湯建勛，胡志明

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

緊水灘水電站轉(zhuǎn)輪上冠及尾水管里襯的汽蝕處理

湯建勛，胡志明

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

在緊水灘水電站2號機組的擴大性大修中，根據(jù)轉(zhuǎn)輪上冠、尾水管里襯汽蝕的特點，通過分析常規(guī)不銹鋼堆焊方法的缺點，結(jié)合實際情況，對轉(zhuǎn)輪上冠的汽蝕采用了傳統(tǒng)處理方法，對尾水管里襯的汽蝕采取了不銹鋼鑲焊的方法進行了處理。

汽蝕；堆焊；不銹鋼鑲焊

1 概述

緊水灘水電站座落于云和縣境內(nèi)的甌江支流龍泉溪上，總裝機容量為50×6=300 MW，共6臺水輪發(fā)電機組，全部由杭州發(fā)電設(shè)備廠制造，6臺機組分別于1987至1988年間先后投產(chǎn)發(fā)電。在系統(tǒng)中初期擔任基腰荷，后期與浙南其他水電站聯(lián)合運行擔任峰荷，并有調(diào)相要求。水輪機設(shè)備的有關(guān)參數(shù)情況如下：水輪機型號為HL220-LJ-300，設(shè)計水頭為69 m，設(shè)計水頭時水輪機的出力為51 500 kW，設(shè)計水頭時的流量為84.7 m3/s，導水機構(gòu)中心線安裝高程為99.6 m，吸出高度≤-2.5 m；為破壞轉(zhuǎn)輪處、尾水管內(nèi)真空，減少各過流部件的汽蝕破壞和振動，緊水灘水電站水輪機在其大軸中心裝有吸力空氣孔，通過主軸上端法蘭上的徑向孔和中心孔實現(xiàn)了主軸中心補氣、并在尾水管處裝有十字補氣架，向轉(zhuǎn)輪出口處補入空氣，以及在頂蓋上裝有真空破壞閥來補氣，主要防止導水葉緊急關(guān)閉時，下游水位對機組的水錘作用；尾水管是安裝在水輪機尾水，流速高，受力大的錐管部分，為防止水流對混凝土的沖刷及脈動水壓力，里襯的材料為A3鋼板，厚度為14 mm；水輪機轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪的上冠采用ZG20SiMn鑄鋼，葉片和下環(huán)采用ZG0Cr13Ni4Co-Mo不銹鋼分別鑄造，然后再焊成轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪直徑為3 m，共有14張葉片；機組布置有24張材料為A3鋼的導水葉。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

我廠于2014年10月對緊水灘水電站的2號機組進行了擴大性大修，對機組的汽蝕情況檢查如下：

在對尾水管的檢查中發(fā)現(xiàn)，機組尾水管的錐管段中仍有嚴重汽蝕區(qū)，位于十字架補氣裝置支臂與錐管段四個連接處的右下方。每個汽蝕區(qū)有兩個比較接近的小汽蝕區(qū)組成，呈蝴蝶形。按照以往的處理方法是，首先用風砂輪將汽蝕部分磨去，再用A207不銹鋼焊條進行堆焊，最后進行修型處理。但是，機組經(jīng)4年運行后，就會發(fā)現(xiàn)與此次一樣的情況：上次經(jīng)堆焊的不銹鋼材料上無汽蝕，而在不銹鋼外的母材上出現(xiàn)嚴重的汽蝕，靠近不銹鋼區(qū)域，并且已延伸至不銹鋼的根部。根據(jù)對2號機組的汽蝕區(qū)域測量，小汽蝕區(qū)的面積約430 mm×180 mm至300 mm×140 mm之間，深度約為4 mm至10 mm之間，最深處達12 mm。

對轉(zhuǎn)輪的檢查中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)前兩輪大修的汽蝕補焊、修型，此次未發(fā)現(xiàn)汽蝕，上冠汽蝕嚴重，最大深度達8 mm，總面積為161 200 mm2，處理按打磨—補焊—修型的順序進行，直至合格。汽蝕面積如表1：

