宋 巖，張 彪，吳 軍，邢志華

（云峰發(fā)電廠，吉林 集安 134200）

第一代100MW水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生原因分析及修復(fù)

宋 巖，張 彪，吳 軍，邢志華

（云峰發(fā)電廠，吉林 集安 134200）

混流式水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕是設(shè)備運(yùn)行中存在的重大隱患，且長期存在。云峰發(fā)電廠機(jī)組A、B級檢修以及每年春、秋兩季C級檢修中氣蝕檢查、修復(fù)是重要檢修工作之一。本文對轉(zhuǎn)輪氣蝕的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，對轉(zhuǎn)輪氣蝕的修復(fù)方法進(jìn)行了論述。

水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪；氣蝕；修復(fù)

0 引言

云峰水電站為引水混合式電站，位于鴨綠江中上游，集安市青石鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座中朝合資共同建設(shè)的電站。電站建設(shè)之初由于我國還不能生產(chǎn)100MW水輪發(fā)電機(jī)組，因此機(jī)組要從前蘇聯(lián)引進(jìn)，第一臺機(jī)組（4號）安裝還沒有完成，中蘇關(guān)系破裂，蘇聯(lián)撤走專家，也停止了設(shè)備的供應(yīng)。為了打破技術(shù)封鎖，哈爾濱電機(jī)廠承擔(dān)起新100MW水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造任務(wù)，僅用了1年時(shí)間，1966年6月23日，中華人民共和國自行設(shè)計(jì)制造出了第1臺100MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組（3號機(jī)組）。電站共安裝4臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為4臺×100MW＝400MW。水輪機(jī)型號和制造廠家分別為：1號~3號機(jī)組HL662-LJ-410（哈爾濱電機(jī)廠制造），這是新中國首次生產(chǎn)的最大功率的水輪發(fā)電機(jī)組；4號機(jī)組741-BM-380（前蘇聯(lián)列寧格勒金屬工廠制造）。額定工作水頭109.20m，最低水頭68.60m，額定流量135m3／s，額定轉(zhuǎn)速150r/min，吸出高度-2.5m。1號、3號機(jī)組為中方50Hz系統(tǒng)，向國家電網(wǎng)送電。2號、4號機(jī)組為朝方60Hz系統(tǒng)，向朝鮮國家電網(wǎng)送電。第一臺機(jī)組（4號）1965年9月9日投產(chǎn)發(fā)電。國產(chǎn)第一臺機(jī)組（3號）1966年6月23日投產(chǎn)發(fā)電。電站已運(yùn)行51年，機(jī)組運(yùn)行情況良好。相對比較，國產(chǎn)機(jī)組的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及穩(wěn)定性，均優(yōu)于蘇聯(lián)制造的機(jī)組。但又存在共同的缺陷，歷次機(jī)組檢修，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪都會(huì)有氣蝕破壞產(chǎn)生。由于機(jī)組運(yùn)行工況不同，轉(zhuǎn)輪氣蝕的程度也不同，輕的部位表面失光失色，部分金屬表面剝離；嚴(yán)重的部位表面看起來破壞并不大，電弧氣刨刨開后內(nèi)部金屬破壞非常嚴(yán)重，成骨質(zhì)疏松狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)，內(nèi)部破壞的面積比表面看到的破壞面積大幾倍或十幾倍。嚴(yán)重威脅了水輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此氣蝕的檢查、修補(bǔ)處理就顯得尤為重要?，F(xiàn)將云峰電廠2號機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片氣蝕的發(fā)生發(fā)展過程，以及2015年2號機(jī)組A級檢修過程中對轉(zhuǎn)輪氣蝕的處理方法介紹如下，僅供參考。

1 機(jī)組轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生、發(fā)展情況

云峰發(fā)電廠2號水輪發(fā)電機(jī)組1966年8月17日投產(chǎn)發(fā)電，截止到2016年6月30日，轉(zhuǎn)輪共進(jìn)行92次檢修，其中C級檢修70次，B級檢修12次，A級檢修10次。

轉(zhuǎn)輪主要技術(shù)參數(shù)：直徑4100mm，輪葉數(shù)14個(gè)，高度1860mm，材質(zhì)ZG20MSi。

（1）1首次發(fā)現(xiàn)氣蝕破壞時(shí)間為1966年9月23日，除1號、2號、3號葉片沒有記載外，其余11個(gè)葉片均有氣蝕破壞產(chǎn)生，氣蝕呈點(diǎn)狀分布，最大面積180×30=5400mm2=0.054m2，發(fā)生在11號葉片上。最大破壞深度2~3mm，發(fā)生在5號葉片上。由于本次檢查氣蝕破壞較輕，因此沒有對氣蝕進(jìn)行修補(bǔ)處理。氣蝕的產(chǎn)、分布情況見下頁圖1、圖2所示。

