水轮机过流部件空蚀分析及预防

龚在礼，熊 宇

（1.四川电力职业技术学院，四川 成都 610071；

2.四川川投田湾河开发有限责任公司，四川 成都 610015）

宝珠寺水电站位于四川省广元市三堆镇——白龙江下游，电站最大库容25.5亿m3，调节库容13.4亿m3，为不完全年调节水库。电站承担着四川电网调峰、调频和事故备用的任务，装机容量700 MW，单机容量175 MW。水轮机型号HLD89-LJ-500，额定出力178.6 MW，转速136.4 r/min，吸出高度-3 m，最大水头103 m，最小水头68.5 m，设计水头84.4 m，单机设计流量239 m3/s。汛期平均含沙量2.26 kg/m3，最大含沙量169 kg/m3，多年平均输沙量2 370万t，泥沙绝大部分来自白龙江上游碧口水电站以上，库区段来沙量很少，水质较好。电站于1996年12月首台11号机投产发电，12、13、14号机相继于1997年6月、12月和1998年6月投产发电，电站枢纽工程于2000年11月移交电厂。

1 水轮机过流部件空蚀现象

1999年11月至2000年12月间，电站利用机组大、小修机会，分别对4台机组的过流部件空蚀情况进行了首次详细检查，发现4台机组空蚀情况十分相似：转轮叶片完整，无明显的空蚀迹象；转轮下环和泄水锥有轻微空蚀针点；转轮上冠靠叶片背面根部空蚀较严重 （见表1）。

尾水管锥管里衬上在4个补气管根部 （顺水流旋转方向斜向下约45°处）空蚀严重，面积达600 mm×700 mm，最严重处已穿孔，面积达300 mm×400 mm。尾水补气管有1根从根部断裂，另1根断掉约200 mm。

11号机于2000年3月 （运行39个月）对其转轮第一次检修后，2004年3月第二次检查发现，空蚀仍发生在转轮上冠两叶片间结合处，但2000年3月采用CHS237不锈钢焊条补焊的部分未发生空蚀，说明该不锈钢材料抗空蚀性能良好，补焊工艺良好。2008年4月进行第三次检查发现，转轮补焊处无外观缺陷，上冠碳钢与不锈钢叶片焊接交接部位存在轻微空蚀，空蚀孔最深9 mm，不锈钢叶片和下环无裂纹、无气孔，外观检查合格，整体表现出翼型空蚀很轻微，且几乎没有泥沙磨损；尾水补气短管靠-X、-Y方向1根已脱落，焊接的喇叭口支持座完好，支持座周围腔体钢板存在开裂现象，空腔空化引起的空蚀和振动依然存在。

12号机于1999年11月 （运行29个月）对其转轮第一次检修后，2003年2月第二次检查未发现叶片、上冠等部位空蚀。2005年12月停机进行第三次检查 （中修）发现，转轮上冠与叶片焊接处周围有小部分空蚀，叶片背面基本无空蚀；尾水管内一些部件空蚀较严重，有1根补气短管脱落，补气管安装处周围补气腔钢板两处脱落，面积大约1.5 m2。凑合节 （座环与尾水锥管之间）有裂纹。2007年5月停机进行第四次检查 （A修）发现，转轮进水侧叶片与上冠结合处有轻微的空蚀带，个别叶片进水边上部有小型空蚀针孔；尾水管凑合节焊接钢板有约2 m2的脱落；靠-X、+Y方向尾水补气腔钢板约1.44 m2已脱落，靠+X、+Y方向尾水补气腔钢板约0.64 m2已脱落。

在对13、14号机的检查发现，其空蚀、断裂与脱落情况与11、12号机十分相似。

表1 转轮上冠空蚀量数据 mm

2 水轮机过流部件空蚀原因分析

宝珠寺水电站水轮机过流部件破坏主要发生在转轮上冠靠叶片背面根部，破坏区的金属表面呈海绵状的针孔，并有呈灰暗无光泽的大小蜂窝和很深的针孔，金属疏松脱落，而与水流方向一致的有规律的刮痕、小磨沟及鱼鳞坑很少。这说明过流部件的破坏主要是空蚀破坏，泥沙磨损很轻微。这是因为宝珠寺电站库容大、泥沙含量少，库区回水长（67 km），大部分泥沙在库区已沉积，坝前和进入水轮机过流部件的水质较好，因而过流部件磨损很小。尽管4台机组从投产到第一次检查，除11号机运行3年多时间 （运行小时数达14 533 h）外，其他3台机组都只运行2年多时间 （运行小时数只有10 000 h多一点）（见表2）；但水轮机上冠部位空蚀却很严重，4台机组空蚀部位和破坏特征类似，空蚀区最长950 mm，最宽140 mm，最深20 mm。近9年来对机组运行情况的观察和分析认为，造成严重空蚀的主要原因有两个：一是过流部件材质不好。转轮上冠选用优质碳钢制造，这种材料硬度较低，耐疲劳特性和抗空蚀性能均较差，容易被空蚀破坏；而转轮叶片和下环采用不锈钢制造，其抗空蚀性能较好，空蚀破坏轻微。在第一次检修时采用抗空蚀性能良好的CHS237不锈钢焊条对转轮上冠空蚀区补焊后，转轮上冠的空蚀破坏明显减轻。这充分说明选用高抗蚀性能材料，对防止空蚀或减轻空蚀效果显著。二是机组运行工况较差。电站在系统中主要担负调峰、调频和事故备用任务，机组有较长时间处于空载旋转备用，小流量使进入水轮机转轮的水流流态变差，从而产生空化和空蚀；同时，11号机投入运行初期的水库水位较低，水轮机处于低水头下运行，也是空蚀严重的原因之一。

