水力发电机组转轮室气蚀修复措施探讨

王传磊

摘 要：王甫洲水电站装设4台进口灯泡贯流式水轮机组，水轮机由奥地利ANDRIZ水轮机制造厂制造。运行以来，长期处于超高设计水头运行，逐渐发生汽蚀，并不断加深，直接影响到机组的出力和安全运行。气蚀是一种复杂的水动力学现象，为消除和减轻气蚀的危害，在加强设计、制造和使用研究的同时，文章将探讨那些能够修复已产生气蚀破坏的部件、部位的有效措施。

关键词：气蚀;转轮;转轮室;修复措施

中图分类号：TK730.3 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2020）09-0051-02

王甫洲水电站装设4台进口灯泡贯流式水轮机组，水轮机由奥地利ANDRIZ水轮机制造厂制造。其主要技术参数为：额定水头7.52m，额定流量412m³/s，额定出力28.1MW，额定转速71.4r/min，机械飞轮力矩480t㎡，水力飞轮力矩240t㎡，最大毛水头10.3m，最小毛水头3.7m，转轮直径7.2m，其由转轮室、导叶机构、转轮、尾水管等组成。水电站转轮和桨叶为不锈钢材料，在检修过程中发现转轮室内表面沿桨叶转动区域存在汽蚀现象，直接影响到机组的出力和安全运行。气蚀是一种复杂的水动力学现象，为消除和减轻气蚀的危害，在加强设计、制造和使用研究的同时，对已产生气蚀破坏的部件、部位进行有效修复。

1 检查中发现的问题

2019年10月，王甫洲水电站#3机组在进行A级检修时，组织技术人员对拆卸完成的转轮室进行检查，发现4扇转轮室有明显的气蚀现象。产生的汽蚀缺陷位于转轮室内表面沿桨叶转动区域，以上部人孔盖板及附近最为严重，呈蜂窝状孔洞，点状分布，宽度为600mm～800mm，普遍深度为1mm～5mm，局部深度达25mm，气蚀区域约25㎡，如图1、图2所示。查阅制造安全图纸标注的转轮室母材为Fe360C，对应中国国标材料为Q235。

2 产生原因分析

王甫洲水电站灯泡贯流式水轮机组额定水头7.52m，最大毛水头10.3m，最小毛水头3.7m。水电站转轮和桨叶为不锈钢材料，转轮室母材为 Fe360C，对应中国国标材料为 Q235，其韧性和防汽蚀性能不佳。为了降低度电耗水率，提高机组发电效率，运行以来长期处于超高设计水头10.3m区域运行，尾水出现大量的汽泡。运行过程中，水流在水轮机中流动通过压力低于汽化压力区，从桨叶间隙过水部份水汽化沸腾产生汽泡，产生局部冲击压力，产生对金属周期性的撞击并产生水击压力，使金属表面受到反复的冲击载荷，造成材料被破坏，导致金属晶体汽蚀脱落[1]。汽蚀反复发生在同桨叶进、出水边的转轮室上，故在长时间超高水头运行下，逐渐发生汽蚀并不断加深。

3 具体修复措施

结合国内同类型灯泡贯流式水轮机组水电站处理的经验，根据王甫洲水电站转轮室的气蚀范围和深度，以及水轮机组长期运行状态，可以对气蚀区采用转轮室修复（冷补）工艺修复（贝尔佐纳金属修补技术）进行处理，使修复后的转轮室达到耐磨损、耐气蚀的效果，同时更能有效控制转轮室的变形。

3.1 预先清洁气蚀区域

人工用钢丝刷、铲刀、抹布等对每块转轮室进行预清洁、除油、除锈、除垢等，对气蚀孔洞用小电磨头进行钻孔打磨，清除气蚀层、盲孔及锈蚀点，清除气蚀区域内的污物、锈蚀物、氧化层、淤泥等。

3.2 气蚀区域表面粗糙处理

对转轮室气蚀区域1000mm宽度沿周长方向进行喷砂除锈、除垢等作业，处理后表面粗糙度不小于75μm;喷砂作业要在封闭空间进行。喷砂过程中，要保证喷砂量和质量，作业过程中要控制喷砂速度，匀速进行操作，必须把气蚀区域全部处理干净;喷砂作业人员必须戴输送空气全封闭面罩，穿好防护服，戴好防护手套等作业防护用品，防止被作业产生的粉尘等伤害。保证修补材料吸附及粘合质量，并延长材料使用寿命。

