某電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪汽蝕原因分析及葉片出水邊修型處理

陳 偉

（廣東能源集團(tuán)天生橋一級(jí)水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠(chǎng)，貴州 興義 562400）

1 概述

某電站3號(hào)機(jī)組C修時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)輪作探傷檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊根部存在不同程度的淺表性點(diǎn)狀、片狀汽蝕，汽蝕面積10～20 cm2，深度3～15 mm；較為嚴(yán)重的是2號(hào)、3號(hào)、13號(hào)葉片，已表現(xiàn)為坑狀汽蝕。該電站歷年檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕均較為嚴(yán)重，對(duì)轉(zhuǎn)輪汽蝕進(jìn)行多次修復(fù)后，阻止汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生的效果不是很明顯。為分析其汽蝕原因并制定相關(guān)解決方案，因此對(duì)3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行工況進(jìn)行詳細(xì)分析。

2 相關(guān)技術(shù)參數(shù)

3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)水頭126.65 m，最高水頭143.00 m，額定水頭111.00 m，最小水頭83.00 m，轉(zhuǎn)輪葉片13片，額定流量301.20 m3/s，吸出高度-3.84 m。

3 轉(zhuǎn)輪運(yùn)行工況數(shù)據(jù)分析

采集近11年的上游水位、下游水位、3號(hào)機(jī)組出力和流量數(shù)據(jù)，分別對(duì)上游水位、下游水位、水頭、運(yùn)行范圍、吸出高度和電站裝置空化系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪頻繁產(chǎn)生汽蝕的原因。其中由于缺少管路損失數(shù)據(jù)，無(wú)法計(jì)算凈水頭，因此只對(duì)毛水頭進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 水位和水頭分析

統(tǒng)計(jì)上游水位、下游水位和毛水頭隨時(shí)間變化情況和概率分布，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 水位和水頭分析

上游水位基本處于732～780 m范圍內(nèi)，下游水位基本處于639～645 m范圍內(nèi)，毛水頭基本處于90～140 m范圍內(nèi)。毛水頭在最小水頭83 m～最大水頭143 m之間，毛水頭沒(méi)有達(dá)到最大水頭143 m的情況。

3.2 出力分析

統(tǒng)計(jì)出力隨時(shí)間變化情況、概率分布和運(yùn)行范圍，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 出力分析

3號(hào)機(jī)在全負(fù)荷范圍運(yùn)行，其中出力在290 MW～305 MW和50 MW～60 MW時(shí)的概率較大，毛水頭在99～111 m時(shí)有超發(fā)情況。

3.3 空化分析

統(tǒng)計(jì)吸出高度隨時(shí)間變化情況、吸出高度概率分布、電站裝置空化系數(shù)隨毛水頭變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 空化分析

通過(guò)分析得知3號(hào)機(jī)空化裕度足夠。空化裕度不夠葉片發(fā)生汽蝕的部位一般在葉片背面出水邊附近，而3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪發(fā)生汽蝕的部位在下環(huán)上。同時(shí)該電站共裝有4臺(tái)型號(hào)一樣的水輪機(jī)，只有3號(hào)機(jī)發(fā)生汽蝕，其余3臺(tái)沒(méi)有發(fā)生汽蝕。排除相關(guān)水力原因后，結(jié)合3號(hào)機(jī)組多年檢修情況分析，判斷3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕產(chǎn)生原因是轉(zhuǎn)輪R角補(bǔ)強(qiáng)及多次裂紋、汽蝕修復(fù)導(dǎo)致流道局部不光順和卡門(mén)渦引起。

4 轉(zhuǎn)輪汽蝕解決辦法

得知轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生汽蝕是由于流道局部不光順的原因后，為防止3號(hào)轉(zhuǎn)輪葉片今后仍反復(fù)產(chǎn)生汽蝕，制定了轉(zhuǎn)輪汽蝕修復(fù)方案和葉片出水邊修型方案。對(duì)3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片出水邊點(diǎn)狀、面狀和靠下環(huán)葉片出水邊輕微的鋸齒狀汽蝕部位采取機(jī)械磨削方式清除并露出金屬光澤，然后進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊合格后，再次打磨各焊點(diǎn)，使修復(fù)面圓滑過(guò)渡，肉眼或者手感表面不存在有凹坑或凸點(diǎn)以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)要求。同時(shí)通過(guò)CFD計(jì)算找到葉片需要倒圓角的具體范圍，并根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果制作轉(zhuǎn)輪葉片倒圓示意圖。按照?qǐng)D紙對(duì)葉片出水邊進(jìn)行打磨、修型，修型完成后作PT+UT探傷檢查。

