（国电四川毛滩水电开发有限公司 四川夹江 614100）
摘要：通过对某水电站34W轴流转桨式水轮机投运一年后出现的磨蚀现象进行分析研究，明确判断出原因为大粒径异物撞击所致。通过对比两种修复方法，选择和确定了适合机型的修复措施。通过修复作业，证明该方案简单有效，经济可行。
关键词：水轮机桨叶 大粒径异物 撞击 磨蚀 修复
1、概述
某水电站为河床式，装机4台（3×34MW+3MW），2014年投产，34MW轴流转桨式水轮机由东风电气集团东风电机厂有限公司生产，型号：ZZD471-LH-550，额定水头17m，额定流量225.40 m3/s，额定转速107.1r/min；发电机为立轴悬式，型号为SF34-56/8200。1#机组于2014年12月15日开展1＃机组流道检查工作，在对机组水轮机过流部件进行检查的过程中，发现1#水轮发电机组桨叶进水边出现较为明显的磨蚀破坏现象：
2、现象特征
该水电站1#机组水轮机为轴流转桨式机型，采用5片桨叶布置，桨叶转动角度为31°，叶片外缘旋转轮廓直径为Φ5550mm，其中进水边长度约2.2m。机组流道检查过程中，我们发现1#机组的5片桨叶均出现了较明显的磨蚀破坏现象，其特征为：1、磨蚀现象的发生部位均为桨叶进水边靠叶片外缘20-30mm处至900-1000mm区域内，详见图1。2、桨叶迎水面，背水面，出水边及叶片外缘裙边和转轮室均未发现有任何磨蚀或气蚀痕迹，详见图2。3、桨叶磨蚀区域磨蚀程度呈不规则正态分布，最严重位置均为进水边靠叶片外缘400-600mm区域，桨叶进水边形线破坏程度由此区域向进水边靠大轴侧和叶片外缘裙边侧逐渐减轻，直至消失。4、桨叶进水边原有形线和倒角被破坏，磨蚀破坏位置呈多为犬齿状，少数部位并有钝器打击痕迹，磨蚀部位与叶片迎水边和背水边的过渡不自然，呈明显锋利锐角状，少数部位可看到有磨蚀部位金属材料上卷下翻超过叶片迎水面和背水面形线情况出现，详见图3。5、桨叶迎水面靠近磨蚀部位有轻微的肉眼可见的呈点状的表面内凹现象，桨叶迎水面表面光洁度良好，详见图4。
图2 桨叶背水面、裙边及转轮室情况
3、原因分析
通过查询机组状态监控系统，在一年的机组运行期内，未发现机组出现过异常轴承摆度和机架振动变化，可以判断，机组运行状态良好。从1#机组转轮桨叶的磨蚀破坏位置和特性状态上进行现象对比，发现此次1#机组转轮桨叶的磨蚀情况与常规轴流转桨式转轮的磨蚀现象有着明显差异，主要表现在：1、磨蚀发生部位仅出现在桨叶进水边，其他部位没有磨蚀现象；2、桨叶裙边对应转轮室部位未发现任何磨蚀情况；3、磨蚀破坏的部位有材料上卷现象。
根据1#机组转轮的磨蚀特点和这三点差异，结合机组投运前后情况及实际运行水环境，我们得出以下结论：
3.1 1#机组磨蚀破坏为单纯的磨蚀破坏，无气蚀原因。理由如下：轴流转桨式水轮机机组的典型气蚀部位为桨叶的背水面和桨叶裙边对应转轮室部位（间隙气蚀），但在1#机组的对应位置均未发现有任何气蚀痕迹。
3.2 1#机组磨蚀破坏为大粒径异物短时打击所致。理由如下：（1）桨叶磨蚀位置均发生在每片桨叶进水边靠近裙边的位置（距离转轮室近，距离转轮中心体远），说明异物随水流从蜗壳进入转轮室的路径更靠近转轮室外缘，据此推测异物粒径大，重量大，没有被水流带入靠近转轮中心体位置，而仅仅打击了桨叶进水边靠近转轮裙边的位置。（2）从桨叶迎水边形线破坏痕迹呈钝器打击和犬齿状，同时少数部位可看到有磨蚀部位金属材料上卷下翻超过叶片迎水面和背水面形线情况，这正是典型的物体打击痕迹，如果水流中异物的粒径不大，重量不足，是不足以产生以上破坏效果的。（3）桨叶迎水面靠近磨蚀部位有轻微的肉眼可见的呈点状的表面内凹现象，说明水流中的异物对转轮桨叶的撞击不仅发生在桨叶进水边，也出现在了桨叶迎水面上，且异物粒径较大。而迎水面表面光洁度良好的事实也表明，异物撞击的持续时间不长，破坏情况轻微。
