采用快速成型方法修复转轮空蚀破坏

［加拿大］ D.刘易斯

为了攻克修复水轮机转轮叶片空蚀破坏方面的相关技术限制，笔者开发了一种基于快速成型方法的修复新技术。该技术是使用一台便携式扫描仪，产生转轮叶片表面的三维(3D)图像，并将其下载至计算机。对下载的数据进行分析，并建造一个替换件，然后，将其焊接到现有的水轮机转轮上。

安大略发电(OPG)公司已两次应用该技术，且效果良好。第1次应用结果表明，该技术是可行的，提供的替换件与受损转轮叶片的相关性良好。第2次是应用于正在运行的水电站，OPG公司在制造替换件的同时，机组在继续运行。该公司计划将该新技术用于其水电站的空蚀修复工作。

1 标准空蚀维修技术

当水中压力小于汽化压力时，水可形成小气泡。如果气泡在转轮表面附近破裂，局部高压力可使转轮材料剥离。这种现象称为空蚀，能给水轮机转轮造成重大损害。

OPG公司运营65座水电站，总装机容量6963 MW，最小装机容量为 1 MW，最大的则超过1400 MW。修复空蚀是OPG公司员工必须完成的水轮机最常见的转轮维护任务。历史上，平均维修间隔时间约为12 a。但是，机组之间状况千差万别，因为新的转轮设计已经得到大大改进，减少甚至消除了空蚀。

在实施修复前，应对转轮的空蚀损伤进行检查，以确定损坏的部位。然后，对受损部位进行打磨，消除麻面。通常，受损面积可远大于首次检查出的面积。表面处理完成后，即用堆焊填充转轮缺失部位。最后打磨表面，使其尽可能回复到转轮表面的原状。

由于许多因素，使该方法的运用面临许多问题。

(1)空蚀通常发生在转轮叶片的下游侧，对于立式水轮机需要仰焊，维修难度大。

(2)添加材料时，焊工必须对原转轮断面作最佳判断，而且打磨材料需与原始断面完全一样的要求很难达到。

(3)焊接层厚必须超过原来的断面，以便研磨恢复光滑表面。而往往是用不锈钢堆焊面层，不锈钢很难研磨。

(4)堆焊过程中，焊接熔池的收缩可导致转轮形状变形，通常需要定位板或支架，以限制这种变形，但收缩应力仍然存在，当撤去支架时，最终的形状不确定。

(5)技术上，消除应力相当困难，不可能纠正焊接引起的变形。

(6)堆焊会在有限的空间产生大量焊接烟雾。

(7)转轮叶片变形与转轮上堆积的焊接量成正比。大量焊接修复可能会导致较大的转轮叶片变形。

2 开发新技术

根据制造业和其他工业行业使用的新的快速成型和三维造型方法，OPG公司决定对利用其中某些方法的可能性展开研究，以用于对水轮机转轮和其他构件，例如泄流环和导叶，复杂表面的修复。

OPG公司要求对方法改进之后实施就地修复，并实现:

(1)延长因修复空蚀而停电的间隔时间;

(2)减少维修期间机组的停电时间;

(3)最大限度减少转轮叶片维修产生的变形;

(4)保持原有转轮表面轮廓;

(5)取消焊接修复期间对笨重定位板的依赖。

OPG公司开发的这项技术，基于使用一种便携式立体手持激光扫描仪。该扫描仪是将激光束投射到物体表面，捕捉激光束反射的光子，并产生表示被扫描的三维表面的几何形状或“点云”。对数据点的位置，则是参考内部坐标系确定，该坐标系是在转轮表面随机增设一个位置目标建立的。

完成的扫描分辨率为±0.004 n.。合成的数据文件取决于覆盖面积和数据捕获率。

由于收集的原始数据量大，因此需将其转换为更易使用的较小多边形网格立体测量(STL)文件。用多边形网格表示建模表面的一系列三角形的面和边，网格尺寸越小，分辨率越高，所建模型的外形也就越光滑。通常，一台具有增强内存和某些计算机辅助绘图(CAD)能力的笔记本计算机，足以胜任这项工作。