表1 2號機轉(zhuǎn)輪上冠汽蝕面積匯總表 單位：mm2

3 對常規(guī)處理方法的分析

3.1 尾水管里襯的汽蝕處理

根據(jù)以往的工作經(jīng)驗，對緊站2號機組尾水管里襯的堆焊處理需要電焊工2名，打磨工2名，消耗工日7個；通過分析此次的汽蝕產(chǎn)生區(qū)域的實際情況認為：汽蝕區(qū)域情況較為嚴重，具有面積大，深度深（最深處達12 mm）的特點；在處理過程中，汽蝕區(qū)打磨困難，堆焊時，由于極易因焊透母材（最薄處厚度僅為2 mm）而產(chǎn)生冒水現(xiàn)象，因此將嚴重影響焊接質(zhì)量；從工作環(huán)境的角度來看，由于工作量大，處理時間長，在保證大修工期的前提下，大部分的處理時間在尾水管的上部轉(zhuǎn)輪或工作平臺上，因尾水管內(nèi)的通風條件很差，打磨、堆焊所產(chǎn)生的大量粉塵或煙塵難以排出，將會嚴重影響工作人員的身體健康。通過對常規(guī)處理方法的分析認為，對緊站2號機組尾水管里襯的汽蝕進行不銹鋼堆焊處理是不科學的。

3.2 轉(zhuǎn)輪上冠的汽蝕處理

對于轉(zhuǎn)輪上冠的汽蝕處理，在裝配間進行。首先，將轉(zhuǎn)輪翻身使上冠汽蝕面朝上，根據(jù)所標記的汽蝕部位，用碳弧氣刨進行清根處理，然后再用砂輪機除去滲碳層，接下來進行堆焊處理。此方法為傳統(tǒng)的處理方法，各項條件均符合要求，認為是可行的。

4 處理工藝的確定

4.1 不銹鋼焊條的選擇

不銹鋼是一種具有抗氧化和耐腐蝕性能同時還具有耐熱性能的高合金鋼，在高鉻不銹鋼中加入適量的Ni，就會形成奧氏體不銹鋼，所以選用奧氏體的不銹鋼焊條是一種理想的抗汽蝕材料。通過參考有關(guān)資料，列出所選用奧氏體不銹鋼焊條性能及用途如表2。

表2所列的兩種焊條的特性為：A207焊體的藥皮類型代號為15，該種焊條有著電弧不夠穩(wěn)定，飛濺較多，脫渣性稍差，焊縫外觀容易成凸形，焊波較粗，適用于直流電源；A302的藥皮類型代號為16的焊條，具有良好的焊接工藝性能，電弧柔軟，飛濺少，焊縫光滑，成型美觀，一般熔深稍淺，可進行全位置焊接。根據(jù)以上的焊條特性，選用A207焊條作為堆焊焊條，以便于修磨，選用A302焊條作為對焊焊條，以提高焊接強度。

表2奧氏體不銹鋼焊條性能以及用途

4.2 尾水管里襯的汽蝕處理工藝

隨著企業(yè)設(shè)備管理水平的提高，減化設(shè)備的劣化程度，延長設(shè)備的檢修周期已顯得越來越重要了，我們應(yīng)努力做到從根本上解決尾水管里襯的汽蝕問題；社會在不斷地發(fā)展，對企業(yè)員工的勞動保護也成為了企業(yè)在組織生產(chǎn)時應(yīng)考慮的一個重要環(huán)節(jié)，尾水管內(nèi)陰暗潮濕，不通風，我們應(yīng)努力改善尾水管內(nèi)的作業(yè)環(huán)境，盡量減少作業(yè)時間。

從汽蝕產(chǎn)生的部位分析，形狀呈蝴蝶形且都位于十字架補氣管根部的右下側(cè)。

從轉(zhuǎn)輪室的工作環(huán)境和汽蝕產(chǎn)生的原因分析，機組在停機情況下，尾水管里襯受相對穩(wěn)定的水壓力作用，而機組在運行工況下，當水輪機偏離設(shè)計工況較遠運行時，嚴重破壞了無撞擊進口和法向出口的最優(yōu)能量轉(zhuǎn)換條件，轉(zhuǎn)輪出口處絕對速度加大，使轉(zhuǎn)輪出口水流產(chǎn)生正（或反）方向的旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)輪后形成螺旋形搖擺真空渦帶，當渦帶中心壓力下降到當時水溫下的汽化壓力以下時，便產(chǎn)生了空腔汽蝕。該渦帶周期性地掃射尾水管上部管壁，從而造成汽蝕破壞。

從材料上來分析，尾水管里襯采用的是普通材料：A3鋼板，所以抗汽蝕性能很差而不銹鋼材料則有著很好的抗汽蝕性能。從以往對汽蝕區(qū)的大面積不銹鋼堆焊后的運行情況來看，不銹鋼板能夠滿足該處的強度要求，而且對于材料為1Cr18Ni9Ti的不銹鋼板，其合金元素含量大于3%，含碳量小于0.18%，在常溫下具有良好的焊接性能。

