟刀、抹布等對每塊轉輪室進行預清潔、除油、除銹、除垢等，對氣蝕孔洞用小電磨頭進行鉆孔打磨，清除氣蝕層、盲孔及銹蝕點，清除氣蝕區域內的污物、銹蝕物、氧化層、淤泥等。

3.2 氣蝕區域表面粗糙處理

對轉輪室氣蝕區域1000mm寬度沿周長方向進行噴砂除銹、除垢等作業，處理后表面粗糙度不小于75μm;噴砂作業要在封閉空間進行。噴砂過程中，要保證噴砂量和質量，作業過程中要控制噴砂速度，勻速進行操作，必須把氣蝕區域全部處理干凈;噴砂作業人員必須戴輸送空氣全封閉面罩，穿好防護服，戴好防護手套等作業防護用品，防止被作業產生的粉塵等傷害。保證修補材料吸附及粘合質量，并延長材料使用壽命。

3.3 氣蝕區域表面吹掃

現場采用移動式空壓機產生壓縮空氣，對噴丸區域進行吹掃。吹掃過程中要從一個方向開始，防止粉塵四處擴散。采用抽風措施控制空氣中的雜質，不得有遺漏區域。將汽蝕孔洞的灰砂吹掃干凈，確保孔洞和周邊區域清潔。

3.4 氣蝕處理區域基面清洗

用清洗劑將已除銹的表面清洗干凈。清洗作業前，對抹布進行檢查，應干凈無其他雜色;抹布擦拭區域要沒有遺漏，直至抹布顏色與原來本色一致。

3.5 氣蝕修補

等待清洗劑自然完全干燥和揮發后（常溫下約30min），氣蝕處理區域基面徹底干燥完成。將修補材料用電子稱稱重，按說明書要求配比混合，攪拌均勻后對氣蝕孔洞進行填充、修補，并用專用工具盡量刮平。

3.6 氣蝕修補后表面打磨

等待修補材料約2h內初步固化后，用拋光機裝夾R40粗砂紙對修補材料進行磨平，將氣蝕修補后表面的凹凸起處磨平，保證整個氣蝕修補后表面光滑無明顯凸起。打磨過程中，與氣蝕修補后表面要輕輕接觸，不能用力過猛，造成氣蝕修補表面磨損，損壞修補部位。

3.7 修補后表面清洗

用清洗劑將已磨平的表面清洗干凈。清洗作業前，對抹布進行檢查，應干凈無其他雜色;抹布擦拭區域要沒有遺漏，直至抹布顏色與原來本色一致。

3.8 敷涂

按要求在氣蝕區域表面進行三層涂敷，每層間隔在2h左右，確保干燥后進行下一層涂層;每層按表面積計算涂料重量，根據配比混合高分子超滑材料，攪拌均勻后對轉輪室氣蝕區域表面進行均勻刷涂;最終厚度可控制在0.4mm左右;敷涂作業期間不能間斷，每層敷涂要盡量壓實，確保沒有空隙和氣泡，作業場地周圍無產生粉塵、油煙廢氣及動火作業等，保持作業現場環境清潔。

3.9 檢測

敷涂作業完成，當涂層完全干燥后，在每個轉輪室氣蝕處理區域要有不少于24個的檢測點并均勻分布。檢查整個刷涂面的連貫性與完整性，測量涂層厚度，既要達到修復要求，也要確?；匮b后槳葉與轉輪室的空氣間隙在規定范圍內。

3.10 細磨

人工用細砂紙對整個表面做去毛刺處理。毛刺處理過程中，與涂層表面要輕輕接觸，不能用力過猛，以免造成涂層表面磨損、損壞修補部位，保證整個表面光滑。

3.11 中間驗收

每道工序完工后，先自檢合格，然后通知甲方及監理來現場見證與驗收，方可進入下一道工序。每塊轉輪室完工后，經甲方及監理驗收合格方可開始下一塊轉輪室的施工。

3.12 最終驗收

最后一個塊轉輪室施工完畢，經甲方及監理驗收合格后，按照甲方及監理要求工完場清，開始拆卸施工防護罩及設施。平臺現場清掃干凈，廢料收集到指定地點，做好相關資料移交手續，修復后的轉輪室和和人孔蓋板如圖3、圖4所示。

4 結語

水輪機轉輪室的氣蝕，嚴重威脅了水輪發電機組的安全穩定性。其降低了水輪機的工作效率，減少發電量，破壞材料，威脅發電設備的安全運行[2]。王甫洲水電站采用轉輪室修復（冷補）工藝修復，不僅能夠高效、迅速地修復水輪機轉輪室的氣蝕問題，還減少了水輪機檢修費用，縮短了水輪機檢修時間，確保能在省調批準的計劃檢修時間內完成A級檢修，順利開機并網。并且取得了良好的使用效果，提高了水電站的綜合效益和社會效益。

參考文獻

[1] 張石堅.高分子材料在水輪機轉輪室氣蝕修復中的應用[J].廣東水利水電，2019（2）：48-50.

[2] 林泉江.轉輪及轉輪室空蝕的處理[J].水電站機電技術，2005，28（2）：37-41.