混流式水輪機不銹鋼轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生原因及修復(fù)

  云峰發(fā)電廠4號水輪發(fā)電機組運行48年，轉(zhuǎn)輪氣蝕、裂紋破壞嚴重，已不能保證安全運行，2013年5月25日機組改造結(jié)束，更換的導(dǎo)水機構(gòu)及不銹鋼轉(zhuǎn)輪投入運行。在近4年的運行中，轉(zhuǎn)輪上冠出水邊仍有氣蝕破壞產(chǎn)生。2017年4月4號水輪發(fā)電機組進行了改造后的首次A級檢修，檢修中對轉(zhuǎn)輪氣蝕部位進行了修復(fù)。本文著重對轉(zhuǎn)輪氣蝕的產(chǎn)生原因進行分析，對轉(zhuǎn)輪氣蝕的修復(fù)方法進行了闡述。

   被譽為共和國水電長子的云峰水利樞紐工程，1955年由中方勘探設(shè)計，1958年中朝鴨綠江水利發(fā)電廠建設(shè)籌委會決議，由中朝雙方人員組成云峰聯(lián)合設(shè)計委員會，確定廠房及引水系統(tǒng)工程由中方設(shè)計、施工，大壩工程由朝方設(shè)計、施工。1959年4月完成了工程的初步設(shè)計，同年9月通過了初步設(shè)計審查并破土動工。1965年9月9日第一臺機組發(fā)電（4號機），1967年4月18日4臺水輪發(fā)電機組全部投產(chǎn)發(fā)電，同年大壩竣工，并于1971年由朝方移交中方負責運行、管理。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)，電站共安裝4臺混流式水輪發(fā)電機組，裝機容量為4臺×100 MW＝400 MW。1號、3號機組為中方50 Hz系統(tǒng)，向國家電網(wǎng)送電。2號、4號機組為朝方60 Hz系統(tǒng)，向朝鮮國家電網(wǎng)送電。

   云峰電站是中華人民共和國首座單機容量100 MW的水電站，現(xiàn)已安全運行50多年，為國家創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益的同時,由于設(shè)計經(jīng)驗的缺乏，加工能力的限制，以及電站運行工況等多種因素的影響，也暴露出許多問題，存在問題最多的是水輪機部分，而破壞最嚴重的部分為轉(zhuǎn)輪，由于轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞的面積越來越大，裂紋發(fā)生的頻次越來越高，導(dǎo)水機構(gòu)銹蝕等許多問題日益突出，已經(jīng)危及機組的安全運行。因此自2005年開始著手進行老舊機組的改造工作。為慎重起見，首先從最先投產(chǎn)發(fā)電，存在缺陷最多的4號機組開始，方案經(jīng)多次修改，2011年正式開始了云峰4號機組的改造工作，改造范圍重點為水輪機部分。機組改造2012年10月17日開始至2013年5月25日結(jié)束，歷時221 d完成。轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉及部分導(dǎo)水機構(gòu)零部件采用不銹鋼加工而成。通過近4年的運行，更換的水輪機各部件與原機組部件配合良好，振動減小，運行工況穩(wěn)定，導(dǎo)水機構(gòu)抗腐蝕性能良好，4號機組改造取得了成功。但水輪機轉(zhuǎn)輪上冠、葉片正、背根間的氣蝕依然發(fā)生、發(fā)展著。2017年4月我們對4號機組進行改造后的首次A級檢修，檢修中對轉(zhuǎn)輪氣蝕部位進行了修復(fù)。下面針對不銹鋼轉(zhuǎn)輪氣蝕的發(fā)生、發(fā)展原因進行分析，對轉(zhuǎn)輪氣蝕部位的修復(fù)進行闡述。僅供探討、參考和借鑒。4號機組是20世紀60年代由前蘇聯(lián)列寧格勒金屬工廠設(shè)計制造，至2012年10月，已安全運行48年。受當時設(shè)計、制造技術(shù)條件的限制，以及多年運行，機組存在的安全隱患有：轉(zhuǎn)輪葉片出口邊開口不均，導(dǎo)致運行時各個葉片壓力分布不平衡；機組多年運行轉(zhuǎn)輪金屬疲勞已達極限；轉(zhuǎn)輪氣蝕、裂紋修復(fù)補焊重復(fù)進行，導(dǎo)致葉片變形、質(zhì)量不平衡；朝鮮電網(wǎng)運行不穩(wěn)定，機組長期處在低于45~50 Hz低頻工況下運行，造成自然補氣能力差；推力軸承結(jié)構(gòu)不合理；上機架剛度不足等等。這些隱患都可能造成機組震動，影響最大的是水輪機部分，而破壞最嚴重的部分為轉(zhuǎn)輪，由于轉(zhuǎn)輪氣蝕面積越來越大，裂紋發(fā)生的頻次、數(shù)量越來越多，已經(jīng)危及機組以及系統(tǒng)的運行安全，機組改造勢在必行。