（2）2號水輪機(jī)首次進(jìn)行氣蝕破壞修補(bǔ)時(shí)間為1967年1月3日~1967年1月10日，該機(jī)組自1966年8月17日投產(chǎn)發(fā)電，僅運(yùn)行了5個(gè)月，但氣蝕破壞卻很快，轉(zhuǎn)輪的14個(gè)葉片均有較嚴(yán)重的氣蝕發(fā)生，每個(gè)葉片的氣蝕面積不小于12000mm2，最大的氣蝕面積在14號葉片上，已發(fā)展到600× 250=150000mm2=0.15m2。最深的氣蝕發(fā)生在13號葉片上，深度達(dá)13~16mm。氣蝕總面積達(dá)1.35m2。氣蝕發(fā)展、分布情況見圖2所示：另外檢查中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪6號、7號、13號葉片沒有裂紋，其余的葉片均有裂紋產(chǎn)生，11條裂紋長度在10~40mm之間，均為貫穿性裂紋。40mm的裂紋2條，在11號、14號葉片上。25mm錯(cuò)位裂紋1條，在12號葉片上。全部裂紋均發(fā)生在葉片出水邊與上冠交接處70mm范圍內(nèi)。本次檢修對氣蝕和裂紋進(jìn)行了修補(bǔ)。此后每次C、B、A級檢修都要進(jìn)行轉(zhuǎn)輪裂紋的修補(bǔ)，由于C級檢修時(shí)間較短（7d）一般情況下不進(jìn)行轉(zhuǎn)輪氣蝕的修補(bǔ)，特殊情況下除外。B、A級檢修都要進(jìn)行轉(zhuǎn)輪氣蝕的修補(bǔ)。

（3）4號、5號、6號轉(zhuǎn)輪葉片運(yùn)行5個(gè)月后氣蝕發(fā)展情況對比如圖1，圖2。

圖11966 年氣蝕記錄

圖21967 年氣蝕記錄

（4）轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞最嚴(yán)重發(fā)生在2012年3月27日～2012年6月4日的A級檢修中。3號葉片氣蝕面積最小1.0458m2，4號葉片氣蝕面積最大2.1860 m2，總氣蝕面積21.2976m2。同時(shí)發(fā)現(xiàn)6條裂紋，均為貫穿性裂紋，分別在2號、8號、9號、10號、11號、14號葉片上。最長裂紋200mm，在9號葉片上。

2 機(jī)組轉(zhuǎn)輪的氣蝕分布情況

2015年我們對2號機(jī)組進(jìn)行了A級檢修，檢修時(shí)間：2015年10月8日~2016年1月10日。檢查中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪氣蝕情況嚴(yán)重，此時(shí)距上一次氣蝕修補(bǔ)僅過了28個(gè)月。檢修情況如下：

（1）轉(zhuǎn)輪總體情況：轉(zhuǎn)輪外擴(kuò)形態(tài)正常，由于多年氣蝕、裂紋修補(bǔ)，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和R角處補(bǔ)滿不銹鋼，氣蝕破壞輕重不一隨處可見。葉片型線整體情況良好，修補(bǔ)打磨處不規(guī)則，可見折痕，砂輪磨痕。沒有修補(bǔ)處銹蝕嚴(yán)重，可見少量防腐漆膜。

（2）轉(zhuǎn)輪葉片氣蝕分布情況：水輪機(jī)葉片氣蝕嚴(yán)重，氣蝕中心以上冠、下環(huán)和R角處為主，氣蝕總面積：1.9117m2，轉(zhuǎn)輪上冠氣蝕比下環(huán)嚴(yán)重。氣蝕面積最大的葉片是14號葉片（0.2573m2），氣蝕面積最小的葉片是3號葉片（0.0578m2），氣蝕平均深度為6~8mm，氣蝕最大深度30~50mm，發(fā)生在2號、14葉片上冠處，轉(zhuǎn)輪1號、2號、4號、6號、7號、8號、9號、10號、11號、12號、14號葉片處均有較嚴(yán)重的氣蝕產(chǎn)生。詳見表1：