3.3、桨叶磨蚀破坏的时间可能在机组投产前后。理由如下：与1#机组同类 型且同期投产的3#机组在2014年9月份进行了流道检查，未在转轮桨叶上发现任何磨蚀现象。经查阅对比1、3#机组的运行记录，发现两台机组的在投入商业运行后，在运行小时数和负荷水位运行区间并无较大差异，但在水库正式蓄水前，为处理挡沙坎缺陷，1#机组曾打开进口快速门一周放空前池积水，而3#机组在这一时期从未打开过进口快速门。推测正是这一步骤使前池中蓄存的大粒径石块、混凝土块等异物通过1#机组拦污栅进入蜗壳。通过查阅设计资料得知，当机组正常运行时，通过桨叶的流速最高能达到11m/s，水流裹挟异物在如此流速下产生的动能足以对桨叶造成相当的打击破坏。1#机组在一年的运行时间内未出现过异常的轴承摆度和机架振动变化，也从侧面说明，1#机组的磨蚀现象未出现明显的加剧破坏问题，说明1#机组的磨蚀现象很可能仅出现在机组投运后的特殊时期。
综上所述，1#机组的磨蚀破坏可以判定为大粒径异物在机组投运前后进入蜗壳，在机组正常运行过程中随水流撞击水轮机桨叶迎水边所致。
4、修复处理
4.1、工艺选择
1#机组桨叶母材为ZG0Gr13Ni4Mo,属于马氏体不锈钢，厂家提出两种修复方案，一是用CHS232不锈钢进行焊接修复处理，二是用CHS307不锈钢焊条进行焊接修复处理。第一种方案的优点是，CHS232焊条金属成分与母材较为接近，缺点是焊接修复需要对焊接部位进行预热和焊后保温，作业用时较长，而CHS307焊条的优点是则可在常温下直接进行焊接，缺点则是焊条金属成分相似性不如CHS232。经过查阅相关资料，对ZG0Gr13Ni4Mo的材料力学成分进行再分析，确认该材料叶片组织为马氏体+铁素体，属于析出硬化不锈钢，具有良好的焊接适应性，一般不需要预热或后热即可获得无裂纹的焊接接头，且厂家有成功修复类似桨叶的经验。结合电站现场实际，经过慎重考虑，决定采用CHS307不锈钢焊条并结合A132焊条进行手工焊接、风动砂轮打磨的方法修复1#机组桨叶受损部分。焊接工艺要求：
1、采用角形砂轮打磨清除所有缺陷至确认无缺陷，并打磨圆滑所有清除缺陷部位。
2、 坡口及两侧各50mm范围内，打磨去除油漆、毛刺、铁锈、焊渣，清理油污、水份等。
3、焊工应具有基本知识和操作技能，持相应、有效的合格证或操作证。
4、焊接方式采用手工电弧焊（SMAW）。焊条必须烘焙1小时以上，随烘随用；焊接电流见表1。为减少焊接变形，应该采用小规模施焊。同时，焊工可根据焊接位置和个人操作最佳参数自行调整焊接参数。
5、焊接时，除了满足常规要求外，注意以下要求，每焊完一层，应彻底清除焊渣等杂质后方可施焊下一层，按此方法直至焊完为止。
6、不允许一次性将焊道填满，宜采用多层多道焊接，各层（道）之间必须用钢丝刷清除焊缝表面的焊渣，风枪锤击去除应力，才可施焊下一层（道），层间温度控制在100～150℃每层（道）。施焊时可采用月牙形运条方式，具体焊接操作可根据实际情况（比如焊接位置、坡口尺寸、间隙大小等）自行适当调整。
打磨工艺要求：严格按照桨叶进水边形线进行打磨和抛光，打磨中发现有任何焊接缺陷，必须对缺陷部位重新进行补焊和打磨。CHS307焊条用于打底和堆焊、A132焊条用于缺陷修复。
4.2、修复作业
1#机组桨叶实际修复作业时，安排安全员、焊工和磨工，共三人，实际用时3日。五片桨叶均进行了焊接和打磨工作，焊接部位焊材与母材结合良好，未发现夹渣、裂纹、气孔等缺陷，桨叶进水边通过打磨后，形线完全恢复，打磨位置光洁度与桨叶其他位置近似，详见图5。1#机组经修复后重新投入运行，通过振摆监测，未发现机组轴承摆度和机架振动有异常现象。
4.3、过水检查
2015年5月中旬，1#机组开展过流部件检查工作，经过4个半月的运行实践，桨叶修复部位形线完好，修补焊材与桨叶母材结合良好，过渡自然，未见裂纹和异物撞击痕迹。详见图7,图8。
5、结论
5.1某电站 34MW水轮机桨叶磨蚀的原因为流道内大粒径异物撞击水轮机桨叶迎水边所致。
5.2采用CHS307不锈钢焊条对材质为ZG0Gr13Ni4Mo的轴流转桨式机组桨叶磨蚀部位进行焊接修复简单有效，经济可行。
作者简介
陈远，1982年生，男，河南三门峡人，工程硕士，工程师，二级建造师，安全工程师，从事水电站安全生产管理工作。
论文作者:陈远
论文发表刊物:《电力设备》2016年第3期
论文发表时间:2016/6/1
标签：桨叶论文; 机组论文; 转轮论文; 部位论文; 异物论文; 水轮机论文; 轴流论文; 《电力设备》2016年第3期论文;