齊經緯，陳立東

（東北電網有限公司太平灣發(fā)電廠，遼寧丹東118000）

1 電站簡介

太平灣發(fā)電廠長甸電站位于鴨綠江中下游，位于中朝共享水豐電站的右岸（中國側），距下游太平灣電站29 km。電站總裝機150 MW，單機75 MW，為原天津發(fā)電設備廠生產的HL-200-LJ-380水輪機。該站額定水頭70 m，最大水頭93.3 m，最小水頭62 m，額定流量為106 m3/s。由于該站為后期興建，機組取水口比較高，取水口兩側是泥沙堤壩，無混凝土擋墻，當上游水位較低時，大量的泥沙進入機組，加上機組導葉的加工質量問題，使導葉的空蝕量逐年增加。

2 導葉空蝕現狀

長站機組為立式混流式機組，共有24個導葉，導葉材質為A3鋼。自1989年投運以來，由于導葉加工質量較差，導葉發(fā)生了嚴重的空蝕，盡管其間每次小修都進行檢查處理，但空蝕仍逐漸加重，24個導葉都發(fā)生了不同程度的空蝕，空蝕的總面積占導葉總面積的1/10以上，導葉空蝕最深處達51 mm，最寬處達105 mm?？瘴g發(fā)生在導葉壓板槽附近，如圖1所示。

3 導葉空蝕原因分析

（1）根據空蝕理論，空蝕的發(fā)生主要是由液體的空化特性引起的?？栈且后w中水動力學的一個現象，是液體的一種物理性質，在任何正常環(huán)境下，固體或氣體都不會發(fā)生空化?？栈且后w減壓的結果，即控制壓力降低的程度可控制空化現象。如果壓力降低到使該液體狀態(tài)變化的臨界壓力以下，則將產生空化現象。

圖1 空蝕位置示意圖（單位：mm）Fig.1 Location of the cavitation on the guide vane

（2）從液體動力學的觀點，沿一個流道運動的液流中，無論如何，當液體的流速在方向上或數值上由于導流表面使其發(fā)生變化，必然同時亦存在壓力的變化，因為根據理想的不可壓縮液體流線上兩點的伯努利方程式：

這個方程式表示單位重量液體沿流線的壓能、動能和位能的總和E是保持不變的。如果在液體運動過程中速度提高或液體位置升高而使動能或位能增加，那么根據伯努利方程，在該點的壓力就要降低，并且可能達到此種液體相應溫度下的汽化壓力，使液體能轉化為汽態(tài)。由于導葉進水邊的凸棱、凹槽使水流脫離邊界層形成脫流而引起壓力下降，使水汽化為汽態(tài)，構成空化的必要條件。

（3）同時液體空化的初生與液體的抗拉強度有關。從基本的概念說，空化是在局部壓力下降到液體汽化壓力及以下瞬間完成，它只是空化開始的必要條件，而不是充分條件。因為要發(fā)生空化，液體中首先要滋生空穴（或稱空泡），空泡要能得以產生，則液體必須破裂，破裂所需的應力不以蒸汽壓力來衡量，而是取決于該溫度下液體的抗拉強度。由于液體具有抗拉強度，使得空化開始都必須有大小和延續(xù)時間足夠的拉應力作用。液體之所以具有抗拉強度是由于分子間的作用力，因而能承受拉力。對于絕對純潔的水，它的抗拉強度很高，能達到30～150個大氣壓，在這種情況下是很難發(fā)生空化現象的。由于實際中不可能有這樣純潔的水用于水力發(fā)電，必然是含有許多雜質的水，這樣就對水的抗拉強度產生了極大的影響。由于濕潤度這個重要因素將直接影響液體和固體之間的聯接強度，即水與導葉的聯接強度大大降低，因此空穴（空泡）在導葉表面極易形成，構成了空化的充分條件。

（4）當空化的充分與必要條件具備以后，空泡發(fā)育膨脹到可觀的尺寸并隨水流運動到較高的壓力區(qū)。一方面受到外界壓力的壓縮，另一方面也由于它上游面與下游面運動速度的不一致而存在內在撕裂的傾向，當微泡受壓縮到一定尺寸使微泡內外不能保持力的平衡時潰裂。在潰裂的瞬息，空泡周圍水流有力圖充塞此空間的傾向，這種徑向內流產生極高的射流速度，形成對固體邊界表面的高速沖擊，從而對過流表面材料產生極大的破壞作用，這是空蝕發(fā)展的初期主因。

（5）當氣泡潰裂對導葉的材料產生破壞作用后，加上流沙及水流對材料的剝落作用不斷暴露導葉母材的新鮮表面，加速了水對導葉金屬材料的電化與化學腐蝕，加重了對母材的破壞作用。

（6）水流中混雜的泥沙降低了水的抗拉強度，在高速水流中，空蝕空泡產生的機率大大增加，再加上氣泡的強烈脈動，增加水流的紊流，也加速了泥沙的磨損，空蝕與泥沙磨損的聯合作用更加劇了空蝕的嚴重程度。