根據(jù)以上的分析認為，將尾水管里襯的易汽蝕部位的材料更換為抗汽蝕性能很強的材料，只要保證強度，就能從根本上解決該處的汽蝕問題。因此，我們決定采用不銹鋼鑲焊的處理方法，實施的程序如下：首先用汽割切除汽蝕區(qū)母材（要求面積略大于汽蝕區(qū)）并修出焊接坡口，接著蓋上已加工成型的不銹鋼并按焊接工藝用A302焊條進行焊接，最后對焊縫進行修型處理。

4.3 轉(zhuǎn)輪上冠的汽蝕處理工藝

針對緊水灘電站2號機組轉(zhuǎn)輪上冠汽蝕的實際情況，由于汽蝕深度小于10 mm，故直接用奧氏體不銹鋼焊條A207進行堆焊，為了保證焊接質(zhì)量，必須對焊條進行烘干處理，具體要求焊條烘干溫度控制在350～450℃，時間為2 h，烘干后放入保溫筒，隨取隨用。為了防止在堆焊過程中的焊接變形，從開始堆焊到結(jié)束，應(yīng)盡量做到連續(xù)堆焊，對稱交錯進行堆焊。每處焊接部位的溫度不可過高，一般每次在一處汽蝕區(qū)域焊3根焊條就得更換另一汽蝕區(qū)域，在整個焊接過程，盡量采用小電流并壓短電弧。為了獲得平整的堆焊表面，首先在操作中應(yīng)用直線運條，不要采用橫向擺動焊，第二道焊道應(yīng)壓第一道焊道寬度的2/3，其次堆完一層前可不清渣，多層堆焊時相鄰各層的堆焊焊道的方向最好彼此交錯成一定角度，表面層的焊道方向應(yīng)盡量順水流方向，最后要求堆焊高度應(yīng)比實際要求高出1～2 mm，進行磨光、修型。

5 汽蝕處理的實施

5.1 尾水管里襯的不銹鋼鑲焊

5.1.1 焊接準備

首先，選定抗汽蝕性能較好的不銹鋼（材料為1Cr18Ni9Ti），厚度保持與母材一致，為14 mm，為便于加工和焊接，不銹鋼的形狀采用矩形。為保證汽蝕區(qū)能控制在不銹鋼板范圍內(nèi)，且面積又不能過大而浪費材料，根據(jù)檢修記錄中的汽蝕面積，確定不銹鋼板的面積為570 mm×670 mm。

其次，對不銹鋼板進行加工，使鋼板的弧度與被去除的母材保持一致，為φ3 500 mm，并在左上角挖去半徑為110 mm的缺口，以便于其與十字架補氣裝置圓柱支臂相接，為保證焊接質(zhì)量，在不銹鋼板邊緣開出45°坡口并留2 mm鈍邊。

最后，按不銹鋼板的尺寸及其所確定的位置，割去氣蝕區(qū)的母材，要求最大焊縫不超過3 mm，為保證焊接質(zhì)量，用風動砂輪機修平施焊處、開出45°坡口并留2 mm鈍邊。

5.1.2 施焊、修型

根據(jù)異種鋼材的焊接規(guī)范，選用A302不銹鋼焊條，焊條規(guī)格為φ3.2。為了保證不銹鋼板的焊接強度、消除焊接應(yīng)力、防止應(yīng)力變形，參考有關(guān)文獻，焊接工作按以下措施進行：

焊條在使用前做好保溫、除濕工作。焊接前，焊條烘干溫度控制在350～450℃，時間為2 h，使用時將焊條放在保溫筒內(nèi)，隨取隨用。

參照母材的連接方式，根據(jù)筋板的實際位置，在不銹鋼板上中間部位打上4個φ8的塞焊小孔，通過小孔塞焊使鋼板與筋板連接，增加不銹鋼板承受脈動水壓的強度。

焊接工作安排在水輪機轉(zhuǎn)輪已吊出，下風洞處檢修平臺未吊入，且2、4號機組處于停機狀態(tài)時，此時轉(zhuǎn)輪室內(nèi)通風條件良好，焊接作業(yè)部位滲漏水極少，有利于提高焊接質(zhì)量。