需将STL文件转换为称为初始图形交换规范(IGES)的中性文件格式，它在三维CAD软件包中使用很普遍。然后，从代表转轮表面的IGES文件中，创建能代表3D嵌衬的IGES文件。与转轮凹坑紧密配合的该嵌衬部分，可从转轮表面数据中直接获取。

通过分析周边非空蚀转轮的表面，来确定转轮嵌衬的外表面。根据这种表面信息，可以设计一个新嵌衬的平滑轮廓线，使其与原先的转轮断面达到最佳匹配。此外，也可以设计边缘斜面及其他一些特性，以方便最终的安装。

关于转轮嵌衬的IGES文件是完整的，可以直接发送给制造商，由他们据此选用合适的材料，采用铸造或数控加工技术制造成实际的部件。

3 应用新技术

OPG公司在卡里波(Caribou)发电站废弃的螺旋桨转轮上对新技术进行了首次试验。首先是拆除部分转轮叶片，运往坝址处的维修车间，任选转轮叶片上的一个部位进行修复。然后，对该部位实施打磨，以重复典型的空蚀修理工作。

加拿大安大略省欧克斯桥(Uxbridge)的Agile制造公司受聘于OPG公司，对转轮区域和现有受损区域周边的表面进行扫描。根据这些扫描数据，创建一个IGES文件，向OPG公司提供需要修理的表面和未损坏外围表面的真实情况，用这些数据来显示“丢失”的受侵蚀转轮的表面。OPG公司利用各种计算机软件程序，例如Solidworks和Rhino3D，便可产生一个适合转轮空洞和与现有转轮表面紧密匹配的三维嵌衬。

采用三维建模软件，从孔隙周边未受损的外围开始扫描，根据近似的和外围扫描数据，可以近似地得出嵌衬的外表面轮廓。

现在已完成了表示该嵌衬的文件，OPG公司使用计算机模型来模拟测试拟合;利用已完成的文件，来产生一个计算机数控加工文件;为五轴铣床编写一个计算机程序，编写完立即将新创建的加工文件上传。为方便铣加工，Agile制造公司利用铝坯加工该零件，然后将加工好的试件安装在模拟转轮段。结果配合尺寸正确，与转轮表面吻合良好。

基于该实验的成功，OPG公司决定利用这项技术来修复运行中的水轮机，并选择了装机容量18.5 MW的Ear瀑布发电站直径为107 n.的莫里斯水轮机转轮作为修复对象。

2008年秋，水轮机停机进行定期维护。检查发现，转轮叶片和节流环已空蚀。

OPG公司选择了两个转轮叶片和大约1/3的节流环进行修复。经检查，发现有8个部位出现了严重的空蚀坑。首先打磨受损区域，除去蚀坑的表面，然后Agile制造公司对该部位进行扫描。大约4 h后，扫描完成，机组返回运行。

一旦开发完成8个转轮嵌衬的IGES模型文件，即将其用电子邮件发到艾伯塔省卡尔加里(Calgary)的MA铸钢厂。然后，开始建造铸模和生产砂型铸件，铸件必须与计算机模型完全匹配。MA铸钢厂采用一个称为Magmasoft的软件程序，模拟和优化铸造浇铸，以消除任何可能的空隙和缺陷。为了此次测试，使用了316 L不锈钢铸造转轮部件。

2009年春，机组停机，安装新转轮嵌衬。机组运行6个月后，修复区域又新增了轻微的空蚀。铸造的嵌衬吻合良好，只需进行轻微打磨，以适应所有部件;嵌衬的边缘仍做成斜面，然后再焊接到位。在较大的嵌衬上，随机钻几个直径为1 n.的孔，以方便对嵌衬焊接。

在停机期间，OPG公司还决定实时测试新的修复方法，并选择了3个空蚀的转轮叶片。2009年5月21日，打磨和扫描了空蚀的表面，设计了新的嵌衬，并通过电子邮件发至翻砂车间以便铸造。然后，用316L不锈钢熔模铸造工艺铸造这些嵌衬。2009年5月28日，铸造厂将完工的部件发货。从开始扫描至部件完工，总共只用了7 d时间。第2 d，就已将新嵌衬焊接到位，机组返回运行。

