李 權(quán)，謝 斐

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

底環(huán)是位于導(dǎo)葉下部形成水輪發(fā)電機組導(dǎo)水機構(gòu)下部過流表面的環(huán)狀結(jié)構(gòu)部件。其固定于座環(huán)上，它與頂蓋一起形成過流通道，支撐活動導(dǎo)葉的下軸頸。

1 電站概況

水布埡電站壩址位于恩施巴東縣境內(nèi)，是清江梯級開發(fā)的龍頭樞紐電站。電站裝有4臺單機為460 MW混流式水輪發(fā)電機組，額定水頭183.5 m，設(shè)計流量278 m3/s，保證出力312 MW，水輪機型號為：HLS45-LJ-597，由上海福伊特西門子水電設(shè)備有限公司設(shè)計制造。機組采用徑向式導(dǎo)水機構(gòu)，其由頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)、活動導(dǎo)葉、導(dǎo)葉軸承及密封、導(dǎo)葉操作機構(gòu)以及接力器組成?；顒訉?dǎo)葉為三支點支撐結(jié)構(gòu)，一個位于底環(huán)上，另兩個位于頂蓋套筒上。

2 空蝕破壞情況

水布埡電站2、3號和4號機組在擴修過程中，發(fā)現(xiàn)底環(huán)導(dǎo)葉軸孔處都有較為嚴重的空蝕損壞現(xiàn)象(見圖1)，損壞位置為端面密封中心線偏低壓側(cè)處(具體部位見圖2、3)，并且22個導(dǎo)葉軸孔均發(fā)生了相同損壞情況，呈現(xiàn)出有規(guī)律分布在每個導(dǎo)葉孔的兩處位置，但是與活動導(dǎo)葉軸頸對應(yīng)位置卻沒有發(fā)現(xiàn)類似損壞情況。

圖3 底環(huán)導(dǎo)葉軸孔損壞結(jié)構(gòu)示意部位圖

3 空蝕原因分析

從2、3號和4號機組都相同的出現(xiàn)了底環(huán)導(dǎo)葉軸孔損壞情況，可以初步認為是有規(guī)律出現(xiàn)的，且損壞的原因與機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)有相應(yīng)的關(guān)系；從底環(huán)導(dǎo)葉軸孔損壞的位置在端面密封中心線靠近下游側(cè)處，初步判斷底環(huán)導(dǎo)葉軸孔的損壞是在活動導(dǎo)葉關(guān)閉狀態(tài)下活動導(dǎo)葉上下游有極高水壓壓力差時產(chǎn)生的；從活動導(dǎo)葉軸頸對應(yīng)位置沒有發(fā)現(xiàn)類似損壞的情況分析，兩者材質(zhì)的不同說明對底環(huán)導(dǎo)葉軸孔的損壞有不同的抵抗能力，對其后期做修復(fù)處理選材有一定的參考意義；從頂蓋導(dǎo)葉孔相同位置沒有發(fā)生類似底環(huán)導(dǎo)葉軸孔的損壞情況分析，頂蓋處的實際運行狀態(tài)應(yīng)是不同于底環(huán)的，對底環(huán)處下端面密封后期做結(jié)構(gòu)設(shè)計改進有可借鑒意義。

從表象分析出的原因出發(fā)，進一步深入研究分析底環(huán)導(dǎo)葉軸孔的損壞原因：

3.1 分析底環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計對底環(huán)導(dǎo)葉軸孔損壞的影響因素

另查閱頂蓋，套筒和導(dǎo)葉相關(guān)尺寸，導(dǎo)葉φ370 mm軸頸與頂蓋φ372 mm軸孔配合也是存在間隙，軸向總間隙2 mm；套筒底部與導(dǎo)葉φ370 mm軸頸上平面在調(diào)整號端面間隙后存在4.2 mm的間隙。