3.3 气蚀区域表面吹扫

现场采用移动式空压机产生压缩空气，对喷丸区域进行吹扫。吹扫过程中要从一个方向开始，防止粉尘四处扩散。采用抽风措施控制空气中的杂质，不得有遗漏区域。将汽蚀孔洞的灰砂吹扫干净，确保孔洞和周边区域清洁。

3.4 气蚀处理区域基面清洗

用清洗剂将已除锈的表面清洗干净。清洗作业前，对抹布进行检查，应干净无其他杂色;抹布擦拭区域要没有遗漏，直至抹布颜色与原来本色一致。

3.5 气蚀修补

等待清洗剂自然完全干燥和挥发后（常温下约30min），气蚀处理区域基面彻底干燥完成。将修补材料用电子称称重，按说明书要求配比混合，搅拌均匀后对气蚀孔洞进行填充、修补，并用专用工具尽量刮平。

3.6 气蚀修补后表面打磨

等待修补材料约2h内初步固化后，用抛光机装夹R40粗砂纸对修补材料进行磨平，将气蚀修补后表面的凹凸起处磨平，保证整个气蚀修补后表面光滑无明显凸起。打磨过程中，与气蚀修补后表面要轻轻接触，不能用力过猛，造成气蚀修补表面磨损，损坏修补部位。

3.7 修补后表面清洗

用清洗剂将已磨平的表面清洗干净。清洗作业前，对抹布进行检查，应干净无其他杂色;抹布擦拭区域要没有遗漏，直至抹布颜色与原来本色一致。

3.8 敷涂

按要求在气蚀区域表面进行三层涂敷，每层间隔在2h左右，确保干燥后进行下一层涂层;每层按表面积计算涂料重量，根据配比混合高分子超滑材料，搅拌均匀后对转轮室气蚀区域表面进行均匀刷涂;最终厚度可控制在0.4mm左右;敷涂作业期间不能间断，每层敷涂要尽量压实，确保没有空隙和气泡，作业场地周围无产生粉尘、油烟废气及动火作业等，保持作业现场环境清洁。

3.9 检测

敷涂作业完成，当涂层完全干燥后，在每个转轮室气蚀处理区域要有不少于24个的检测点并均匀分布。检查整个刷涂面的连贯性与完整性，测量涂层厚度，既要达到修复要求，也要确保回装后桨叶与转轮室的空气间隙在规定范围内。

3.10 细磨

人工用细砂纸对整个表面做去毛刺处理。毛刺处理过程中，与涂层表面要轻轻接触，不能用力过猛，以免造成涂层表面磨损、损坏修补部位，保证整个表面光滑。

3.11 中间验收

每道工序完工后，先自检合格，然后通知甲方及監理来现场见证与验收，方可进入下一道工序。每块转轮室完工后，经甲方及监理验收合格方可开始下一块转轮室的施工。

3.12 最终验收

最后一个块转轮室施工完毕，经甲方及监理验收合格后，按照甲方及监理要求工完场清，开始拆卸施工防护罩及设施。平台现场清扫干净，废料收集到指定地点，做好相关资料移交手续，修复后的转轮室和和人孔盖板如图3、图4所示。

4 结语

水轮机转轮室的气蚀，严重威胁了水轮发电机组的安全稳定性。其降低了水轮机的工作效率，减少发电量，破坏材料，威胁发电设备的安全运行[2]。王甫洲水电站采用转轮室修复（冷补）工艺修复，不仅能够高效、迅速地修复水轮机转轮室的气蚀问题，还减少了水轮机检修费用，缩短了水轮机检修时间，确保能在省调批准的计划检修时间内完成A级检修，顺利开机并网。并且取得了良好的使用效果，提高了水电站的综合效益和社会效益。

参考文献

[1] 张石坚.高分子材料在水轮机转轮室气蚀修复中的应用[J].广东水利水电，2019（2）：48-50.

[2] 林泉江.转轮及转轮室空蚀的处理[J].水电站机电技术，2005，28（2）：37-41.