陳 偉

（廣東能源集團天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

1 概述

某電站3號機組C修時，對轉輪作探傷檢查，發(fā)現(xiàn)轉輪葉片出水邊根部存在不同程度的淺表性點狀、片狀汽蝕，汽蝕面積10～20 cm2，深度3～15 mm；較為嚴重的是2號、3號、13號葉片，已表現(xiàn)為坑狀汽蝕。該電站歷年檢修時發(fā)現(xiàn)3號機轉輪汽蝕均較為嚴重，對轉輪汽蝕進行多次修復后，阻止汽蝕現(xiàn)象產生的效果不是很明顯。為分析其汽蝕原因并制定相關解決方案，因此對3號機轉輪的運行工況進行詳細分析。

2 相關技術參數(shù)

3號機轉輪設計水頭126.65 m，最高水頭143.00 m，額定水頭111.00 m，最小水頭83.00 m，轉輪葉片13片，額定流量301.20 m3/s，吸出高度-3.84 m。

3 轉輪運行工況數(shù)據分析

采集近11年的上游水位、下游水位、3號機組出力和流量數(shù)據，分別對上游水位、下游水位、水頭、運行范圍、吸出高度和電站裝置空化系數(shù)進行統(tǒng)計分析，判斷3號機組轉輪頻繁產生汽蝕的原因。其中由于缺少管路損失數(shù)據，無法計算凈水頭，因此只對毛水頭進行統(tǒng)計分析。

3.1 水位和水頭分析

統(tǒng)計上游水位、下游水位和毛水頭隨時間變化情況和概率分布，結果見圖1。

圖1 水位和水頭分析

上游水位基本處于732～780 m范圍內，下游水位基本處于639～645 m范圍內，毛水頭基本處于90～140 m范圍內。毛水頭在最小水頭83 m～最大水頭143 m之間，毛水頭沒有達到最大水頭143 m的情況。

3.2 出力分析

統(tǒng)計出力隨時間變化情況、概率分布和運行范圍，結果見圖2。

圖2 出力分析

3號機在全負荷范圍運行，其中出力在290 MW～305 MW和50 MW～60 MW時的概率較大，毛水頭在99～111 m時有超發(fā)情況。

3.3 空化分析

統(tǒng)計吸出高度隨時間變化情況、吸出高度概率分布、電站裝置空化系數(shù)隨毛水頭變化情況，結果見圖3。

圖3 空化分析

通過分析得知3號機空化裕度足夠?？栈６炔粔蛉~片發(fā)生汽蝕的部位一般在葉片背面出水邊附近，而3號機轉輪發(fā)生汽蝕的部位在下環(huán)上。同時該電站共裝有4臺型號一樣的水輪機，只有3號機發(fā)生汽蝕，其余3臺沒有發(fā)生汽蝕。排除相關水力原因后，結合3號機組多年檢修情況分析，判斷3號機轉輪汽蝕產生原因是轉輪R角補強及多次裂紋、汽蝕修復導致流道局部不光順和卡門渦引起。

4 轉輪汽蝕解決辦法

得知轉輪產生汽蝕是由于流道局部不光順的原因后，為防止3號轉輪葉片今后仍反復產生汽蝕，制定了轉輪汽蝕修復方案和葉片出水邊修型方案。對3號機組轉輪葉片出水邊點狀、面狀和靠下環(huán)葉片出水邊輕微的鋸齒狀汽蝕部位采取機械磨削方式清除并露出金屬光澤，然后進行補焊。補焊合格后，再次打磨各焊點，使修復面圓滑過渡，肉眼或者手感表面不存在有凹坑或凸點以滿足設計圖紙技術要求。同時通過CFD計算找到葉片需要倒圓角的具體范圍，并根據CFD計算結果制作轉輪葉片倒圓示意圖。按照圖紙對葉片出水邊進行打磨、修型，修型完成后作PT+UT探傷檢查。

4.1 汽蝕修復方法

首先進行相關技術準備工作，整理打磨工具、砂輪片、電焊機、焊條等，再對葉片汽蝕缺陷進行標注、記錄。完成標記后，使用風砂輪、砂輪片打磨各個葉片汽蝕點至見母材金屬光澤，然后對打磨點進行PT探傷，探傷合格后對打磨過的汽蝕點位置進行補焊。

補焊采用SMAW（手工電弧焊）焊接方法[1]，配用G367MΦ3.2 mm焊條。焊前按照焊條說明書要求對焊條進行烘干，焊接過程中將焊條置于焊條保溫桶中，隨用隨取。焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)表