在上述幾種因素的綜合作用下，使導葉發(fā)生了嚴重的空蝕。

根據導葉空蝕發(fā)生的部位、特點及空蝕理論，分析導葉空蝕發(fā)生的外部原因，主要有如下幾點：

（1）導葉的流線型不符合圖紙要求，導葉的進水邊有凸棱、平臺、凹槽及導葉密封壓板凸出等現象，如圖2所示。

圖2 導葉進水邊不良工況Fig.2 Unfavorable condition of the guide vane on the water intake side

由于導葉進水邊存在著凸棱、壓板凸出及凹槽，當高速水流通過這些地方時，在凹槽內凸棱及壓板凸出部分的后面等地方產生脫流現象，壓力降低，從而發(fā)生空化現象，進而空化產生的微泡潰裂。潰裂引發(fā)的極高速水流對導葉產生沖擊作用，加上泥沙磨損及電化、化學腐蝕作用，對金屬材料產生破壞作用，使破壞部位逐漸加深，形成這些部位的空蝕。

（2）導葉的壓板槽內發(fā)生空蝕現象，主要是由于建站初期，導葉壓板螺釘經常被沖刷掉，導葉壓板及密封膠條被沖掉一部分或全部，從而在這些部位形成脫流，發(fā)生空蝕破壞，如圖3所示。后來雖然對導葉壓板螺釘進行改進并加以固定，但仍時常發(fā)生這種現象，形成惡性循環(huán)。

（3）由于導葉壓板及密封膠條脫落，機組停機時，這些導葉關閉不嚴，存在縫隙漏水，漏出的高速水流穿過縫隙進入轉輪室時，壓力降低，在導葉內側形成脫流，發(fā)生空蝕。

圖3 導葉壓板槽內的空蝕破壞Fig.3 The cavitation in the platen groove on the guide vane

4 導葉空蝕的處理方法及導葉整形

根據導葉空蝕發(fā)生的輕重情況，采取如下兩種處理方法。

（1）對于空蝕較輕的導葉，處理方式如下：

①用氣刨去掉已經空蝕的蜂窩化組織部分，即把已經空蝕的部分全部刨掉；

②用砂輪或角向磨光機等工具磨去碳化層，露出金屬母材；

③用J507焊條堆焊，為了減少大量焊接造成的應力集中及形變、開裂等現象，采用邊焊接邊錘擊，并始終控制焊接部位母材不超過晶變溫度；

④全部處理表面應略高于線型表面；

⑤堆焊處理后的導葉上刨床，根據圖紙的設計要求，重新加工導葉壓板密封槽；

⑥對導葉進水邊的凸棱及凹槽進行整形，使其達到圖紙要求；

⑦進行鉆孔及攻絲，以便安裝密封壓板及膠條，原設計壓板螺釘為M12，為了加強緊固強度，改用M16壓板螺釘；

⑧導葉壓板原為鍍鉻結構，現改用不銹鋼1Cr13Ni9壓板；

⑨導葉密封膠條壓板安裝后，將不銹鋼壓板螺絲用不銹鋼焊條點焊在壓板上，防止壓板螺釘脫落導致空蝕發(fā)生。

（2）對于空蝕嚴重的導葉，用氣刨及刨床沿導葉高度方向刨出一個寬槽，補焊上一個用40號中碳鋼加工的完整的裝鑲條，這個裝鑲條兩立面及端面的三個方向用J507焊條焊接，焊接的方法及其他工作同上。具體情況如圖4所示。

圖4 裝鑲條焊接示意圖Fig.4 Sketch drawing of strip welding

應用上述兩種方法對全部24個導葉進行空蝕處理及整形工作，處理完畢刷防銹底漆后，回裝。

5 結 語

經過上述處理，在以后幾次小修檢查中沒有發(fā)現導葉壓板及密封膠條脫落現象，導葉空蝕比處理前顯著減輕，大大改善了導葉的空蝕狀況，為機組的安全運行及提高機組設備質量提供了有力的保障。

為減弱導葉的空蝕程度，提出如下建議：

（1）機組應最大可能地在最優(yōu)工況下運行，以減輕機組過水部件的空蝕。

（2）應盡量避免機組在低水頭下運行，以防止大量的泥沙進入機組，加重過水部件的泥沙磨損及空蝕程度。

（3）在機組取水口修筑混凝土護堤，防止低水頭及汛期漲水時泥沙沖入機組，對機組運行產生不良影響。

（4）利用機組大小修時間對空蝕進行檢查，發(fā)現轉輪及導葉空蝕及時處理，應用不銹鋼焊條等抗空蝕性能好的材料進行補焊處理，并根據空蝕輕的或無空蝕發(fā)生的葉型進行整形處理，補焊后嚴格打磨光滑平整，并達到高光潔度，以減緩空蝕的破壞。

（5）被沖掉的導葉壓板及密封膠條，應及時進行更換，壓板螺釘被水沖掉的也應及時安裝，并用不銹鋼焊條點焊牢固、磨平，防止空蝕發(fā)生。

[1]季盛林，劉國柱.水輪機（第二版）[M].1986.