以上底環(huán)軸孔、導(dǎo)葉軸和頂蓋軸孔的設(shè)計數(shù)據(jù)表明在活動導(dǎo)葉軸頸φ350 mm和φ370 mm的端面確實存在環(huán)形過流通道，也是產(chǎn)生空蝕的原因之一。而在軸向配合面由于有端面密封和橡膠底墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，雖從理論上在活動導(dǎo)葉軸頸φ350 mm和φ370 mm的軸向面是不會形成過流通道，但從實際安裝端面密封的情況檢查發(fā)現(xiàn)端面密封條和橡膠底墊與軸徑配合處存在軸向過流。在機組開機穩(wěn)定運行時，導(dǎo)葉處過流面的壓差很小，導(dǎo)葉和導(dǎo)葉軸頸處只是形成過流通道，在出現(xiàn)翼型面等情況可能形成脫流造成空蝕。在導(dǎo)葉軸徑處此時造成的空蝕破壞很小。當(dāng)機組關(guān)機時，活動導(dǎo)葉關(guān)閉在導(dǎo)葉立面和端面封閉但會在導(dǎo)葉兩側(cè)形成高低壓區(qū)，而導(dǎo)葉軸頸處由于設(shè)計裝配存在間隙形成軸向和端面環(huán)形泄露通道。從而使得底環(huán)低壓側(cè)產(chǎn)生空蝕破壞。

3.2 分析底環(huán)自身材質(zhì)對底環(huán)導(dǎo)葉軸孔損壞的影響因素

水布埡電站底環(huán)材質(zhì)為低合金結(jié)構(gòu)鋼(Q345)，其塑性和焊接性能良好，常用做車輛、機械、電站和橋梁等承受動荷的結(jié)構(gòu)和機械部件，但是其耐腐蝕和抗空蝕性能一般。Q345鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、表2。

表1 Q345材料的化學(xué)成分

表2 Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能

水布埡電站活動導(dǎo)葉材質(zhì)為低碳馬氏體不銹鋼(ASTMA743CA6NM)。ASTMA743CA6NM鋼，因為其優(yōu)異的鑄造和焊接性能、良好的強韌性及耐腐蝕性和抗空蝕能力被廣泛應(yīng)用于水電站水輪機各組件中，其微觀組織為回火馬氏體和彌散分布在馬氏體基層中的片層狀逆變奧氏體的兩相結(jié)構(gòu)[1]。ASTMA743CA6NM鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能[2]見表3、表4。

表3 ASTMA743CA6NM材料的化學(xué)成分

表4 ASTMA743CA6NM低碳馬氏體不銹鋼力學(xué)性能

參考當(dāng)組織不均勻時 ,較弱組織首先破壞；具有均勻組織特別是低碳馬氏體組織的不銹鋼 ,其抗氣蝕性能優(yōu)良[3]。根據(jù)表1、2、3、4中Q345和ASTMA743CA6NM的化學(xué)成分、力學(xué)性能分析，結(jié)合底環(huán)和活動導(dǎo)葉實際的多年運行后的空蝕現(xiàn)狀，證明了ASTMA743CA6NM的耐腐蝕性和抗空蝕能力比Q345強，也說明了為優(yōu)化底環(huán)導(dǎo)葉軸孔被空蝕處情況，則底環(huán)導(dǎo)葉軸孔處的用材應(yīng)選用與ASTMA743CA6NM的化學(xué)成分和力學(xué)性能接近的材料。

