混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪再造修復(fù)技術(shù)應(yīng)用和探索

楊王波，王地召，劉念，陳道全，尹仲凱

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng) 618000）

0 引言

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的過(guò)流部件之一，是水輪機(jī)的核心部件，俗稱水輪機(jī)的“心臟”，其質(zhì)量好壞關(guān)系到整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和效率。轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)壽命一般為30 a，當(dāng)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行周期達(dá)到設(shè)計(jì)壽命或由于轉(zhuǎn)輪運(yùn)行中受到不可抗因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，需要考慮對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行修復(fù)或更換。

混流式轉(zhuǎn)輪一般采用鑄焊結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其主要由上冠1、葉片2、下環(huán)3構(gòu)成，上冠、下環(huán)、葉片材質(zhì)一般均選用不銹鋼鑄件。老舊轉(zhuǎn)輪的主要質(zhì)量問(wèn)題有流道泥沙磨損嚴(yán)重、大面積氣蝕，甚至有應(yīng)力釋放產(chǎn)生的裂紋，這降低了水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率，運(yùn)行過(guò)程有安全隱患，嚴(yán)重影響到水電站的安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益，更換新轉(zhuǎn)輪或?qū)εf轉(zhuǎn)輪進(jìn)行再造修復(fù)成了用戶的必然選擇?？紤]到更換新轉(zhuǎn)輪成本高、制造周期長(zhǎng)，會(huì)影響電站效益，因此通過(guò)轉(zhuǎn)輪再造修復(fù)延長(zhǎng)其使用壽命顯得尤為重要。但由于轉(zhuǎn)輪流道型線復(fù)雜，空間通常較為狹小，轉(zhuǎn)輪流道的再造修復(fù)難度很大。

圖1 某混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)輪再造是讓舊轉(zhuǎn)輪重新煥發(fā)生命活力的過(guò)程，以舊轉(zhuǎn)輪為毛坯，采用特定工藝和技術(shù)，在原轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上進(jìn)行一次新的制造，再造轉(zhuǎn)輪的性能和質(zhì)量都不亞于新制造的轉(zhuǎn)輪。再造轉(zhuǎn)輪一般可節(jié)材超過(guò)70%，節(jié)能超過(guò)60%，節(jié)省成本50%以上，踐行了循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。目前服役超過(guò)30 a的水電站越來(lái)越多，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪再造前景廣闊，有必要進(jìn)行深層次研究。

1 某混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪情況介紹

該轉(zhuǎn)輪經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后出現(xiàn)的主要質(zhì)量問(wèn)題有：流道磨損；葉片出水邊變形；葉片出水邊厚度減薄；葉片出水邊與下環(huán)相接區(qū)域出現(xiàn)貫穿性裂紋[1-2]；上冠和下環(huán)外圓尺寸減小且有大量氣蝕缺陷；上冠止漏環(huán)槽磨損，其寬度和深度尺寸變大。其中葉片出水邊減薄、裂紋、氣蝕缺陷均非常嚴(yán)重，舊轉(zhuǎn)輪如圖2所示。

圖2 舊轉(zhuǎn)輪氣蝕、葉片裂紋和減薄情況

經(jīng)過(guò)初步測(cè)量，舊轉(zhuǎn)輪和原轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的主要尺寸參數(shù)差異如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)輪主要尺寸參數(shù)對(duì)比表

通過(guò)表1可以看出舊轉(zhuǎn)輪主要尺寸參數(shù)與原設(shè)計(jì)參數(shù)相比已發(fā)生重大改變，轉(zhuǎn)輪質(zhì)量和性能不符合設(shè)計(jì)要求，也導(dǎo)致了機(jī)組運(yùn)行時(shí)效率降低、噪聲變大、振動(dòng)嚴(yán)重的現(xiàn)象，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。對(duì)轉(zhuǎn)輪的磨損情況進(jìn)行了分析，主要是由于電站所處的河流泥沙情況特殊，轉(zhuǎn)輪磨損情況要劣于同類(lèi)型機(jī)組。

