二灘水電站水輪機(jī)空蝕情況與修復(fù)

史 寶 平， 程 文， 檀 曉 龍

(二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

二灘電站坐落于四川省攀枝花市境內(nèi)的雅礱江上，距攀枝花市區(qū)約46 km，是雅礱江流域的梯級(jí)電站之一。二灘電站安裝6臺(tái)550 MW發(fā)電機(jī)組，水庫(kù)庫(kù)容57.9億m3，屬季調(diào)節(jié)水庫(kù)，設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量170億kWh，保證出力1 000 MW，年利用小時(shí)5162h。二灘電站單機(jī)容量大，調(diào)節(jié)性能好，是川渝電網(wǎng)的主力電站，承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)峰、斷面潮流及事故備用任務(wù)。

1 空蝕的產(chǎn)生[1]

我們通常講的氣蝕現(xiàn)象，實(shí)際上包括了空化和空蝕兩個(gè)過(guò)程?？栈耸窃谝后w中形成空穴使液相流體的連續(xù)性遭到破壞，它發(fā)生在壓力降低到某一臨界值的流動(dòng)區(qū)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(dāng)這些空穴進(jìn)入壓力較低的區(qū)域時(shí)，就開(kāi)始發(fā)育長(zhǎng)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(qū)域，氣泡就將潰滅，這個(gè)過(guò)程稱為空化，它包括空穴的初生、發(fā)育、成長(zhǎng)到潰滅的整個(gè)過(guò)程?？瘴g是指由于空泡的潰滅，引起過(guò)流表面的材料損壞，在空泡潰滅的過(guò)程中伴隨著機(jī)械、電化、熱力、化學(xué)等過(guò)程的作用，是一個(gè)綜合作用的結(jié)果。空蝕是空化的直接后果，空蝕只是發(fā)生在固體邊界上。

按空化和空蝕發(fā)生的部位通?？煞譃橐硇涂栈涂瘴g、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(chǎn)運(yùn)行后，頂蓋下環(huán)板及頂蓋減壓板逐漸出現(xiàn)空蝕，并逐年加重。其中#6機(jī)組于1998年8月投產(chǎn)發(fā)電，自2000年9月至12月擴(kuò)大性大修后，每年進(jìn)行一次“以故障診斷和設(shè)備體檢為主”的C修，機(jī)組整體運(yùn)行良好，但近幾年6號(hào)機(jī)組C修檢查發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)頂蓋空蝕情況逐年加劇。2012年3月6號(hào)機(jī)組C修，檢查發(fā)現(xiàn)空蝕部位主要有：頂蓋下環(huán)板(下平面)、頂蓋減壓板(上表面及內(nèi)外側(cè)面)、頂蓋減壓板立筋。其中頂蓋下環(huán)板的空蝕最為嚴(yán)重，空蝕區(qū)域類似橢圓形狀，用自制工具測(cè)量最深達(dá)43 mm(頂蓋下環(huán)板厚度75 mm)。

在2013年機(jī)組A修中對(duì)水輪機(jī)作全面檢查，具體空蝕情況如下。

2.1 轉(zhuǎn)輪

13 個(gè)葉片進(jìn)水邊背水面靠近下環(huán)的位置、葉片之間上冠過(guò)流面靠近出口邊的位置均發(fā)現(xiàn)有不同程度空蝕，部分葉片出水邊與下環(huán)R 角位置亦有面積較小的空蝕。轉(zhuǎn)輪葉片空蝕見(jiàn)圖1所示

2.2 頂 蓋

從泄水錐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)頂蓋底板均存在不同程度的空蝕，11號(hào)～12號(hào)導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)頂蓋底板空蝕最深達(dá)46 mm，頂蓋吊出機(jī)坑放置于安裝間翻身后，對(duì)底板空蝕進(jìn)行了全面的測(cè)量，17號(hào)～18號(hào)導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)頂蓋底板汽蝕最為嚴(yán)重，深度達(dá)到54 mm。而3號(hào)～4號(hào)與13號(hào)～14號(hào)導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)頂蓋底板空蝕最為輕微，最深分別為9 mm與11 mm，且這兩個(gè)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(cè)。減壓板與頂蓋底板對(duì)應(yīng)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(nèi)外側(cè)亦存在不同程度空蝕。頂蓋底板空蝕見(jiàn)圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片空蝕

圖2 頂蓋底板空蝕

2.3 底環(huán)

底環(huán)抗磨板內(nèi)環(huán)由于導(dǎo)葉金屬密封塊與之高程差的影響，均存在輕微空蝕。底環(huán)抗磨板見(jiàn)圖3所示。

3 二灘水電站空蝕原因分析[2-3]

轉(zhuǎn)輪葉片的空蝕屬于翼型空蝕。液體繞流翼型時(shí)，翼型背面的壓力往往為負(fù)壓，當(dāng)背面低壓區(qū)的壓力降低到環(huán)境氣化壓力以下時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致空化區(qū)的出現(xiàn)，在空化區(qū)的末端將出現(xiàn)最嚴(yán)重的空蝕區(qū)并向上下游擴(kuò)展。

