水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)水葉的空蝕補(bǔ)焊及維護(hù)

陳志純

【摘要】本文是通過現(xiàn)場對水輪機(jī)的檢修維護(hù)，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，分析水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水葉出現(xiàn)嚴(yán)重空蝕的原因，簡要談?wù)剬λ啓C(jī)轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)水葉空蝕補(bǔ)焊的處理方法及其維護(hù)。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)輪;導(dǎo)水葉;空蝕;補(bǔ)焊處理;維護(hù)

1.概述

水輪機(jī)是將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種水力機(jī)械，它包括引水部件、導(dǎo)水部件、工作部件和泄水部件四部分，其工作部件即轉(zhuǎn)輪是機(jī)組的核心部件，對整個系統(tǒng)的性能起決定性的作用。

山美水庫#3機(jī)水輪機(jī)原采用A296型轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為碳鋼，葉片及底環(huán)材料為鑄鋼，泄水錐為鋼板，2006年機(jī)組在檢修時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪空蝕嚴(yán)重，葉片出水邊尾部穿孔并整塊脫落，葉片與上冠連接處焊縫產(chǎn)生裂紋，已嚴(yán)重危及機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.空蝕與裂紋產(chǎn)生的原因分析

2.1空蝕產(chǎn)生的原因分析：水輪機(jī)產(chǎn)生空蝕的原因主要與水流的流速、方向、金屬的性能、檢修的工藝和運(yùn)行小時數(shù)等有關(guān);造成嚴(yán)重空蝕的原因主要有以下幾點(diǎn)：一是設(shè)計(jì)制造方面， A296轉(zhuǎn)輪翼型的合理設(shè)計(jì)有限，葉片表面光潔度不能滿足要求，使得轉(zhuǎn)輪的翼型流線與水流運(yùn)動的水流流態(tài)不相吻合，葉片表面的壓力分布不夠均勻，在大流量運(yùn)行區(qū)域顯得尤為突出，這是造成轉(zhuǎn)輪空蝕嚴(yán)重的主要因素;二是運(yùn)行方面，因?yàn)殡娋W(wǎng)需要，需頻繁負(fù)荷調(diào)整導(dǎo)致水輪機(jī)不能在最優(yōu)或者額定運(yùn)行工況區(qū)域運(yùn)行，造成轉(zhuǎn)輪的水流紊亂出現(xiàn)空化現(xiàn)象，同時使得轉(zhuǎn)輪的葉片表面產(chǎn)生空蝕;三是轉(zhuǎn)輪本身的性能，由于轉(zhuǎn)輪材料、葉片葉型的加工精度和表面粗糙度的原因，使得耐磨和抗空蝕性能不好，也是造成空蝕破壞的因素。

2.2轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因分析：一是運(yùn)行方面，裂紋部位均發(fā)生在運(yùn)行應(yīng)力較高的上冠與葉片出口和下環(huán)與葉片出口連接焊縫處，由于機(jī)組長期處于低負(fù)荷及震動區(qū)運(yùn)行，加上轉(zhuǎn)輪是鑄鋼材質(zhì)，硬度不夠，使轉(zhuǎn)輪葉片長期處于超強(qiáng)負(fù)荷的疲憊狀態(tài)，在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋并加劇;二是應(yīng)力集中的原因，采用有限元計(jì)算分析得出，轉(zhuǎn)輪在水壓力及離心力的作用下，大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊上;按第三強(qiáng)度理論計(jì)算，相當(dāng)應(yīng)力沿葉片周邊分布;三是鑄造及焊接的缺陷的原因，鑄造氣孔、砂眼等在外部應(yīng)力的作用下可能會造成裂紋的產(chǎn)生。由于轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)的厚度相差大，在冷卻過程中易產(chǎn)生縮孔、疏松等;鑄焊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，若焊接工藝不當(dāng)，在焊接完畢后沒有進(jìn)行回火處理，容易在焊縫處留下焊接殘余應(yīng)力，也容易使得焊縫處出現(xiàn)裂紋;四是設(shè)計(jì)上的原因，轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)間的過渡R角的設(shè)計(jì)不合理也會引起應(yīng)力集中。