2 轉(zhuǎn)輪再造工藝流程

轉(zhuǎn)輪再造是統(tǒng)籌考慮轉(zhuǎn)輪全生命周期管理的系統(tǒng)性工程，利用舊轉(zhuǎn)輪采用再造成型技術(shù)，使轉(zhuǎn)輪恢復(fù)尺寸和性能、提升運(yùn)行可靠性、延長(zhǎng)使用壽命。轉(zhuǎn)輪再造過(guò)程的一般步驟包含舊轉(zhuǎn)輪檢測(cè)、舊轉(zhuǎn)輪建模、理論模型建立、模型對(duì)比分析、制定再造方案、執(zhí)行再造過(guò)程、轉(zhuǎn)輪檢測(cè)等，該轉(zhuǎn)輪再造工藝流程如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)輪再造工藝流程圖

2.1 建立三維模型

需要建立理論三維模型和實(shí)際三維模型。理論三維模型根據(jù)轉(zhuǎn)輪原開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)資料使用三維繪圖軟件進(jìn)行建模，屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，也即正向建模過(guò)程。而實(shí)際三維模型需要通過(guò)三維測(cè)量工具建立，一般使用激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂、工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)、工業(yè)掃描儀等三維測(cè)量?jī)x，通過(guò)三維測(cè)量輸出點(diǎn)云，再將點(diǎn)云導(dǎo)入三維繪圖軟件，通過(guò)創(chuàng)建曲線和曲面，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪實(shí)際三維模型建立，是從產(chǎn)品到設(shè)計(jì)的過(guò)程，也即逆向建模過(guò)程。

為了準(zhǔn)確地測(cè)繪出轉(zhuǎn)輪流道型線，對(duì)該轉(zhuǎn)輪分別使用了關(guān)節(jié)臂和工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行三維測(cè)量，如圖4、圖5所示。轉(zhuǎn)輪流道參數(shù)最重要的是轉(zhuǎn)輪葉片的型線、葉片之間的節(jié)距以及葉片的方位角，所以在三維測(cè)量時(shí)需要確定好葉片方位基準(zhǔn)，一般選取葉片頭部、葉片尾部、轉(zhuǎn)輪的任意加工平面為基準(zhǔn)。

圖4 關(guān)節(jié)臂測(cè)量

圖5 工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)

2.2 三維模型對(duì)比分析

轉(zhuǎn)輪再造需要保證其流道型線滿足原設(shè)計(jì)要求，那么需要對(duì)實(shí)際模型和理論模型進(jìn)行三維對(duì)比分析，確定舊轉(zhuǎn)輪流道型線的實(shí)際情況，來(lái)判斷流道各部位采用何種工藝方案，評(píng)估完成再制造的周期、成本和質(zhì)量指標(biāo)是否滿足客戶需求。將轉(zhuǎn)輪理論模型和實(shí)際模型（點(diǎn)云）輸入三維繪圖軟件，通過(guò)模型基準(zhǔn)調(diào)整，輸出實(shí)際模型和理論模型的差異參數(shù)，圖6和圖7分別是單個(gè)葉片的模型分析和轉(zhuǎn)輪流道模型分析[3]。

圖6 單個(gè)葉片模型分析圖

圖7 轉(zhuǎn)輪流道模型分析

分析結(jié)論：舊轉(zhuǎn)輪流道型線變化主要是葉片出水邊變形嚴(yán)重，變形量在葉片出水邊約30%L長(zhǎng)度范圍內(nèi)最大變形量約H1/2（L表示葉片長(zhǎng)度；H1表示葉片出水邊厚度），其余尺寸變化和表1轉(zhuǎn)輪初步測(cè)量數(shù)據(jù)相同。

2.3 再造工藝確定

根據(jù)舊轉(zhuǎn)輪三維模型和理論模型對(duì)比分析結(jié)論，制定轉(zhuǎn)輪再造工藝，葉片出水邊采用鑲塊工藝進(jìn)行修復(fù)，上冠止漏環(huán)槽、上冠下環(huán)外圓及其余氣蝕嚴(yán)重部位采用堆焊增材方式修復(fù)。