3.3 分析端面密封的改造對底環(huán)導(dǎo)葉軸孔損壞的影響因素

水布埡電站活動導(dǎo)葉端面密封原始設(shè)計是采用的銅質(zhì)密封條進行密封。但是由于銅質(zhì)密封條的抗空蝕能力極差，機組在運行幾年后，銅質(zhì)端面密封條被嚴重空蝕導(dǎo)致導(dǎo)葉關(guān)閉時封水效果變差。再者，由于水布埡電站機組結(jié)構(gòu)設(shè)計原因，端面密封條的更換很困難，因此在2011年開始將銅質(zhì)密封條更換為耐腐蝕性能、耐磨性能和抗空蝕性能優(yōu)異的聚氨酯復(fù)合材料密封條[4]。在端面密封更換初期，活動導(dǎo)葉關(guān)閉時底環(huán)導(dǎo)葉軸孔軸向泄露同銅密封狀態(tài)一致，不會產(chǎn)生空蝕。但是隨著端面密封不斷的擠壓變形延展其在端面與導(dǎo)葉軸頸φ350 mm形成軸向密封，依據(jù)密封條的結(jié)構(gòu)端面密封和導(dǎo)葉軸頸會形成線接觸密封。導(dǎo)葉下軸套和中軸套長期磨損后配合間隙過大，且在導(dǎo)葉關(guān)閉時由于接力器壓緊行程和水壓作用導(dǎo)致導(dǎo)葉有外翻或者向高壓側(cè)受力，導(dǎo)葉存在彈性形變。在此狀態(tài)導(dǎo)葉下軸軸頸處靠向低壓側(cè)，中軸徑靠向高壓側(cè)。導(dǎo)葉軸頸φ350 mm與端面密封形成的密封面或者密封線從上到下的傾斜密封線，且從上到下壓縮量和密封性遞減。在水壓的作用下，軸向高壓水在靠近端面密封高壓側(cè)斜著向低壓側(cè)噴射到損壞區(qū)域形成沖擊破壞。雖然端面密封被擠壓延展此處壓縮量不至于被壓力水沖開，但是該空蝕區(qū)域也是高壓端面環(huán)形水流的向上的泄露區(qū)域，此處則是在銹蝕后產(chǎn)生局部空蝕導(dǎo)致惡化，所以此處導(dǎo)葉軸頸φ350 mm沒有存在空蝕現(xiàn)象。此過程是一個逐步惡化的銹蝕和空蝕過程，也反應(yīng)了改造后的聚氨酯端面密封條雖然解決原銅質(zhì)密封條嚴重空蝕問題，但是卻導(dǎo)致了底環(huán)導(dǎo)葉軸孔的銹蝕和空蝕的惡化。

4 處理建議

從上述分析的三個影響因素考慮處理方法，可以選擇改善底環(huán)導(dǎo)葉軸孔處的材質(zhì)、優(yōu)化改進端面密封和改進底環(huán)與活動導(dǎo)葉的配合間隙與形式。首先，從水布埡電站機組實際情況考慮，底環(huán)與活動導(dǎo)葉的配合間隙和形式在多年的運行中反映是穩(wěn)定的，并且改進底環(huán)與活動導(dǎo)葉的配合間隙和形式需要對整體導(dǎo)水機構(gòu)進行計算驗證可行性，以及處理的難度極大和經(jīng)濟耗費極高，所以不作為優(yōu)選處理方案推薦。其次，2012年水布埡電站端面密封改造后，聚氨酯材料的端面密封運行了9年驗證了其良好的耐磨損性、耐腐蝕性和抗空蝕性能，大幅度提高了端面密封使用壽命，成功地解決了以前端面密封存在的問題，另外聚氨酯材料的端面密封條在當(dāng)前已是各方面性能很突出，所以再將端面密封條改為銅質(zhì)密封條或其他橡膠類的材料在端面密封本身功能需要上是不合理的。最后，改變底環(huán)導(dǎo)葉軸孔被空蝕破壞部位的材質(zhì)從可操作性和經(jīng)濟耗費上考慮都是可行的，只是改變被空蝕破壞的部位的工程量相對是不大的，從底環(huán)的結(jié)構(gòu)來分析其實際操作難度也不大，所以改變環(huán)導(dǎo)葉軸孔被空蝕破壞部位的材質(zhì)推薦為最佳優(yōu)先方案。

綜上影響因素分析，底環(huán)導(dǎo)葉軸孔空蝕破壞主要是機械作用,其次為腐蝕因素，其機械作用主要是氣泡潰滅時對材料表面帶來的多次沖擊應(yīng)力，腐蝕因素是普通化學(xué)銹蝕和電化學(xué)腐蝕等[5]；結(jié)合以改變環(huán)導(dǎo)葉軸孔被空蝕破壞部位的材質(zhì)推薦為最佳優(yōu)先方案，建議在底環(huán)導(dǎo)葉軸孔被空蝕破壞處噴焊上一層抗空蝕性能和耐腐蝕性能很好的鎳基合金Ni60噴焊層[6]或是使用氬弧焊焊接一薄層與活動導(dǎo)葉材質(zhì)相同具有相近抗空蝕性能和耐腐蝕性能的低碳馬氏體不銹鋼兩種方法。