3. 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)水葉及泄水錐管空蝕與裂紋的處理

3.1空蝕的處理

3.1.1轉(zhuǎn)輪葉片空蝕的處理：主要采用鋼板進(jìn)行鋪焊方法，即鋼板的寬度30～50mm，長度為空蝕長度，鋼板上鉆Φ10mm塞焊孔，孔數(shù)根據(jù)長度決定。鋼板之間的間隔8～10mm，鋼板要與葉片表面形狀盡可能貼緊;對葉片已有空蝕缺陷的，用不銹鋼壓成與葉片整型大致相同。焊縫處要開坡口，需焊透;葉片缺陷處要圓弧過度，不能有尖角。

3.1.2導(dǎo)水葉空蝕的處理：用碳弧氣刨的方法逐一清除導(dǎo)水葉立面、端面、軸頭和頂蓋、座環(huán)的空蝕部位，用不銹鋼焊條堆焊，再用角向磨光機(jī)打磨平整，校核補(bǔ)焊部位和原工件搭界面保持一致，并用砂輪百葉片進(jìn)行拋光打磨，使補(bǔ)焊部位的光潔度達(dá)到6度以上。

3.2裂紋的補(bǔ)焊處理

3.2.1未裂透葉片的處理：一是在裂紋兩邊末端鉆直徑為Φ6.5mm的止裂孔，深度鉆到孔內(nèi)見不到裂紋為止;二是用碳弧氣刨和角向磨光機(jī)沿裂紋開出坡口，坡口盡量窄（但應(yīng)注意要保證焊條能伸進(jìn)去），坡口深度為葉片2/3的厚度。三是補(bǔ)焊已清理的坡口。用不銹鋼焊條堆焊，堆焊時應(yīng)均勻，整齊平整，然后再用角向磨光機(jī)打磨光滑;四是用同樣的方法開背面的坡口，深度要大于1/3，要見到已補(bǔ)焊的金屬。五是補(bǔ)焊后用角向磨光機(jī)打磨光滑，并用砂輪百葉片進(jìn)行拋光打磨，使補(bǔ)焊部位的光潔度達(dá)到6度以上;

3.2.2裂紋最嚴(yán)重葉片的處理：在葉片焊后用電加熱的辦法進(jìn)行熱處理，采用履帶式遠(yuǎn)紅外線加熱，每片3kw，貼在焊縫上，外面包上保溫棉，通電5～6小時，然后斷電，使其自然冷卻。

3.2.2轉(zhuǎn)輪葉片型線的處理：首先要做樣板，從13片中找出最好的葉片，先劃出基準(zhǔn)線，作出坐標(biāo)位置，其它葉片也在同樣位置上劃出基準(zhǔn)線;其次以最好的葉片為基準(zhǔn)，做背面樣板，然后將正背面樣板放在一起，控制好厚度做正背面2塊樣板的合縫基準(zhǔn)線。2塊樣板接合縫基準(zhǔn)線合在一起，就是葉片的型線。葉片樣板根據(jù)空蝕面積大小，可做1塊或2塊、3塊;第三是以樣板為基準(zhǔn)，鏟磨葉片型線。

4.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)水葉的空蝕維護(hù)

防止或減輕空蝕的措施主要有：改善水輪機(jī)的設(shè)計(jì)，提高轉(zhuǎn)輪的加工工藝水平，采用抗蝕材料，采取補(bǔ)氣裝置，還有就是避免水輪機(jī)長期在非運(yùn)行工況區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

對于已投運(yùn)的一是可以通過定期對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行打磨拋光，增強(qiáng)光潔度，使得水流流動的線路與葉片表面吻合，有效地減輕空蝕;二是盡量使機(jī)組避開空蝕區(qū)運(yùn)行;三是未采取補(bǔ)氣裝置的機(jī)組，應(yīng)該加裝補(bǔ)氣裝置。

5.結(jié)束語

轉(zhuǎn)輪空蝕是水電站存在的的普遍問題，嚴(yán)重影響水輪機(jī)的出力及設(shè)備的使用壽命。從水輪機(jī)的設(shè)計(jì)施工、生產(chǎn)制造、安裝及運(yùn)行管理中，都應(yīng)設(shè)法減輕或阻止空蝕的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

1.《電業(yè)安全工作規(guī)程》—-熱力和機(jī)械部分;

2. DL444-91反擊式水輪機(jī)氣蝕損壞評定標(biāo)準(zhǔn);

3. DL/T5071-1997混流式水輪機(jī)分瓣轉(zhuǎn)輪組裝焊接工藝導(dǎo)則;

4.水輪機(jī)基本技術(shù)條件，GB/T15468-1995。