2.3.1 葉片出水邊鑲塊工藝

對(duì)于該電站舊轉(zhuǎn)輪而言，其流道的修復(fù)工藝是轉(zhuǎn)輪再造的核心技術(shù)，即葉片出水邊鑲塊技術(shù)。葉片出水邊鑲塊的主要工藝過(guò)程如下：

1）葉片局部割除。根據(jù)葉片出水邊變形情況和葉片出水邊與下環(huán)連接區(qū)域的裂紋情況確定鑲塊范圍，劃線確定葉片相應(yīng)割除范圍（保留葉片與上冠下環(huán)的焊接圓角，作為鑲塊裝焊基準(zhǔn)），采用氣割方式割除，預(yù)留一定加工余量。

2）缺口加工。根據(jù)葉片理論模型和實(shí)際葉片割除范圍（實(shí)際缺口）建立缺口加工模型，采用數(shù)控程序加工缺口周邊區(qū)域，缺口加工沿葉片法向進(jìn)行，如圖8所示。為節(jié)約成本，還可以先采用數(shù)控程序?qū)θ笨谶M(jìn)行刻線，然后采用氣割、手工打磨的方式按刻線基準(zhǔn)制作缺口。

圖8 葉片出水邊割除

3）建立鑲塊模型。結(jié)合建立好的缺口模型和葉片理論模型建立鑲塊模型，鑲塊和葉片缺口的焊接坡口采用K型坡口，坡口設(shè)置在鑲塊上，如圖9所示。

圖9 鑲塊模型建立

4）鑲塊制作?？蛇x用原轉(zhuǎn)輪材質(zhì)的不銹鋼鑄件或材質(zhì)相當(dāng)?shù)牟讳P鋼鋼板進(jìn)行鑲塊制作。在沒(méi)有特殊要求的情況下優(yōu)先選用不銹鋼鋼板，采用模壓工藝成型后進(jìn)行數(shù)控加工，與不銹鋼鑄件相比，具有制作周期短、質(zhì)量好、成本低的特點(diǎn)。

5）鑲塊裝焊。采用樣板定位，加裝支撐的工藝方法裝配和焊接鑲塊，確保鑲塊焊接后的相對(duì)位置關(guān)系滿足轉(zhuǎn)輪流道型線設(shè)計(jì)要求；焊縫鏟磨后進(jìn)行100%UT+100%MT/PT無(wú)損檢測(cè)探傷，確保焊縫質(zhì)量。鑲塊裝配和轉(zhuǎn)輪修復(fù)后的流道分別如圖10、圖11所示。

圖10 鑲塊裝配圖

圖11 修復(fù)后轉(zhuǎn)輪流道

2.3.2 上冠止漏環(huán)槽、上冠下環(huán)外圓修復(fù)工藝

轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)槽具有深度尺寸大、寬度尺寸小的特點(diǎn)，無(wú)法采用直接堆焊的方式完成。本轉(zhuǎn)輪再造中采取的修復(fù)方案是將上冠止漏環(huán)槽外圈進(jìn)行車(chē)修去除，對(duì)槽內(nèi)圈及底部進(jìn)行車(chē)修光整，同時(shí)對(duì)上冠和下環(huán)外圓進(jìn)行車(chē)修，使其滿足焊接要求后，采用機(jī)器人焊接的方式完成增材制造。相比人工堆焊，機(jī)器人焊接具備焊接質(zhì)量可控和穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠滿足轉(zhuǎn)輪質(zhì)量要求。

2.3.3 轉(zhuǎn)輪整體退火、加工

轉(zhuǎn)輪焊接后進(jìn)行整體退火處理，保證焊接應(yīng)力釋放。轉(zhuǎn)輪流道按照型線樣板進(jìn)行鏟磨，保證流道型線符合《水輪機(jī)通流部件標(biāo)準(zhǔn)》。轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)外圓及止漏環(huán)槽部位進(jìn)行車(chē)削加工，恢復(fù)設(shè)計(jì)尺寸。轉(zhuǎn)輪法蘭面進(jìn)行立車(chē)檢查和車(chē)削修復(fù)（消除再造過(guò)程引起的變形），以保證轉(zhuǎn)輪與主軸的連接。