一、不銹鋼轉(zhuǎn)輪氣蝕檢查及運行情況

 1. 轉(zhuǎn)輪氣蝕情況

   2014年4月16日4號機組C級檢修首次發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞，在10號-11號、11號-12號葉片間上冠出水邊部位，面積100 mm×80 mm=0.08 m2,特征為表面失光失色，眼觀成灰白色。未發(fā)現(xiàn)明顯的氣蝕點。2014年4月-2017年4月共進行6次C級檢修，每一次檢查氣蝕面積都在增加，2017年4月7日A級檢修時，轉(zhuǎn)輪14個葉片上冠出水邊，均有不同程度的氣蝕破壞發(fā)生，氣蝕部位集中在上冠出水邊向進水方向延伸500mm與葉片正、背根上半圓弧間，最大的氣蝕面積發(fā)生在10號-11號葉片間，面積550 mm×20 mm=0.11平方米,最小氣蝕破壞發(fā)生在4號—5號葉片間面積150 mm×100 mm=0.015平方米，大部分氣蝕部位呈現(xiàn)不規(guī)則凸凹狀，深度在0.01~0.5mm之間，用手觸摸粗糙感明顯。氣蝕破壞嚴重的部位有3處，分別發(fā)生在10號葉片的背根部，11號葉片的正根部，8號葉片的背根部。深度在3~6 mm，面積在15~20 mm2范圍。

  2. 轉(zhuǎn)輪探傷檢查情況

  按照《云峰發(fā)電廠水輪發(fā)電機組標準化檢修作業(yè)流程》、《云峰發(fā)電廠水輪機檢修規(guī)程》要求，檢修前應(yīng)對轉(zhuǎn)輪進行著色探傷檢查。檢查區(qū)域為：轉(zhuǎn)輪上冠氣蝕發(fā)生部位；葉片與上冠連接處正、背根、葉片與下環(huán)連接處正背根部位；葉片進水邊海豚頭部位；上冠、下環(huán)過水面等。檢查后發(fā)現(xiàn)上冠、下環(huán)與葉片焊接部位存在有氣孔、夾渣等焊接缺陷。氣孔缺陷每條焊縫都存在，分布位置無規(guī)律，氣孔直徑多數(shù)在φ0.001~φ0.01 mm之間。直徑φ0.5~φ1 mm氣孔6處。夾渣缺陷6處，在葉片圓弧下方，分布位置無規(guī)律，面積在6~15平方毫米不等。

 3.轉(zhuǎn)輪更換后運行情況

   由于中朝電量差以及朝方電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定等多種因素的影響，4號機組2013年5月24日—2017年4月7日共運行15692小時。而中方3號機組2014年運行8409小時，且發(fā)電負荷遠遠超過4號機組。按此推論如果4號機轉(zhuǎn)輪安裝在1號機組上，氣蝕破壞的情況將更加嚴重。

