水輪機(jī)槳葉氣蝕分析及處理

華振宇

華能海南發(fā)電股份有限公司清能分公司戈枕水電廠，中國·海南 ?？?572624

戈枕水電廠；水輪機(jī)；氣蝕；補(bǔ)焊；防范措施

1 引言

華能戈枕水電廠位于中國海南省西部東方市和昌江縣境內(nèi)，是海南島第二大河流昌化江干流三個梯級規(guī)劃電站的最下游一個梯級，戈枕水電廠為大廣壩水利水電二期（灌區(qū)）工程的配水樞紐工程，大壩混凝土壩頂高程為58.5 米，土壩頂高程為59 米，開發(fā)任務(wù)以灌溉和供水為主、兼顧發(fā)電等綜合利用。

華能戈枕水電廠為低水頭河床式電廠，具有日調(diào)節(jié)性能，電站正常蓄水和泄洪水位54.00m，相應(yīng)庫容1.04 億m3；死水位48.00m，相應(yīng)庫容0.63 億m3；調(diào)節(jié)庫容0.41 億m3。樞紐電站總裝機(jī)容量為80MW，采用2 臺單機(jī)容量40MW 的ZZ-LH-515 軸流轉(zhuǎn)漿機(jī)組。水輪機(jī)槳葉材質(zhì)為ZG06Cr13Ni-5Mo。

2 水輪機(jī)氣蝕產(chǎn)生的原因

氣蝕是指流體在高速流動和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象。氣蝕對水輪機(jī)金屬表面的破壞主要體現(xiàn)在機(jī)械破壞作用，化學(xué)作用及電化作用三個方面。其產(chǎn)生的原因是水輪機(jī)在工作時，壓力產(chǎn)生變化，水在一定的壓力及溫度下，開始產(chǎn)生“汽化”現(xiàn)象，在水流的低壓區(qū)產(chǎn)生一種水汽混合體的“汽泡”。水汽化產(chǎn)生的汽泡，隨著水流往前運(yùn)動，如進(jìn)入高壓區(qū)，由于壓力產(chǎn)生變化，汽泡內(nèi)的蒸汽又重新凝結(jié)成水。因?yàn)轶w積突然收縮，汽泡原來占有的空間形成“真空”。于是周圍的高壓水流高速沖進(jìn)這個空間，從而形成強(qiáng)大的水錘壓力。這種瞬間壓力能達(dá)到幾百個甚至幾千個大氣壓。同時，從水中分解出來的汽泡，在水錘作用下被壓縮，直到汽泡的彈性壓力大于水錘壓力時，汽泡停止壓縮，而且瞬間膨脹，在過流面上形成另一種水錘壓力。水輪機(jī)表面金屬在水錘壓力的反腐擊打下，金屬表面承受重復(fù)載荷，當(dāng)應(yīng)力超過了材料的疲勞極限時，金屬表面開始遭到破壞。這是機(jī)械破壞理論。同時，化學(xué)理論認(rèn)為，當(dāng)汽泡在高壓區(qū)被沖擊時會產(chǎn)生局部高溫，在高溫和高壓作用下，可能產(chǎn)生局部高氧化。電化學(xué)理論認(rèn)為，由于局部高溫在金屬中形成熱偶，形成微電池，引起金屬的電化學(xué)反應(yīng)。[1]

據(jù)研究表明，氣蝕的破壞開始時金屬表層產(chǎn)生塑性變形，但并沒有體積和質(zhì)量的損耗，有的尚未出現(xiàn)破壞痕跡，材料表層在可能發(fā)生氣蝕地區(qū)，金屬表面顏色開始變暗淡。在汽泡的微射流沖擊作用下，金屬開始產(chǎn)生氣蝕針孔，隨后在針孔壁處萌生裂紋，裂紋以疲勞方式向內(nèi)部擴(kuò)展，最后趨于平行表面方向擴(kuò)展。上述過程反復(fù)進(jìn)行，使表層材料不斷剝落。在金屬表面形成海綿狀凹凸不平的形狀。

3 水輪機(jī)氣蝕的分類

水輪機(jī)氣蝕根據(jù)不同的類型及易發(fā)生的區(qū)域可以分為以下幾類：

3.1 翼型氣蝕

多發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片出口邊附近，主要由于輪葉翼型的形狀所引起，當(dāng)水流繞流葉片時，在葉片背面的速度增加，從而引起壓力降低，當(dāng)某點(diǎn)壓力降至該水溫下的汽化壓力時，便產(chǎn)生翼型氣蝕。翼型氣蝕使輪葉形成蜂窩狀孔洞，若不及時檢修，可導(dǎo)致輪葉擊穿。

3.2 空腔氣蝕

多發(fā)生在尾水管內(nèi)。由于在尾水管內(nèi)的水流旋轉(zhuǎn)，使中心空腔處形成了真空而造成。嚴(yán)重時會引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動，影響水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 間隙氣蝕

一般發(fā)生在導(dǎo)葉端部間隙處、轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室之間和葉片與轉(zhuǎn)輪體之間的間隙處及尾水管內(nèi)。由于在非最優(yōu)工況下運(yùn)行時，水流通過某些間隙或較小的通道時，因局部流速升高，壓力降低到汽化壓力時而產(chǎn)生的。

3.4 局部氣蝕

多發(fā)生在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪固定螺釘處或轉(zhuǎn)輪室的各段連接處。由于過流部件表面的局部地方凸凹不平，從而使繞流的水流形成旋渦，當(dāng)旋渦中心壓力下降到汽化壓力時，便產(chǎn)生局部氣蝕。