3.1 頂蓋和底環(huán)部位的空蝕屬于間隙空蝕

當(dāng)水流通過(guò)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(shí)便會(huì)出現(xiàn)空化和空蝕現(xiàn)象。機(jī)組在振區(qū)運(yùn)行時(shí)尾水管中產(chǎn)生真空蝸帶，該真空蝸帶有時(shí)會(huì)延伸到水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口處，通過(guò)轉(zhuǎn)輪上冠處的八個(gè)均布的減壓孔進(jìn)入頂蓋內(nèi)減壓板上部被筋板隔離出來(lái)的一個(gè)個(gè)狹小空間，繼而導(dǎo)致從上止漏環(huán)間隙的漏水進(jìn)入該區(qū)域后，在此真空蝸帶的影響下高速流經(jīng)頂蓋表面，壓力下降，因而在此區(qū)域便會(huì)產(chǎn)生空蝕。

圖3 底環(huán)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(jī)在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪后產(chǎn)生渦帶，渦帶中心形成很大的負(fù)壓，這種渦帶一般低于水輪機(jī)轉(zhuǎn)速頻率在尾水管中旋轉(zhuǎn)，造成尾水管種的流速場(chǎng)和壓力場(chǎng)也發(fā)生周期性變化，并將引起機(jī)組的振動(dòng)和噪音，嚴(yán)重時(shí)將引起硬性不穩(wěn)定及在尾水管進(jìn)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(cè)量、打磨清根、補(bǔ)焊、打磨修型、探傷檢查五個(gè)部分，以頂蓋的空蝕處理為例，具體過(guò)程如下：

4.1 空蝕深度及面積測(cè)量

將頂蓋底板空蝕區(qū)域按照導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行分區(qū)標(biāo)記，測(cè)量頂蓋底板空蝕區(qū)域左邊界離左筋板距離、空蝕區(qū)域外邊界離頂蓋止漏環(huán)距離、空蝕區(qū)域長(zhǎng)度與寬度，將測(cè)量結(jié)果列表記錄，并繪制空蝕區(qū)域在頂蓋本體上的分布圖。利用自制工具對(duì)頂蓋底板下平面空蝕深度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制頂蓋底板空蝕徑向及周向剖面圖。6號(hào)機(jī)頂蓋汽蝕測(cè)量繪圖見(jiàn)圖5所示，頂蓋底板空蝕徑向及周向剖面圖。

圖4 6號(hào)機(jī)頂蓋汽蝕測(cè)量繪圖

圖5 頂蓋底板空蝕徑向及周向剖面圖

4.2 空蝕區(qū)域打磨清根

用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)對(duì)頂蓋空蝕區(qū)域進(jìn)行主體打磨，主體露出頂蓋本體金屬光澤，用風(fēng)動(dòng)直磨機(jī)對(duì)主體打磨之外的細(xì)小空蝕進(jìn)行徹底清根，并露出頂蓋本體金屬光澤，測(cè)量最大深度?？瘴g區(qū)域打磨清根后見(jiàn)圖7所示。

4.3 空蝕部位補(bǔ)焊

在對(duì)稱的四個(gè)頂蓋導(dǎo)葉中軸孔內(nèi)及頂蓋抗磨板表面架設(shè)百分表，在焊接過(guò)程中全程監(jiān)視焊接變形。在施焊空蝕區(qū)域?qū)?yīng)位置導(dǎo)葉中軸孔架設(shè)自制工裝，將鋼琴線布置可靠，在焊接前后測(cè)量導(dǎo)葉上軸套相對(duì)于導(dǎo)葉中軸套的偏移。焊接前對(duì)焊接區(qū)域加熱至70℃，按照之前標(biāo)記的區(qū)域，由最深的對(duì)稱兩個(gè)區(qū)域開(kāi)始焊接，過(guò)程中注意焊接變形。依次將頂蓋底板所有區(qū)域焊接完畢?？瘴g區(qū)域補(bǔ)焊后見(jiàn)圖8所示。

圖6 空蝕區(qū)域打磨清根后

圖7 空蝕區(qū)域補(bǔ)焊后

4.4 空蝕補(bǔ)焊后打磨

用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)將頂蓋空蝕補(bǔ)焊后高出本體的部分進(jìn)行打磨，打磨過(guò)程先粗磨找平，再精磨修型。對(duì)打磨過(guò)程中出現(xiàn)低點(diǎn)的位置進(jìn)行補(bǔ)焊后重新打磨?？瘴g區(qū)域補(bǔ)焊打磨后見(jiàn)圖9所示。

4.5 探傷檢查

對(duì)精磨后的頂蓋底板進(jìn)行表面滲透探傷，探測(cè)補(bǔ)焊部分內(nèi)部有無(wú)裂紋或缺陷。

5 水輪機(jī)抗空化的措施[1， 4，5]