2.3.4 轉(zhuǎn)輪流道檢查、靜平衡試驗(yàn)

再造轉(zhuǎn)輪的流道檢查可以采用樣板檢查或三維檢查，優(yōu)先采用三維檢查。三維檢查后對(duì)再造轉(zhuǎn)輪流道進(jìn)行二次逆向建模，和理論模型進(jìn)行比較分析，不僅可以檢驗(yàn)再造工藝的效果，同時(shí)能夠保證轉(zhuǎn)輪的整體質(zhì)量。

鑲塊位置靠近轉(zhuǎn)輪外圓，鑲塊的質(zhì)量和位置偏差對(duì)轉(zhuǎn)輪殘余不平衡重的影響較大，因此加工后需對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，通過(guò)配重達(dá)到允許殘余不平衡重要求。

2.3.5 轉(zhuǎn)輪表面特殊處理

對(duì)于泥沙含量高、硬度高流域的水輪機(jī)再造轉(zhuǎn)輪或新制造轉(zhuǎn)輪，應(yīng)對(duì)其止漏環(huán)外圓、葉片表面及整個(gè)流道噴抗磨涂層（大中型轉(zhuǎn)輪也可只噴涂葉片頭尾部及相應(yīng)流道區(qū)域），增加其抗高硬泥沙磨損的能力，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪的壽命周期。

3 轉(zhuǎn)輪再造周期、成本和質(zhì)量分析

以本文所述轉(zhuǎn)輪為例，該轉(zhuǎn)輪為中小混流式轉(zhuǎn)輪，分別對(duì)其再造修復(fù)流程和新制造流程周期進(jìn)行量化計(jì)算，如表2、表3所示。

表2 再造轉(zhuǎn)輪周期計(jì)算

表3 新制造轉(zhuǎn)輪周期計(jì)算

通過(guò)周期量化計(jì)算分析，中小混流式轉(zhuǎn)輪再造周期僅是新制造轉(zhuǎn)輪周期的30%，轉(zhuǎn)輪制造周期大幅縮短。

轉(zhuǎn)輪再造工藝過(guò)程較為復(fù)雜，再造增材部分主要由葉片鑲塊、焊縫和堆焊層的熔焊金屬組成，其質(zhì)量約為新制造轉(zhuǎn)輪質(zhì)量的16%，大幅降低了原材料的消耗，再造過(guò)程工時(shí)成本也比較低，因此轉(zhuǎn)輪再造成本低。

轉(zhuǎn)輪再造前期需要分別建立三維理論模型和實(shí)際模型，并對(duì)理論模型和實(shí)際模型進(jìn)行分析，確定再造工藝方案。轉(zhuǎn)輪再造完成后需要再次對(duì)流道進(jìn)行三維測(cè)量，以保證轉(zhuǎn)輪流道型線滿足水力設(shè)計(jì)要求。再造過(guò)程中選用和原轉(zhuǎn)輪相同或相當(dāng)材質(zhì)的增材材料，增加熱處理和無(wú)損檢測(cè)要求，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行缺陷處理。因此再造轉(zhuǎn)輪的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)能夠符合設(shè)計(jì)要求和滿足客戶使用要求，確保機(jī)組運(yùn)行的安全可靠和效率。

4 結(jié)語(yǔ)

再造轉(zhuǎn)輪具備周期短、成本低、質(zhì)量可靠的特點(diǎn)，深受客戶歡迎。同時(shí)，再造技術(shù)節(jié)約了材料和能耗，踐行了循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，代表著一種綠色先進(jìn)的制造技術(shù)。這種轉(zhuǎn)輪再造工藝非常符合水電站改造項(xiàng)目短平快的特點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)輪再造工藝過(guò)程中所使用的3D逆向工程可以推廣應(yīng)用到水輪機(jī)其余過(guò)流部件（具有型線要求）的模塊化修復(fù)，如單個(gè)葉片、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪室的修復(fù)，在電站檢修周期很短時(shí)更具有重要意義和價(jià)值。