4 戈枕水電廠水輪機(jī)氣蝕情況及分析

戈枕水電廠自2009年投運(yùn)以來，機(jī)組多數(shù)安排C 級檢修，未對水輪機(jī)過流部件進(jìn)行詳細(xì)的檢查。直到2012年12月進(jìn)行2 號機(jī)組B 級檢修時，再在尾水管搭設(shè)平臺進(jìn)行檢查。檢查發(fā)現(xiàn)2 號機(jī)組五片槳葉出水邊均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的氣蝕情況。氣蝕均呈三角形分布，面積約13×6cm，深度有1～5mm。在2014年1月，對1 號機(jī)組進(jìn)行C 級檢修時，槳葉也發(fā)現(xiàn)了同樣的問題，氣蝕面積、深度等數(shù)據(jù)和2 號機(jī)近似。（見圖1、2、3、4）

圖1 2012年12月戈枕2 號機(jī)組2#槳葉氣蝕情況

圖2 2012年12月戈枕2 號機(jī)組4#槳葉氣蝕情況

圖3 2013年5月戈枕1 號機(jī)組4#槳葉氣蝕情況

圖4 2013年5月戈枕1 號機(jī)組4#槳葉氣蝕情況

通過觀察圖片，我們可以看到戈枕水電廠水輪機(jī)槳葉已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的氣蝕，槳葉的出水邊槳葉流線和金屬，出現(xiàn)了海綿狀的孔洞，葉片邊緣原有的流線性已經(jīng)被破壞。根據(jù)情況可以判斷由翼型氣蝕。

對于氣蝕面積較大的原因，主要有幾個方面。首先，在機(jī)組投投運(yùn)進(jìn)4年的時間，由于經(jīng)驗(yàn)不足，沒有每年對槳葉進(jìn)行詳細(xì)、徹底的檢查；導(dǎo)致槳葉在氣蝕發(fā)生的初期沒有得到有效處理，在形成麻點(diǎn)和海綿狀氣蝕后，破壞速度加快，面積不斷增大。其次，電廠主要運(yùn)行的汛期，由于水流裹挾的泥沙增加，也加劇了氣蝕的進(jìn)一步發(fā)展。為了防止氣蝕的進(jìn)一步擴(kuò)大，保證機(jī)組安全。我廠決定利用檢修對槳葉進(jìn)行補(bǔ)焊。

5 槳葉氣蝕補(bǔ)焊修復(fù)方案

5.1 修復(fù)前的測量和準(zhǔn)備

修復(fù)前必須對葉片氣蝕的部位、長寬、深度進(jìn)行全面的測量和記錄。為了給槳葉補(bǔ)焊后打磨提供依據(jù)，必須做好葉片的出水邊形狀和葉片邊緣形狀的檢查樣板，樣板長度應(yīng)保持超過補(bǔ)焊區(qū)各邊不小于50mm 為宜：材質(zhì)宜選擇不易變形的硬塑料。打磨時以原有的樣板為標(biāo)準(zhǔn)，能夠最大程度地保證槳葉的原有形狀，使原有設(shè)計的水流形態(tài)不發(fā)生較大改變。

5.2 氣蝕部位的打磨和清理

補(bǔ)焊前用砂輪機(jī)打磨氣蝕部位，直到把氣蝕部位全部打磨掉，見到光潔無氣蝕痕跡的母材。用酒精或丙酮對補(bǔ)焊部位進(jìn)行清洗，保證沒有油污和其他雜質(zhì)。

5.3 焊接要求

我廠對槳葉氣蝕部位進(jìn)行補(bǔ)焊，選用的焊條牌號為：CHR507Mo，焊條直徑Ф3.2mm。使用前要在300-350℃下烘烤1 小時，并放入100-150℃保溫桶內(nèi)，隨取隨用；焊條烘干總次數(shù)不得超過3 次，防止藥皮脫落和開裂。為了保證焊接質(zhì)量，要求焊接速度應(yīng)控制在6-20cm/min，焊道擺動寬度應(yīng)小于12mm。厚度小于5mm。為了減小焊接內(nèi)應(yīng)力，要求每連續(xù)焊接三道后進(jìn)行過程中消應(yīng)處理，采用中小型風(fēng)鏟沖擊消應(yīng)。焊接后應(yīng)對補(bǔ)焊部位進(jìn)行打磨，打磨時應(yīng)用檢查樣板隨時檢查，要求打磨時應(yīng)保證表面光滑，無較為明顯的波浪或凹凸不平缺陷。在焊接完成并打磨，24 小時后進(jìn)行著色檢查，要求表面無裂紋或其它影響轉(zhuǎn)輪流道光滑的任何缺陷。

6 結(jié)語

本文對水輪機(jī)氣蝕產(chǎn)生的原因和類型進(jìn)行了簡單的論述，并結(jié)合本廠水輪機(jī)的實(shí)際情況，探討了槳葉氣蝕補(bǔ)焊方法。在以后的工作中利用每次檢修對槳葉進(jìn)行檢查，總結(jié)出氣蝕發(fā)生及擴(kuò)大的時間周期。尋找保證機(jī)組安全運(yùn)行和檢修經(jīng)濟(jì)性考慮的平衡點(diǎn)。為以后的水輪機(jī)定期檢修時是否對槳葉進(jìn)行補(bǔ)焊提供科學(xué)依據(jù)。