水轮机转轮及导水叶的空蚀补焊及维护

陈志纯

【摘要】本文是通过现场对水轮机的检修维护，结合现场的实际情况，分析水轮机转轮和导水叶出现严重空蚀的原因，简要谈谈对水轮机转轮及导水叶空蚀补焊的处理方法及其维护。

【关键词】转轮;导水叶;空蚀;补焊处理;维护

1.概述

水轮机是将水能转换为机械能的一种水力机械，它包括引水部件、导水部件、工作部件和泄水部件四部分，其工作部件即转轮是机组的核心部件，对整个系统的性能起决定性的作用。

山美水库#3机水轮机原采用A296型转轮材质为碳钢，叶片及底环材料为铸钢，泄水锥为钢板，2006年机组在检修时发现转轮空蚀严重，叶片出水边尾部穿孔并整块脱落，叶片与上冠连接处焊缝产生裂纹，已严重危及机组的安全经济运行。

2.空蚀与裂纹产生的原因分析

2.1空蚀产生的原因分析：水轮机产生空蚀的原因主要与水流的流速、方向、金属的性能、检修的工艺和运行小时数等有关;造成严重空蚀的原因主要有以下几点：一是设计制造方面， A296转轮翼型的合理设计有限，叶片表面光洁度不能满足要求，使得转轮的翼型流线与水流运动的水流流态不相吻合，叶片表面的壓力分布不够均匀，在大流量运行区域显得尤为突出，这是造成转轮空蚀严重的主要因素;二是运行方面，因为电网需要，需频繁负荷调整导致水轮机不能在最优或者额定运行工况区域运行，造成转轮的水流紊乱出现空化现象，同时使得转轮的叶片表面产生空蚀;三是转轮本身的性能，由于转轮材料、叶片叶型的加工精度和表面粗糙度的原因，使得耐磨和抗空蚀性能不好，也是造成空蚀破坏的因素。

2.2转轮裂纹产生的原因分析：一是运行方面，裂纹部位均发生在运行应力较高的上冠与叶片出口和下环与叶片出口连接焊缝处，由于机组长期处于低负荷及震动区运行，加上转轮是铸钢材质，硬度不够，使转轮叶片长期处于超强负荷的疲惫状态，在交变应力作用下产生裂纹并加剧;二是应力集中的原因，采用有限元计算分析得出，转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上;按第三强度理论计算，相当应力沿叶片周边分布;三是铸造及焊接的缺陷的原因，铸造气孔、砂眼等在外部应力的作用下可能会造成裂纹的产生。由于转轮叶片与上冠、下环的厚度相差大，在冷却过程中易产生缩孔、疏松等;铸焊结构的转轮，若焊接工艺不当，在焊接完毕后没有进行回火处理，容易在焊缝处留下焊接残余应力，也容易使得焊缝处出现裂纹;四是设计上的原因，转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角的设计不合理也会引起应力集中。

3. 水轮机转轮叶片、导水叶及泄水锥管空蚀与裂纹的处理

3.1空蚀的处理

3.1.1转轮叶片空蚀的处理：主要采用钢板进行铺焊方法，即钢板的宽度30～50mm，长度为空蚀长度，钢板上钻Φ10mm塞焊孔，孔数根据长度决定。钢板之间的间隔8～10mm，钢板要与叶片表面形状尽可能贴紧;对叶片已有空蚀缺陷的，用不锈钢压成与叶片整型大致相同。焊缝处要开坡口，需焊透;叶片缺陷处要圆弧过度，不能有尖角。

3.1.2导水叶空蚀的处理：用碳弧气刨的方法逐一清除导水叶立面、端面、轴头和顶盖、座环的空蚀部位，用不锈钢焊条堆焊，再用角向磨光机打磨平整，校核补焊部位和原工件搭界面保持一致，并用砂轮百叶片进行抛光打磨，使补焊部位的光洁度达到6度以上。

3.2裂纹的补焊处理

3.2.1未裂透叶片的处理：一是在裂纹两边末端钻直径为Φ6.5mm的止裂孔，深度钻到孔内见不到裂纹为止;二是用碳弧气刨和角向磨光机沿裂纹开出坡口，坡口尽量窄（但应注意要保证焊条能伸进去），坡口深度为叶片2/3的厚度。三是补焊已清理的坡口。用不锈钢焊条堆焊，堆焊时应均匀，整齐平整，然后再用角向磨光机打磨光滑;四是用同样的方法开背面的坡口，深度要大于1/3，要见到已补焊的金属。五是补焊后用角向磨光机打磨光滑，并用砂轮百叶片进行抛光打磨，使补焊部位的光洁度达到6度以上;

3.2.2裂纹最严重叶片的处理：在叶片焊后用电加热的办法进行热处理，采用履带式远红外线加热，每片3kw，贴在焊缝上，外面包上保温棉，通电5～6小时，然后断电，使其自然冷却。

3.2.2转轮叶片型线的处理：首先要做样板，从13片中找出最好的叶片，先划出基准线，作出坐标位置，其它叶片也在同样位置上划出基准线;其次以最好的叶片为基准，做背面样板，然后将正背面样板放在一起，控制好厚度做正背面2块样板的合缝基准线。2块样板接合缝基准线合在一起，就是叶片的型线。叶片样板根据空蚀面积大小，可做1块或2块、3块;第三是以样板为基准，铲磨叶片型线。

4.水轮机转轮及导水叶的空蚀维护

防止或减轻空蚀的措施主要有：改善水轮机的设计，提高转轮的加工工艺水平，采用抗蚀材料，采取补气装置，还有就是避免水轮机长期在非运行工况区域内运行。

对于已投运的一是可以通过定期对转轮进行打磨抛光，增强光洁度，使得水流流动的线路与叶片表面吻合，有效地减轻空蚀;二是尽量使机组避开空蚀区运行;三是未采取补气装置的机组，应该加装补气装置。

5.结束语

转轮空蚀是水电站存在的的普遍问题，严重影响水轮机的出力及设备的使用寿命。从水轮机的设计施工、生产制造、安装及运行管理中，都应设法减轻或阻止空蚀的产生。

参考文献

1.《电业安全工作规程》—-热力和机械部分;

2. DL444-91反击式水轮机气蚀损坏评定标准;

3. DL/T5071-1997混流式水轮机分瓣转轮组装焊接工艺导则;

4.水轮机基本技术条件，GB/T15468-1995。