（3）轉(zhuǎn)輪其中2處氣蝕情況如圖3、圖4：

圖3 氣蝕情況

圖4 氣蝕情況

3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生的原因分析

由于混流式水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪水流變化復(fù)雜，導(dǎo)致氣蝕產(chǎn)生的原因很多，云峰發(fā)電廠水輪機(jī)氣蝕類型常見的有以下幾種：葉型氣蝕、空腔氣蝕、間隙氣蝕等等。根據(jù)多年的檢修情況，對云峰發(fā)電廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生的原因分析如下：

（1）轉(zhuǎn)輪氣蝕理論：一般自然水中含有一定量的空氣，大大降低了水的體積強(qiáng)度，水流在水輪機(jī)中運(yùn)動(dòng)存在某些高速低壓區(qū)，當(dāng)該區(qū)域水流壓力降低到當(dāng)時(shí)水溫下的汽化壓力時(shí)，則產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡被帶到相對低壓高速區(qū)時(shí)開始被壓縮，凝聚以致迅速破裂，氣泡破裂形成高速射流，當(dāng)氣泡半徑縮小到原來半徑的1/50時(shí)，該射流速度接近水中高速。因而產(chǎn)生局部的巨大沖擊力（即所謂的水錘壓力，可達(dá)到數(shù)百甚至上千個(gè)大氣壓）。然后被強(qiáng)烈碰撞的水質(zhì)點(diǎn)有急劇的方向相反方向擴(kuò)散，從而造成該處氣泡壓力又急劇降低（亦稱負(fù)水錘壓力）。形成周期性壓力脈動(dòng)。這種微觀射流沖擊伴隨著水流質(zhì)點(diǎn)對發(fā)生氣蝕部位的金屬表面不斷的壓入和吸出，使該部位金屬表面發(fā)生微觀塑變和材料疲勞。造成金屬結(jié)晶顆粒脫落，形成初期氣蝕。當(dāng)氣蝕反復(fù)作用在同一部位時(shí)，就會(huì)造成金屬表面變暗、粗糙，出現(xiàn)蜂窩導(dǎo)致穿孔或斷裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪嚴(yán)重破壞。同時(shí)氣蝕過程中氣泡被壓縮，高速?zèng)_擊金屬表面的微觀塑性變形產(chǎn)生局部高溫氧化，電解作用也加速了氣蝕破壞的進(jìn)程。

（2）低頻低壓的影響：云峰2號水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)電壓為220kV、頻率為60Hz，為朝鮮供電機(jī)組。由于朝鮮系統(tǒng)的原因,常年在低壓150kV、低頻45~47Hz狀態(tài)運(yùn)行，因此機(jī)組運(yùn)行時(shí)空化嚴(yán)重，水流壓力脈動(dòng)加劇，從而使上冠、下環(huán)負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生氣蝕，引起機(jī)組震動(dòng)。

（3）轉(zhuǎn)輪材質(zhì)的影響：轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)為ZG20SiMn,含碳量為0.2%左右，該材質(zhì)剛度有余而韌性不足，經(jīng)過多年對氣蝕、裂紋焊接修復(fù)，形成較大的濃度梯度,易形成碳遷移,使焊接側(cè)的韌性下降,產(chǎn)生疲勞裂紋，從而惡化局部的水利條件，導(dǎo)致氣蝕產(chǎn)生。另外ZG20SiMn為珠光體組織,而奧102不銹鋼焊條焊后為低碳馬氏體組織,兩種組織的線膨脹系數(shù)相差較大,焊接的過程中會(huì)形成較大的殘余應(yīng)力,在機(jī)組運(yùn)行過程中,殘余應(yīng)力迭加在靜應(yīng)力之上,加速轉(zhuǎn)輪氣蝕的產(chǎn)生。

（4）轉(zhuǎn)輪葉片型線的影響：云峰電廠1號、2號、3號水輪機(jī)組上世紀(jì)60年代生產(chǎn)，是新中國成立后首次生產(chǎn)的100MW水輪發(fā)電機(jī)組。由于加工能力有限，轉(zhuǎn)輪葉片完全手工打磨生產(chǎn)，葉片加工精度較低，水流不能平順過度，造成的局部紊流及壓力脈動(dòng)。其次由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較少，對轉(zhuǎn)輪葉片型線的設(shè)計(jì)也存在缺陷，這些都是導(dǎo)致氣蝕產(chǎn)生的直接原因。另外由于多年來轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生氣蝕、裂紋后的焊接修補(bǔ)，致使轉(zhuǎn)輪型線、金相組織進(jìn)一步惡化，形成較大濃度梯度以及碳遷移,使焊接側(cè)的韌塑性下降,間接地惡化了流態(tài)，負(fù)壓區(qū)、空化區(qū)增加，導(dǎo)致氣蝕破壞更加嚴(yán)重。