二、水輪機轉(zhuǎn)輪氣蝕產(chǎn)生的原因分析

   4號機組轉(zhuǎn)輪氣蝕部位大致相同，14個葉片間的氣蝕面積卻相差較大，我們對每一氣蝕部位都進行檢查、分析，氣蝕產(chǎn)生原因有以下幾點：

   1. 轉(zhuǎn)輪斷面型線不規(guī)則產(chǎn)生的氣蝕：轉(zhuǎn)輪上冠、葉片、下環(huán)由數(shù)控機床加工后，按設(shè)計要求組裝定位，葉片與上冠、下環(huán)焊接由人工完成，焊接部位的型線，按樣板人工打磨修整。由于流道狹窄不利于作業(yè)人員操作，因此上冠出水邊的斷面型線差別較大。14個葉片發(fā)生氣蝕的面積相差的也非常懸殊，我們對氣蝕面積最小的4號5號葉片進行了重點分析，發(fā)現(xiàn)上環(huán)與葉片連接處的型線，直線段與圓弧連接近似相切，接近理想的正根型線。而氣蝕嚴重部位的面積比4號5號葉片上冠氣蝕面積大7倍多，原因為轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)原本平順運行的正壓水流在經(jīng)過局部缺陷流道斷面時，水壓力產(chǎn)生較大的波動，形成正、負壓區(qū)域，水流在正負壓力的變化中，水中氣泡易在該區(qū)域破裂形成高速射流（即水錘壓力），這種微觀射流沖擊伴隨著水流質(zhì)點對發(fā)生汽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)生微觀塑性變形和材料疲勞。造成金屬結(jié)晶顆粒脫落，形成初期氣蝕。當氣蝕反復(fù)作用在同一部位時，就會造成金屬表面變暗、粗糙、出現(xiàn)蜂窩等現(xiàn)象，與我們看到的氣蝕部位失光失色高度吻合。這是氣蝕產(chǎn)生的主要原因。

  2. 轉(zhuǎn)輪流道加工缺陷造成的氣蝕：在檢查中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪流道正根部位，多處存在褶皺缺陷，缺陷如圖。由于混流式水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪水流變化復(fù)雜，流道內(nèi)原本正壓的水流，因褶皺存在，渦流效應(yīng)頻繁，水流行進中正負壓力交替變化，造成了水錘的反復(fù)沖擊，人為原因造成了不應(yīng)有的氣蝕破壞。上冠出水邊原本就是氣蝕破壞的易發(fā)部位，由于焊接夾渣、氣孔及其他缺陷的存在，該區(qū)域氣蝕破壞產(chǎn)生的機率則更高。

  3. 轉(zhuǎn)輪焊接缺陷產(chǎn)生的氣蝕：為了提高效率，新轉(zhuǎn)輪增長了流道長度，葉片流道扭曲狹窄，這給人工焊接增加了難度，另外由于焊條本身缺陷，施焊后產(chǎn)生氣孔、夾渣缺陷就在所難免。

    氣孔的形成原因：氣孔缺陷是作業(yè)人員沒能嚴格按焊接工藝規(guī)程進行焊接導(dǎo)致。應(yīng)用施焊的G367M不銹鋼焊條，技術(shù)要求不用加溫和保溫，但產(chǎn)生如此多的焊接氣孔，是否可以在焊藥中增加防氣孔元素、焊接工藝中增加焊條干燥、防潮等措施避免氣孔的產(chǎn)生。

   夾渣缺陷產(chǎn)生原因：從缺陷形成的現(xiàn)象看可以斷定，夾渣是焊接藥皮沒有清理干凈造成的。有兩處氣蝕嚴重的部位是由夾渣和氣孔缺陷造成的。

   4. 轉(zhuǎn)輪組裝工藝不合理產(chǎn)生的氣蝕原理：轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)加工完成后，為了保證轉(zhuǎn)輪葉片位置的相對準確，在各部件表面畫好安裝基準線，為使安裝過程中不將基準線丟失，重要的控制點位用機械設(shè)備加工標記點，標記點直徑φ=2.5mm，在安裝完成后標記點沒有進行補焊消除，標記點坑造成局部的水流紊亂，因此產(chǎn)生嚴重的氣蝕破壞。

  5. 表面粗糙度達不到設(shè)計要求產(chǎn)生的氣蝕：轉(zhuǎn)輪加工完成后表面粗糙度加工是通過打磨和拋光完成的，表面粗糙度設(shè)計值為Ra1.6，上冠、葉片、下環(huán)機械加工后表面粗糙度可達到設(shè)計標準，粗糙度不達標的地方在轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)與葉片焊接區(qū)域，有局部區(qū)域可見清晰的磨痕，磨痕存在流道褶皺區(qū)域內(nèi)，也是發(fā)生氣蝕破壞的又一原因。