运行1 a后，OPC公司关闭该机组以便检查修复后的转轮状态，并配备摄象机进行检查。结果表明，没有发现可见的损伤，该机组恢复运行。

基于这些测试结果，OPG公司得出如下结论:

(1)使用该技术修复转轮，所需维修时间比以前的方法缩短约30%，该数字会根据损伤程度和需要维修的量发生变化。

(2)机加工嵌衬适合于一次性部件，而铸造适合于批量生产零部件。

(3)由于减少焊接量，转轮叶片变形程度降至最小。转轮嵌衬本身作为一个支撑，有助于防止变形。

(4)比较容易维持原来的转轮表面。通过开发三维模型和扫描数据，OPG公司能够创建准确表述原始转轮断面。采用以前的技术，焊工必须超焊，然后再打磨回到创建转轮轮廓，而且该程序只能基于经验判断，没有可靠的方法来确定成品的形状是否成功。

(5)工作条件较好，因为需要焊接的量少，也不需要额外的转轮叶片支撑。

(6)最小嵌衬厚度应为0.25 n.，这使得通过铸造或加工生产零件更容易，薄片也更难以牢固地焊接到转轮表面。因此，在准备扫描时，将受损区域至少打磨到最小厚度是值得的。

本文将层次分析的方法应用在矿井设计方案中，初步尝试决策方法，应用的结果证明，层次分析的方法非常简单实用，具有系统性、逻辑性和灵活性，在采矿领域里，除了选择矿井设计方案之外，还可以进行系统优化、采矿方案优化等，各类资源的设计、分配都可以实用层次分析法进行判断和处理。

(7)略微受损区域可用堆焊修复。

(8)转轮嵌衬不能与转轮完全融合，必须判断是否合格，因此该方法不适合高应力区。

为使该技术得到进一步开发，OPG提出了以下建议。

(1)如果冶金性能兼容和焊接技术适当，有可能会使用抵抗空蚀的嵌衬材料(如铬镍铁合金、钨铬钴合金及各种牌号的不锈钢)。

(2)空蚀往往发生在相同位置，因此，OPG公司可能会利用以前收集的历史数据，而无需额外扫描和进行模型开发就能替换嵌衬。

(4)可以使两次停机维护之间的运行时间更长。遭受空蚀的转轮需要经常检查，最好在空蚀还未渗透太深之前修复。如果维修间隔延长，焊接修复量大，转轮叶片扭曲的可能性与熔池体积的增加成正比。只要保持结构完整，使用嵌衬技术，可使转轮的维护间隔延长1倍。

(5)可将扫描的数据精确拷贝，用于其他工作。例如，重复的转轮部分可以用任何材料制作，这种复制可在维修车间进行;可设计、预制和测试新的部件(如转轮端部的抗空化唇，防止产生不必要的涡流)，适配转轮复制件，以在将来停机时安装。

(6)修复前扫描转轮，建立基准参考，用于完工后进行比较。

4 结语

OPG公司两项试验经验表明，新技术达到了公司原先制定的标准，而且用途相当广泛，可以大大减少转轮修复的时间，因为大部分工作只需用一台计算机完成。现在，该公司与提供服务的供应商建立了合作关系，以快速有效地实施该项技术。

对于OPG公司来说，扫描受损转轮表面的准备工作相当简单。只是将受损转轮表面清理好以备扫描，一个技术人员可在约4 h内完成扫描;然后，外部供应商完成建模和生产新部件。一旦新转轮嵌衬到达现场(约10 d)，OPG公司能在约2 d时间内安装好。

在将来的水利设施中，可能会使用三维扫描。该技术可以应用于受侵蚀影响的区域(如进水闸门、压力钢管和导叶)，通过扫描评估出现问题区域的一般状况。其主要优点是能迅速捕捉其他设备难以到达区域的准确的三维图象，然后，机组可恢复运行，收集的数据则输入到计算机。当计算机完成分析后，即可开发修理程序，并在车间制造组件，从而大大减少电站的停机时间。