4.1 汽蝕修復(fù)方法

首先進(jìn)行相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)備工作，整理打磨工具、砂輪片、電焊機(jī)、焊條等，再對(duì)葉片汽蝕缺陷進(jìn)行標(biāo)注、記錄。完成標(biāo)記后，使用風(fēng)砂輪、砂輪片打磨各個(gè)葉片汽蝕點(diǎn)至見(jiàn)母材金屬光澤，然后對(duì)打磨點(diǎn)進(jìn)行PT探傷，探傷合格后對(duì)打磨過(guò)的汽蝕點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)焊。

補(bǔ)焊采用SMAW（手工電弧焊）焊接方法[1]，配用G367MΦ3.2 mm焊條。焊前按照焊條說(shuō)明書(shū)要求對(duì)焊條進(jìn)行烘干，焊接過(guò)程中將焊條置于焊條保溫桶中，隨用隨取。焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 焊接參數(shù)表

焊接過(guò)程及注意事項(xiàng)：

（1）清除焊接區(qū)及附近20 mm范圍內(nèi)的油、水、氧化皮、探傷液等影響焊接質(zhì)量的有害雜質(zhì)。

（2）焊前預(yù)熱，對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域及相鄰約150 mm范圍內(nèi)的母材應(yīng)預(yù)熱至不低于80℃，并在焊接過(guò)程中始終保持這一溫度。預(yù)熱方式采用火焰加熱方法進(jìn)行。

（3）在焊接時(shí)，盡量采用較小的焊接范圍進(jìn)行，以達(dá)到減小焊縫金屬的脆化傾向和降低焊接殘余應(yīng)力的目的[2]。

（4）焊接過(guò)程中控制層間溫度不大于150℃。

（5）層間起弧點(diǎn)應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，起弧處應(yīng)使用砂輪機(jī)清理。

（6）缺陷焊接修補(bǔ)后，進(jìn)行初步的打磨，并對(duì)焊接接頭、咬邊、凹坑等進(jìn)行補(bǔ)焊打磨。

（7）對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行PT探傷，探傷標(biāo)準(zhǔn)按ASME第Ⅷ卷附錄8執(zhí)行。如仍有缺陷，采用上述相同的方法修復(fù)。

（8）對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行打磨、拋光處理，符合通流部件標(biāo)準(zhǔn)要求，表面粗糙度達(dá)Ra3.2μm。

（9）打磨平順后，對(duì)焊縫和母材進(jìn)行PT探傷，PT探傷檢查驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)分別按照ASME第Ⅷ卷附錄8執(zhí)行。

補(bǔ)焊完成后使用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)將補(bǔ)焊部位打磨光滑、光順，并再次進(jìn)行PT探傷，無(wú)裂紋無(wú)汽蝕則合格。

4.2 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊修型

計(jì)劃通過(guò)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊修型，消除卡門(mén)渦產(chǎn)生誘因，以改善該區(qū)域汽蝕[3]。葉片出水邊進(jìn)行修型，葉片與上冠和下環(huán)之間的焊縫及葉片的強(qiáng)度和疲勞性能均不會(huì)受到影響，對(duì)轉(zhuǎn)輪水力性能的影響也可以忽略不計(jì)。

分別取最大水頭、額定水頭和最小水頭3個(gè)特征水頭，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊局部倒圓角前后做CFD計(jì)算和對(duì)比分析。分析結(jié)果表明：倒圓角對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪整體水力性能沒(méi)有影響。倒圓角后，葉片整體壓力分布均勻，與倒圓角前沒(méi)有差別。倒圓角后水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊后部局部流態(tài)略有改善。倒圓角后，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊附近的壓力稍有提高，預(yù)計(jì)該處的局部空化性能會(huì)有所改善。