4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕修補(bǔ)

4.1 氣蝕部位清理

我們常用碳弧氣刨清理氣蝕破壞方法施工。在確定的修補(bǔ)區(qū)域內(nèi)，氣蝕破壞部位要徹底清理干凈。對氣蝕嚴(yán)重的部位，碳弧氣刨應(yīng)進(jìn)行多次吹割,要求將氣蝕部位成骨質(zhì)疏松狀破壞結(jié)構(gòu)全部去除。這種方法操作簡便,速度快。缺點(diǎn)是清理過的金屬表面易形成新的滲碳層,需要用角向磨光機(jī)或砂輪機(jī)將滲碳層清理干凈，直至露出母材的金屬光澤后才可以焊接工作。葉片氣蝕、碳弧氣刨清理后情況見圖5、圖6。

圖5 氣蝕處理情況

圖6 氣蝕處理情況

4.2 氣蝕補(bǔ)焊工藝

轉(zhuǎn)輪氣蝕補(bǔ)焊，我們多年來一直采用J507低氫焊條和奧102不銹鋼焊條冷焊修補(bǔ)。根據(jù)氣蝕位置、深度不同，焊接前需對焊口部位劃分不同的預(yù)熱區(qū)域，制定不同的加熱方案，可避免轉(zhuǎn)輪整體加熱時(shí)間長，環(huán)境溫度過高，給操作人員造成的傷害等問題。優(yōu)點(diǎn)是能夠減小施焊區(qū)域的應(yīng)力和形變，焊接過程中相變影響較小,焊接工藝簡單，且焊縫的塑性較好。具體操作按下列順序進(jìn)行：

（1）氣蝕補(bǔ)焊使用的J507、奧102不銹鋼焊條，需要在300℃溫度下烘干1.5~2h，在100℃恒溫下進(jìn)行保溫。一般情況應(yīng)用J507焊條打底、采用奧102不銹鋼焊條進(jìn)行中間部分及表面封焊。深度小于5mm的氣蝕修補(bǔ)，可直接應(yīng)用奧102不銹鋼焊條補(bǔ)焊。

（2）補(bǔ)焊應(yīng)嚴(yán)格按照制定的施焊工藝進(jìn)行。轉(zhuǎn)輪的氣蝕補(bǔ)焊，采用對稱、轉(zhuǎn)流、分塊焊的工藝施工。尾水管里襯補(bǔ)焊面積較大的氣蝕也應(yīng)采用對稱、分塊焊的方法進(jìn)行，防止應(yīng)力集中。每塊焊接面積不可過大，應(yīng)控制在20~30cm2內(nèi)為宜，避免連續(xù)施焊造成的應(yīng)力變形。

（3）對補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱溫度為100~150℃，對挖補(bǔ)區(qū)域采用局部加熱,可使用中性氧乙炔火焰在坡口處來回移動(dòng)加熱。這樣做能有效減少補(bǔ)焊區(qū)的應(yīng)力集中及改善焊縫的金相組織,特別是焊縫與基材過渡區(qū)的熱影響域,防止產(chǎn)生焊接裂紋。

（4）對于氣蝕破壞較深、且面積較大的部位，采用抗裂性好的J507焊條打底過度、施焊可采用分段、退步焊接技術(shù),焊道不能太長,每段長不大于100~150mm即可。特殊部位焊道長度也應(yīng)控制在300mm以內(nèi),由中間向兩側(cè)焊接。為防止接頭處平齊而影響焊縫質(zhì)量,分段接頭處應(yīng)逐層錯(cuò)開搭接,錯(cuò)開長度20~30mm為宜。表面封焊厚度5~6mm。

（5）在氣蝕補(bǔ)焊過程中，焊接采用直流電焊機(jī)小電流短弧焊法，電流為100~110A，電壓為24~26V，運(yùn)條的速度應(yīng)均勻，電弧應(yīng)穩(wěn)定；層間溫度控制在150~200℃，焊接速度控制在60~120mm/min。焊鏈光滑不缺焊、不咬邊，焊縫中不得有氣孔、夾渣、裂紋、未焊透等缺陷。防止因電流太大金屬熔化較深，熱影響區(qū)域擴(kuò)大。