焊接過程及注意事項：

（1）清除焊接區(qū)及附近20 mm范圍內的油、水、氧化皮、探傷液等影響焊接質量的有害雜質。

（2）焊前預熱，對補焊區(qū)域及相鄰約150 mm范圍內的母材應預熱至不低于80℃，并在焊接過程中始終保持這一溫度。預熱方式采用火焰加熱方法進行。

（3）在焊接時，盡量采用較小的焊接范圍進行，以達到減小焊縫金屬的脆化傾向和降低焊接殘余應力的目的[2]。

（4）焊接過程中控制層間溫度不大于150℃。

（5）層間起弧點應錯開，起弧處應使用砂輪機清理。

（6）缺陷焊接修補后，進行初步的打磨，并對焊接接頭、咬邊、凹坑等進行補焊打磨。

（7）對補焊部位進行PT探傷，探傷標準按ASME第Ⅷ卷附錄8執(zhí)行。如仍有缺陷，采用上述相同的方法修復。

（8）對補焊區(qū)域進行打磨、拋光處理，符合通流部件標準要求，表面粗糙度達Ra3.2μm。

（9）打磨平順后，對焊縫和母材進行PT探傷，PT探傷檢查驗收標準分別按照ASME第Ⅷ卷附錄8執(zhí)行。

補焊完成后使用風動砂輪機將補焊部位打磨光滑、光順，并再次進行PT探傷，無裂紋無汽蝕則合格。

4.2 轉輪葉片出水邊修型

計劃通過轉輪葉片出水邊修型，消除卡門渦產生誘因，以改善該區(qū)域汽蝕[3]。葉片出水邊進行修型，葉片與上冠和下環(huán)之間的焊縫及葉片的強度和疲勞性能均不會受到影響，對轉輪水力性能的影響也可以忽略不計。

分別取最大水頭、額定水頭和最小水頭3個特征水頭，對轉輪葉片出水邊局部倒圓角前后做CFD計算和對比分析。分析結果表明：倒圓角對水輪機轉輪整體水力性能沒有影響。倒圓角后，葉片整體壓力分布均勻，與倒圓角前沒有差別。倒圓角后水輪機轉輪葉片出水邊后部局部流態(tài)略有改善。倒圓角后，轉輪葉片出水邊附近的壓力稍有提高，預計該處的局部空化性能會有所改善。

4.2.1 葉片出水邊倒圓處理

通過CFD計算得出葉片需倒圓角的具體范圍，并制作轉輪葉片出水邊倒圓示意圖（見圖4）、葉片出口形狀示意圖（見圖5），按圖紙進行倒圓處理。其中A點為下環(huán)出水邊工作面焊接圓角末端與下環(huán)相交的位置；B點為下環(huán)出水邊工作面讓開焊接圓角8Omm的位置；C點為下環(huán)出水邊工作面B點以后沿BC方向300 mm的位置；F點為上冠出水邊工作面焊接圓角末端與上冠相交的位置；E點為上冠出水邊工作面讓開焊接圓角80 mm的位置；D點為上冠出水邊工作面E點以后沿ED方向300 mm的位置；具體尺寸根據葉片的實際情況進行微調整。

圖4 轉輪葉片出水邊倒圓示意圖

位置A至位置B、位置E至位置F按照圖5（a）進行倒圓；位置C至位置D按照圖5（b）進行倒圓；位置B至位置C、位置D至位置E進行光滑過渡。倒圓范圍在出水邊上冠處和下環(huán)處至少60 mm內進行。

圖5 葉片出口形狀示意圖

在工作現(xiàn)場按圖紙對轉輪葉片出水邊打磨部位進行標記，然后對3號機轉輪所有葉片出水邊進行打磨倒圓處理，共13片。首先使用風動砂輪機陶瓷砂輪片對轉輪葉片背面出水邊明顯棱角、尖點部位進行打磨，直至光順、圓滑過渡。待葉片粗磨完成后，再將陶瓷砂輪片更換為砂布輪片對葉片出水邊打磨部位進行拋磨、拋光，用以提高打磨部位的精度和光潔度。倒圓結束后使用PT＋UT探傷檢查合格。

4.2.2 葉片翼型檢查樣板制作

利用專用工具對翼型較好（無汽蝕或汽蝕較少）的轉輪葉片進行翼型數(shù)據測量（見圖6）。測量方法為：進口測量1、3、5斷面，出口測量5、8、11斷面，測量長度不少于870 mm。測量時進、出口點數(shù)需要加密，這樣可以準確繪制其形狀，繪圖時需標識導水機構中心線和轉動中心線的位置。斷面12、13、14為主要空蝕部位，盡量多測些數(shù)據，其它斷面為輔助測量斷面，點數(shù)可適當減少。

圖6 轉輪葉片翼型數(shù)據測量示意圖

根據實測3號機轉輪葉片翼型數(shù)據及理論型線利用切割機制作2 mm厚的轉輪葉片檢查翼型樣板、轉輪葉片焊接圓弧（R角）檢查樣板，制作檢查樣板名稱及數(shù)量見表2。利用檢查樣板對修型的轉輪葉片進行驗收。若檢驗樣板能與倒圓后的葉片貼合，則驗收合格，若不貼合，有凸出或者凹進去的部位，說明打磨過度或不夠。需對相關位置進行打磨或補焊，直至兩者能貼合，保證轉輪葉片翼型合格。

表2 檢查樣板表

4.3 處理效果

3號機轉輪汽蝕修復并經倒圓處理后運行至今已有兩年，每年對轉輪進行著色探傷檢修處理時發(fā)現(xiàn)3號機轉輪無汽蝕現(xiàn)象（見圖7）。

圖7 2021年B修3號機轉輪著色探傷情況

5 總結

結合設備檢修，檢查轉輪汽蝕、磨損、裂紋等情況，發(fā)現(xiàn)3號機轉輪汽蝕情況大為好轉。在其他機組檢修時對轉輪葉片采用相同方法進行修型，可提高轉輪運行的安全性能，減少汽蝕現(xiàn)象的產生。