4.2.1 葉片出水邊倒圓處理

通過(guò)CFD計(jì)算得出葉片需倒圓角的具體范圍，并制作轉(zhuǎn)輪葉片出水邊倒圓示意圖（見(jiàn)圖4）、葉片出口形狀示意圖（見(jiàn)圖5），按圖紙進(jìn)行倒圓處理。其中A點(diǎn)為下環(huán)出水邊工作面焊接圓角末端與下環(huán)相交的位置；B點(diǎn)為下環(huán)出水邊工作面讓開(kāi)焊接圓角8Omm的位置；C點(diǎn)為下環(huán)出水邊工作面B點(diǎn)以后沿BC方向300 mm的位置；F點(diǎn)為上冠出水邊工作面焊接圓角末端與上冠相交的位置；E點(diǎn)為上冠出水邊工作面讓開(kāi)焊接圓角80 mm的位置；D點(diǎn)為上冠出水邊工作面E點(diǎn)以后沿ED方向300 mm的位置；具體尺寸根據(jù)葉片的實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)整。

圖4 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊倒圓示意圖

位置A至位置B、位置E至位置F按照?qǐng)D5（a）進(jìn)行倒圓；位置C至位置D按照?qǐng)D5（b）進(jìn)行倒圓；位置B至位置C、位置D至位置E進(jìn)行光滑過(guò)渡。倒圓范圍在出水邊上冠處和下環(huán)處至少60 mm內(nèi)進(jìn)行。

圖5 葉片出口形狀示意圖

在工作現(xiàn)場(chǎng)按圖紙對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊打磨部位進(jìn)行標(biāo)記，然后對(duì)3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪所有葉片出水邊進(jìn)行打磨倒圓處理，共13片。首先使用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)陶瓷砂輪片對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片背面出水邊明顯棱角、尖點(diǎn)部位進(jìn)行打磨，直至光順、圓滑過(guò)渡。待葉片粗磨完成后，再將陶瓷砂輪片更換為砂布輪片對(duì)葉片出水邊打磨部位進(jìn)行拋磨、拋光，用以提高打磨部位的精度和光潔度。倒圓結(jié)束后使用PT＋UT探傷檢查合格。

4.2.2 葉片翼型檢查樣板制作

利用專(zhuān)用工具對(duì)翼型較好（無(wú)汽蝕或汽蝕較少）的轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行翼型數(shù)據(jù)測(cè)量（見(jiàn)圖6）。測(cè)量方法為：進(jìn)口測(cè)量1、3、5斷面，出口測(cè)量5、8、11斷面，測(cè)量長(zhǎng)度不少于870 mm。測(cè)量時(shí)進(jìn)、出口點(diǎn)數(shù)需要加密，這樣可以準(zhǔn)確繪制其形狀，繪圖時(shí)需標(biāo)識(shí)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心線(xiàn)和轉(zhuǎn)動(dòng)中心線(xiàn)的位置。斷面12、13、14為主要空蝕部位，盡量多測(cè)些數(shù)據(jù)，其它斷面為輔助測(cè)量斷面，點(diǎn)數(shù)可適當(dāng)減少。

圖6 轉(zhuǎn)輪葉片翼型數(shù)據(jù)測(cè)量示意圖

根據(jù)實(shí)測(cè)3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片翼型數(shù)據(jù)及理論型線(xiàn)利用切割機(jī)制作2 mm厚的轉(zhuǎn)輪葉片檢查翼型樣板、轉(zhuǎn)輪葉片焊接圓弧（R角）檢查樣板，制作檢查樣板名稱(chēng)及數(shù)量見(jiàn)表2。利用檢查樣板對(duì)修型的轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行驗(yàn)收。若檢驗(yàn)樣板能與倒圓后的葉片貼合，則驗(yàn)收合格，若不貼合，有凸出或者凹進(jìn)去的部位，說(shuō)明打磨過(guò)度或不夠。需對(duì)相關(guān)位置進(jìn)行打磨或補(bǔ)焊，直至兩者能貼合，保證轉(zhuǎn)輪葉片翼型合格。

表2 檢查樣板表

4.3 處理效果

3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕修復(fù)并經(jīng)倒圓處理后運(yùn)行至今已有兩年，每年對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行著色探傷檢修處理時(shí)發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪無(wú)汽蝕現(xiàn)象（見(jiàn)圖7）。

圖7 2021年B修3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪著色探傷情況

5 總結(jié)

結(jié)合設(shè)備檢修，檢查轉(zhuǎn)輪汽蝕、磨損、裂紋等情況，發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕情況大為好轉(zhuǎn)。在其他機(jī)組檢修時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片采用相同方法進(jìn)行修型，可提高轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的安全性能，減少汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。