（6）多層焊接時(shí)，第二道焊道最少蓋住第一道焊道1/3,這樣才可以對第一道焊道起到一定的回火作用，從而減少應(yīng)力集中。對較大的氣蝕補(bǔ)焊面積，每一層的焊道接頭及層與層之間焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開，錯(cuò)開距離50~60mm。

（7）錘擊方法消除焊接應(yīng)力，除第一道焊道和退火層外，其余焊道均進(jìn)行錘擊。每完成一條焊道的焊接，馬上對焊道進(jìn)行錘擊，錘擊可用風(fēng)動(dòng)工具進(jìn)行也可以用手工操作進(jìn)行，以釋放焊接應(yīng)力；錘頭應(yīng)采用不銹鋼材料，避免滲碳，并且要將錘頭磨成半徑為1.5~2.0mm的圓，錘擊點(diǎn)要快、輕、密集均勻。

（8）焊接后保證焊接部位溫度不低于100℃，進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間越長越好，一般不低于1~2h，后再緩冷至室溫。保溫期間焊接部位用石棉被蓋好。

（9）如果轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)處同時(shí)存在裂紋、氣蝕，焊接順序如下：先裂紋后氣蝕，先上冠部位后下環(huán)部位。即補(bǔ)焊上冠裂紋-下環(huán)裂紋-上冠氣蝕-下環(huán)氣蝕然后補(bǔ)焊其它部位裂紋。以減小應(yīng)力集中的影響。對出水邊靠近上冠側(cè)魚頭部位葉片，進(jìn)行局部補(bǔ)焊處理區(qū)域，修磨后的邊沿應(yīng)光滑過渡，保持原型線。

（10）轉(zhuǎn)輪及尾水管護(hù)壁氣蝕修補(bǔ)后，需用電弧氣刨將焊接處多余的部分去除，磨削余量控制在高出原型線表面1~2mm為宜，最后按原線型用風(fēng)砂輪打磨平滑即可。處理后的葉片見圖7。

圖7 氣蝕修補(bǔ)后情況

5 結(jié)語

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕造成的破壞是水電廠長期存在的安全隱患，也是世界水利科學(xué)史上的難題，云峰電廠轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生的主要原因有3點(diǎn)：1）葉片型線不規(guī)范；2）所應(yīng)用的材質(zhì)存在缺陷；3）機(jī)組運(yùn)行工況不良。近些年新建的大中型水電站普遍采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪，目的想解決氣蝕和裂紋等問題。從檢修情況看，氣蝕、裂紋發(fā)生雖有所減輕，但是轉(zhuǎn)輪裂紋仍沒有從根本上解決。云峰電站4號機(jī)2013年5月更換了材料為ZG04Gr13Ni5MO的不銹鋼轉(zhuǎn)輪，運(yùn)行近3年，在今年4月進(jìn)行的C級檢修工作時(shí)發(fā)現(xiàn)，上冠有部分地方已出現(xiàn)失光失色現(xiàn)象，是否為氣蝕還需要在下一檢修周期檢驗(yàn)。但是很多電站不銹鋼轉(zhuǎn)輪，均發(fā)現(xiàn)有氣蝕和裂紋產(chǎn)生，如果還采用以往的焊接工藝修補(bǔ)氣蝕、裂紋，型線改變是必然的，氣蝕、裂紋的產(chǎn)生就不可避免，因此單純改變轉(zhuǎn)輪材質(zhì)并不能從根本上解決氣蝕、裂紋的產(chǎn)生。那么可以從改變轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形態(tài)等多方面入手，提高轉(zhuǎn)輪在復(fù)雜水流條件下的適應(yīng)能力，避免轉(zhuǎn)輪氣蝕、裂紋的產(chǎn)生。另外盡量避免機(jī)組在低頻低壓、低負(fù)荷、低水頭機(jī)組易產(chǎn)生震動(dòng)的工況下運(yùn)行，規(guī)范開停機(jī)操作。

[1]陳伯鑫.金屬焊接性基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]王者昌，陳懷寧.水輪機(jī)葉片裂紋的產(chǎn)生及對策[J].大電機(jī)技術(shù)，2003(6)：51-57.

[3]林成發(fā).水輪機(jī)導(dǎo)葉氣蝕及處理方法[J].華電技術(shù),2009(05).

TK730.8

B

1672-5387（2017）05-0024-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.006

2016-07-28

宋 巖（1962-），男，高級技師、高級工程師，從事水電站機(jī)械設(shè)備檢修、運(yùn)行及技術(shù)管理方面的工作。