確定合理的焊接方法、順序進行焊接：先焊橫縫，再焊立縫，最后進行塞焊，采用多層焊，焊接電流為120 A，為了消除焊接應(yīng)力，除第一道焊波和退火層外，其余焊波均進行錘擊，焊接結(jié)束后，焊縫高度高于母材3 mm左右。焊接工作結(jié)束后，用風動砂輪機修光焊縫表面，使焊縫表面光滑，形成良好的過流面，減少水流沖擊。

5.2 轉(zhuǎn)輪上冠的汽蝕補焊

5.2.1 焊接準備

首先，將轉(zhuǎn)輪在裝配間內(nèi)翻身，放于石棉布上，測量出轉(zhuǎn)輪上冠汽蝕的面積及深度并用石筆標出，同時應(yīng)做好詳細的記錄。

接著，根據(jù)石筆所標的位置，用碳弧氣刨對汽蝕部位進行清根處理，處理至看不見蜂窩裝小孔為止。

最后，用風動磨光機，對經(jīng)過氣刨的部位進行修磨，磨削至滲碳層全部去除，并使其邊角處留有圓角，以便于焊接。

5.2.2 施焊、修型

根據(jù)異種鋼材的焊接規(guī)范，選用A207不銹鋼焊條，焊條規(guī)格為φ3.2，具體焊接電流為80～110A。為了保證機組大修的整體進度，安排了兩名電焊工按對稱位置同時進行施焊，具體焊接工藝按已確定的“轉(zhuǎn)輪上冠的汽蝕處理工藝”執(zhí)行。

焊接完成后，用風動磨光機對堆焊部位進行了認真細致的打磨、修型工作，處理后，上冠過流面型狀及表面粗糙度均符合圖紙要求。

6 效果檢查

緊水灘水電站2號機組經(jīng)過了1年的運行后，于2016年2月進行小修。作為小修項目的一部分，對尾水管里襯汽蝕區(qū)不銹鋼鑲焊的效果進行了檢查，發(fā)現(xiàn)經(jīng)鑲焊的不銹鋼板及其邊緣區(qū)域都沒有汽蝕現(xiàn)象，而且焊縫也未發(fā)現(xiàn)裂紋等異常現(xiàn)象。而在以往，大修中進行了不銹鋼堆焊的尾水管里襯，經(jīng)過1年的運行之后，總能在汽蝕區(qū)發(fā)現(xiàn)不同程度的汽蝕。這說明，我們在緊站2號機大修中實施的尾水管里襯汽蝕區(qū)不銹鋼鑲焊是成功的，達到了預期的效果。同時，也對轉(zhuǎn)輪葉片的汽蝕、裂紋及上冠汽蝕情況進行了檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片仍無汽蝕及裂紋，而轉(zhuǎn)輪上冠卻又出現(xiàn)了小部分的汽蝕，根據(jù)這一實際情況，我們認為：A207焊條的不銹鋼材料并不能阻止轉(zhuǎn)輪上冠處的汽蝕產(chǎn)生，該種型號的轉(zhuǎn)輪在上冠處的過流面型式及實際運行工況才是轉(zhuǎn)輪上冠產(chǎn)生汽蝕的主要原因。

7 結(jié)語

我們在緊水灘水電站2號機組的擴大性大修中，根據(jù)尾水管里襯汽蝕的特點，通過分析常規(guī)不銹鋼堆焊方法的缺點，結(jié)合實際情況，采取了不銹鋼鑲焊的處理方法。這種方法的優(yōu)點在于：既保證了焊接后的尾水管里襯的強度要求，又將尾水管里襯汽蝕產(chǎn)生的時間大大延長了；由于大量減少了電焊、打磨的工作量，以及工作時的通風條件也得到了改善，大大改善了檢修人員的工作條件。綜上所述，對于有著類似情況的尾水管里襯汽蝕，采用不銹鋼鑲焊的方法進行處理，是可行的。而對于轉(zhuǎn)輪上冠的汽蝕，我們雖然采用了正確的焊接工藝、執(zhí)行了嚴格的打磨要求，從材料上來看，也選用了有著良好抗汽蝕性能的A207焊條，可汽蝕依然在短時內(nèi)出現(xiàn)，本人認為要徹底解決這一問題，還有待進一步研究。

[1]蔡蘭.機械零件工藝性手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[2]劉家發(fā).焊工手冊（手工焊接與切割）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[3]李雪萍.緊水灘水力發(fā)電廠設(shè)備簡介[Z]，2002.

TK730.3

B

1672-5387（2017）11-0025-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.010

2017-08-30

湯建勛（1977-），男，工程師，從事水電廠運行工作。