三、水輪機轉(zhuǎn)輪氣蝕修復(fù)

   根據(jù)檢修計劃，本次檢修轉(zhuǎn)輪沒有吊出基坑，為了處理好轉(zhuǎn)輪的氣蝕破壞，云峰電廠生產(chǎn)技術(shù)部根據(jù)設(shè)備檢修時間安排以及氣蝕的實際情況，提出了轉(zhuǎn)輪氣蝕處理意見，生產(chǎn)技術(shù)人員協(xié)商后形成了最終的處理方案,處理情況及工藝流程如下：

  1. 氣蝕破壞部位的清理：應(yīng)用手持電鉆夾持φ6 mm錐形合金銑刀頭摳除氣孔、夾渣、構(gòu)造線標記點造成氣蝕的破壞部分，以滿足焊接要求。由于正、背根部位氣孔較多，與哈電技術(shù)部門聯(lián)系確認，本次只對目測清晰可見的氣孔進行補焊處理。

  2. 轉(zhuǎn)輪安裝構(gòu)造線標記點清理：為了防止構(gòu)造線標記點產(chǎn)生氣蝕，本次檢修將對標記點清理補焊。

  3. 補焊施工：選用焊條型號為G367M不銹鋼焊條，該焊條專門用于不銹鋼轉(zhuǎn)輪焊接及修補，可滿足奧氏體、馬氏體、鐵素體金相組織結(jié)構(gòu)金屬的焊接。特點為：焊接性能良好，不需要預(yù)熱及保溫，操作工藝簡單，焊后工件焊道不易開裂。是迄今為止轉(zhuǎn)輪焊接施工工藝最為簡便的焊條。缺陷焊接為手工電弧焊接，選用直徑φ3.2mm電焊條，焊機選用交流弧焊機，電壓380V、電流90A。補焊范圍：清理完成的氣孔、夾渣、標記點等。

  4. 型線處理：由于4號5號葉片氣蝕面積最小，型線近似理想型線，因此上冠與葉片圓弧過渡型線原則上按理想型線處理，即圓弧與直線段相切。深度h≤1mm的氣蝕部位采用型線樣板控制，氣砂輪打磨至氣蝕消失方可進行，磨削至0.10~0.20mm余量，表面粗糙度Ra6.3轉(zhuǎn)下道工序。但由于時間、工位限制，型線處理與理想型線還有較大差距。另外褶皺缺陷區(qū)域，本次檢修由于時間及工位的限制，并沒有進行徹底處理，在下次檢修中應(yīng)作為重點檢查。

  5. 修磨表面拋光處理：轉(zhuǎn)輪修磨表面的拋光處理，使用工具為角向磨光機人工打磨，用Z60磨片去除剩余磨削余量，再用Z120磨片處理至粗糙度Ra3.2~1.6之間（受施工條件限制粗糙度無法全部達到設(shè)計值Ra1.6）。

   2017年5月12日至2017年6月2日，通過修補、型線修磨以及去除氣蝕破壞表面金屬的方法，完成了4號水輪機轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞的處理工作，基本達到了設(shè)計要求的技術(shù)標準。滿足設(shè)備運行的要求。

  云峰電站4號機HLA1090-LJ-395不銹鋼轉(zhuǎn)輪更換后，在3年多的運行實踐中，很好的解決了上冠進水邊、葉片，下環(huán)進、出水邊、葉片的氣蝕問題?？箽馕g性能的提高是可以肯定的，同時葉片沒有發(fā)生裂紋破壞，證明轉(zhuǎn)輪設(shè)計是科學的。滿足了復(fù)雜水流條件下的流態(tài)要求，為進一步優(yōu)化轉(zhuǎn)輪設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。然而上冠出水邊氣蝕破壞的原因是否如分析結(jié)果，還有待于時間和實踐的證明。另外G367M電焊條焊接氣孔缺陷是需要高度重視的，要避免轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞的發(fā)生我們要從每一個細節(jié)做起。總之要從根本上解決轉(zhuǎn)輪氣蝕問題可謂任重道遠。