空蝕不僅會(huì)使水力機(jī)械的金屬材料被大量剝蝕，出現(xiàn)穿孔或掉邊的現(xiàn)象，還會(huì)伴隨著產(chǎn)生噪音和壓力脈動(dòng)，尤其是尾水管中的脈動(dòng)渦帶，當(dāng)其頻率一旦與相關(guān)部件的自振頻率相吻合，則必然引起共振，造成機(jī)組的振動(dòng)、出力的擺動(dòng)等，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的安全運(yùn)行。同時(shí)，當(dāng)水輪機(jī)中的空化發(fā)展到一定階段時(shí)，葉片的擾流情況將會(huì)變壞，從而減少了水力距，促使水輪機(jī)功率下降，效率降低。因此，改善水輪機(jī)的空蝕性能有著極其重要的意義。

圖8 空蝕區(qū)域補(bǔ)焊打磨后

目前，我國(guó)在水輪機(jī)防蝕方面的經(jīng)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)方面：

5.1 改善水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)

翼型空蝕：空化系數(shù)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(shù)越大，所以在滿足強(qiáng)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(huì)引起翼型上速度的上升，所以翼型最大擾度點(diǎn)移向進(jìn)口邊并減小出口邊附近的擾度，可降低空化系數(shù)。其次，葉片進(jìn)水變的繞流條件對(duì)翼型的空化性能也有很大影響，進(jìn)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(nèi)負(fù)壓尖峰的數(shù)值和變化幅度減小，能延遲空化的發(fā)生。

間隙空化：盡可能采用小而均勻的間隙來(lái)減小間隙空化。

空腔空化：改進(jìn)尾水管及轉(zhuǎn)輪上冠的設(shè)計(jì)能有效減輕空腔空化，加長(zhǎng)尾水管的直錐管部分和加大擴(kuò)散角，有利于提高轉(zhuǎn)輪下部錐管上方的壓力，以削減渦帶的形成。此外，加長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪的泄水錐，控制尾水管進(jìn)口的流速，影響渦帶的形成和壓力脈動(dòng)。

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(biāo)準(zhǔn)，葉片出水邊厚薄不均、相鄰葉片開(kāi)口不等，材料夾砂、氣孔、裂縫等這都將導(dǎo)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(yīng)具有：韌性強(qiáng)、硬度高、抗拉力強(qiáng)、疲勞極限高、應(yīng)變硬化好、晶格細(xì)、好的可焊性等綜合性能，以鎳鎘為基礎(chǔ)的各類高強(qiáng)度合金不銹鋼。

5.3 改善運(yùn)行條件并采用適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行措施

5.3.1 規(guī)定合理的運(yùn)行范圍

運(yùn)行水頭高的水輪機(jī)受到的空蝕強(qiáng)度較大，同一水輪機(jī)，偏離額定水頭越遠(yuǎn)，空蝕強(qiáng)度越大。

5.3.2 確定合理的檢修時(shí)間

在空蝕加劇期，空蝕量隨著發(fā)電時(shí)間急劇增加，因此，一般應(yīng)在空蝕加劇期來(lái)臨之前進(jìn)行大修。

5.3.3 合理選擇安裝高度

實(shí)際的吸出高度越小，其空化和空蝕的程度越輕。

5.3.4 補(bǔ)氣法

在運(yùn)行過(guò)程中采用補(bǔ)氣的辦法減小或消除水輪機(jī)尾水管中產(chǎn)生的空腔空蝕。這種方法對(duì)破壞空腔空蝕、吸收空蝕所產(chǎn)生的振動(dòng)有一定的作用。

6 結(jié) 語(yǔ)

水輪機(jī)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(jī)的空蝕破壞, 就必須從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等多個(gè)方面采取積極措施, 如設(shè)計(jì)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(zhì)量和安裝工藝, 改善水輪機(jī)運(yùn)行條使機(jī)組在合理的工況下運(yùn)行。只有這樣, 才能減少水輪機(jī)的空蝕, 延長(zhǎng)檢修周期, 更好地發(fā)揮機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。二灘水電站檢修人員通過(guò)對(duì)二灘水電站水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中空蝕情況的分析以及空蝕處理技術(shù)的探討和研究，有效解決了二灘水電站水輪機(jī)的嚴(yán)重空蝕問(wèn)題，發(fā)揮了水輪機(jī)的出力和效率，延長(zhǎng)了二灘水電站機(jī)組的使用壽命，提高了機(jī)組安全可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，爭(zhēng)取了二灘水電站最大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介:史寶平(1985-)，男，陜西楊凌人，重慶大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)，工程師，現(xiàn)于雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司從事電站運(yùn)行管理工作；

程 文(1987-)，男，陜西咸陽(yáng)人，西安理工大學(xué) 水電站動(dòng)力設(shè)備與管理畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)于雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司從事電站運(yùn)行管理工作；

檀曉龍(1989-)，男，湖北棗陽(yáng)人，武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電設(shè)備運(yùn)行與維護(hù) 畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)于雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司從事電站運(yùn)行管理工作.