4.1 噴焊鎳基合金Ni60抗空蝕層

在我國現(xiàn)用的抗空蝕噴焊層材料中，鎳基自熔性合金以其優(yōu)良的耐空蝕和良好的工藝性能在熱噴涂領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，特別是在水電站的轉(zhuǎn)輪、活動導(dǎo)葉、底環(huán)等過流部件中的應(yīng)用。Ni60合金粉末噴焊層，涂層致密，表面光滑，具有節(jié)約材料、質(zhì)量好等優(yōu)點，被選為本次底環(huán)抗空蝕和銹蝕的保護層，其化學(xué)成分和主要性能見表5。

在噴焊鎳基合金Ni60層前，先將底環(huán)導(dǎo)葉軸孔做補焊修復(fù)，并在機組原設(shè)計基礎(chǔ)上預(yù)留2 mm左右厚度噴焊層余量，采用火焰噴焊法在已經(jīng)修復(fù)的底環(huán)導(dǎo)葉軸孔空蝕表面以及空蝕區(qū)域前后各100 mm長度區(qū)域噴焊鎳基自熔性合金Ni60粉末。另外若是經(jīng)濟耗費能承受，采用激光復(fù)熔技術(shù)處理效果更好。Ni60層噴焊工藝技術(shù)要求如表6。

表5 Ni60自熔合金的化學(xué)成分和主要性能[4]

表6 Ni60層噴焊工藝技術(shù)要求

4.2 焊接薄層的低碳馬氏體不銹鋼

現(xiàn)在應(yīng)用較廣泛的金屬表面保護層是采用堆焊法將具有很好性能的不銹鋼焊接覆蓋在金屬表面，其操作難度相對簡單，經(jīng)濟耗費底。堆焊法可以保證焊層與不銹鋼有很高的結(jié)合強度，但焊層厚度需要控制均勻，對不銹鋼材料的要求比較高?？紤]到底環(huán)導(dǎo)葉軸孔空蝕處不需要承受荷載的情況，活動導(dǎo)葉本身材質(zhì)從實際運行中反映出在被破壞處的抗空蝕和腐蝕性能很好，因此選擇與活動導(dǎo)葉本身材質(zhì)相同的焊條用做修復(fù)保護層，即選用氬弧焊焊絲ER410NiMo，直徑2.0 mm，焊絲ER410NiMo化學(xué)成分與活動導(dǎo)葉ASTMA743CA6NM化學(xué)成分對比見表7，ER410NiMo熔敷金屬力學(xué)性能(590℃×1 h)見表8。

使用氬弧焊焊絲ER410NiMo修復(fù)底環(huán)導(dǎo)葉軸孔技術(shù)要求如下：

1)焊接處須徹底清除油污、鐵銹、水份等表面雜質(zhì)，以防止焊接時產(chǎn)生氣孔、裂紋等，清理時，打磨被修復(fù)表面及周圍要磨出金屬光澤。焊前應(yīng)清除焊絲表面的油、垢及銹等污物。

2)為使焊縫獲得良好的機械性能，MIG焊接的保護氣體采用Ar+2%O2，保護氣體流量以20～25 L/min為優(yōu)。TIG焊接的保護氣體采用純氬氣保護，純度要在99.99%以上，保護氣體流量以8～15 L/min為宜。焊接電流控制在90～110 A，進行多層覆蓋堆焊。

表7 ER410NiMo與ASTMA743CA6NM材料的化學(xué)成分對比

表8 ER410NiMo熔敷金屬力學(xué)性能(590℃×1 h)

3)金屬保護層須覆蓋底環(huán)導(dǎo)葉軸孔空蝕表面以及空蝕區(qū)域前后各100 mm長度區(qū)域，焊接保護層的厚度在機加工或打磨修型后應(yīng)不小于5 mm。

4)焊前被焊部位預(yù)熱100～150℃，焊后經(jīng)580～600℃回火處理。

5 結(jié) 語

水布埡電站機組在多臺次擴修中發(fā)現(xiàn)底環(huán)導(dǎo)葉軸孔呈現(xiàn)規(guī)律性空蝕破壞現(xiàn)象，引起關(guān)注和重視。通過分析其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和端面密封改造前后等影響因素，明確了底環(huán)導(dǎo)葉軸孔空蝕破壞的原因。結(jié)合可行性、可操性以及經(jīng)濟性等多方面考慮，給出處理建議，以優(yōu)化和改善底環(huán)導(dǎo)葉軸孔處的空蝕破壞情況。