表2 第一次检修前机组运行情况统计 h

在2000年、2004年、2008年对11号机以及1999年、2003年、2007年对12号机的检查过程中多次出现的尾水管大面积空蚀、尾水补气管断裂和脱落、焊接的喇叭口支持座周围腔体钢板开裂等现象，可判断为水轮机空腔空化所致。其原因有三：①该电站机组长期在低负荷下空载旋转备用，使转轮出口水流存在一定的圆周速度分量，使转轮后产生涡带，涡带中心压力低于汽化压力。这种涡带在尾水管中旋转并周期性地碰击尾水管的边壁造成强烈振动，同时在尾水管进口段边壁形成空腔空蚀。②机组开停机频繁 （见表3）。由于机组每次启停都要经历空载、并网、低负荷和振动区，图1某水头下机组负荷、振动、摆度曲线可显示：这个阶段的振动强度高出额定负荷时的35.9%～47.6%；并且每次开停机都要两次越过振动区，机组承受较大幅度的振动。③宝珠寺电站吸出高度负值偏小。这也是造成空腔空化、形成空蚀、振动和裂纹的可能原因。

表3 开停机与振动区运行情况统计

图1 某水头下机组负荷与振动、摆度值曲线

3 水轮机过流部件空蚀处理和预防

（1）转轮上冠靠叶片背面根部空蚀的处理。先用碳弧气刨清理空蚀区 （空蚀区边沿延伸15～20 mm），使空蚀部位显露完好的金属本体，且最浅深度不小于4 mm；其次，用氧—乙炔焰对补焊表面局部预热80℃以上；再采用手工电弧焊，用CHS237不锈钢焊条进行补焊，需防止产生热变形和应力集中，采用在上冠周围对称施焊的方法，对焊量较大的补焊缝辅以锤击释放应力，每次堆焊量不宜过厚。每焊一遍均进行打磨，再补焊、再打磨，直到打磨后表面与原表面平齐，过度平滑，粗糙度、波浪度应符合图纸要求；同时用样板检查叶片根部过渡圆角应符合要求。

（2）尾水锥管上补气管根部空蚀区的处理。采取镶块与堆焊方式：镶块用20 mm厚的1Cr18Ni9Ti钢板卷制，在锥管上开出坡口，镶焊部位在补气腔处， 4个50 mm×100 mm方孔采用16 mm厚度碳钢板镶焊，表面堆焊不锈钢，补气腔下部严重空蚀处亦用不锈钢板镶焊。锥管空蚀部位的补焊方法、材料及铲磨方法和要求与转轮上冠相同。

在近几年的多次检修中，均采用上述材料和方法对转轮叶片、上冠及尾水管的空蚀部分进行补焊，转轮叶片、上冠补焊效果良好；但尾水管部分空蚀程度依然严重。针对尾水管空蚀，补气管断裂、脱落，焊接的喇叭口支持座周围腔体钢板开裂，尾水管凑合节出现裂纹等问题，还采取了改善机组运行条件的措施：一是，减缓空腔空化和空蚀。合理安排发电量和水位消落时间，在保证电站有好的经济效益又保证电网安全的前提下，使机组尽量处于较高水位和良好的工况下运行，减轻了空蚀和振动。二是，从主轴和尾水管给转轮下部压力脉动区补气。进一步改善补气装置，使补入的空气进入空穴区域。三是，尽量避开振动区运行，减少开停机次数。四是，在易空蚀破坏区铺焊1层或多层抗空蚀性能稳定的不锈钢防护层 （从目前情况看，只有不锈钢和铝铁青铜近似地兼有这些性能）。

另外，宝珠寺水电站在2000年12月12日至2001年1月9日的14号机扩大性小修期间，用英国进口的贝尔佐纳 （一种复合材料，包括：陶瓷、金属 BELZONA1311和超光滑金属 BELZNA1314）对转轮上冠空蚀部分进行了试验性处理，其核心是涂以抗空蚀性好的韧性材料，吸收微泡破裂时的能量，以柔韧性来抵抗空蚀。2002年春季14号机运行14个月后，发现用贝尔佐纳喷涂技术处理的空蚀区涂层绝大部分已经脱落，空蚀程度加剧。因此，从实际使用结果看，贝尔佐纳喷涂技术处理对防止空蚀效果不佳，用不锈钢补焊技术处理水轮机的空蚀破坏效果良好。

4 结语

综上所述，选用高抗蚀性能材料制造水轮机过流部件，对防止空蚀或减轻空蚀具有显著的效果；对于已投运的水轮机采用不锈钢补焊技术处理过流部件的空蚀问题是有效的；水轮机过流部件由空化引起的空蚀和振动情况比较复杂，目前尚没有一套能够全面、系统解决空蚀与振动问题的方法。因此，电厂人员在机组运行中，记录每一台机组负荷、水头与振动、噪声的关系，在检修工作中检测记录每一台机组过流部件空蚀深度、面积、失重与时间的关系等，认真分析每一台机组空蚀与振动的成因，逐步掌握机组的空蚀特点，积极采取一些有针对性的预防措施，有利于逐步改善空蚀和振动状况，提高机组安全、可靠与经济运行水平。同时，采用机组在线振动、摆度监测技术，更有利于推行状态检修，使机组的安全经济运行上一个新台阶。

［1］ 于波.水轮机原理与运行［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［2］ 任岩.黄河上的水电站水轮机磨蚀状态检修的研究［J］.水力发电， 2010,36（4）:57-59.