孙文泽
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摘要：介绍水电站混流式水轮机转轮的常见缺陷类型，即裂纹、空蚀和磨损，并对其产生原因进行了简要分析，提出一些处理及解决方案。
关键词：水轮机转轮；裂纹；空蚀；磨损；缺陷
1 前言
水电资源作为清洁能源，是我国能源的重要组成部分，在能源和经济可持续发展中占有重要地位。我国水能资源理论蕴藏量约为6.76亿kw，可开发容量约为3.78亿kw，居世界首位[1]。近年来，我国水电事业进入了飞速发展的阶段，然而在水电站的建设及运行中遇到了大量技术问题，其中水轮机转轮作为水轮机的核心部件，承担着将水能转化为机械能的任务。水轮机转轮在运行中由于受到异常运行情况、水流泥沙冲刷以及转轮设计、制造、材质等方面的影响，往往会产生各种危险缺陷，大大制约了水电站的发展。
本文以混流式水轮机转轮为例，分析了水轮机转轮常见的几种缺陷（裂纹、空蚀、磨损）出现的位置及其产生原因，并提出了对上述缺陷的处理及防护方法。
2 常见缺陷出现位置及类型
混流式水轮机转轮由上冠、下环、叶片组成。转轮叶片分布在上冠与下环之间，转轮叶片上端固定于转轮上冠，下端固定于转轮下环。轮叶呈扭曲形，各轮叶间形成狭窄的流道，转轮材质一般为不锈钢铸件，转轮叶片通过焊接工艺装配在上冠与下环之间。
混流式水轮机转轮常见的缺陷类型一般为裂纹、空蚀、磨损等三种，一般主要分布在叶片上下端与转轮上冠、下环连接处的焊缝端部（出水边侧和入水边侧），部分空蚀缺陷还会发生在叶片正面（出水侧）及出口下环内壁处，而由于泥沙冲击等原因，也会造成部分叶片边沿及叶片正、背面磨损。
3 缺陷产生原因分析
转轮缺陷严重影响水电站的安全运行和经济效益，当缺陷扩大到一定程度后，叶形会有较大改变，进而导致水力不平衡，效率降低，严重的会导致叶片断裂而损坏机组的灾难性事故[2]，为此，本文对转轮缺陷的产生原因进行了简要分析。
3.1 裂纹
转轮裂纹一般发生的部位在叶片根部焊缝（包括叶片正面和背面）及热影响区、叶片正面的出水边处。
影响裂纹发生的主要原因有以下几个方面：
1）应力集中：转轮在水压力及离心力的作用下，转轮叶片存在四个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面（压力分布面）靠近上冠处；叶片出水边正面的中部；叶片出水边背面靠近上冠处；叶片与下环连接区内[3]。若转轮叶片与上冠、下环间的过渡Ｒ角设计较小，将会增加叶片设计应力，引起应力集中。在实际运行中，应力集中是叶片产生裂纹的主要原因之一。
２）制造质量：转轮的制造质量主要由生产厂家的铸造和焊接工艺来保证。铸造气孔、夹杂、砂眼等在外力作用下会成为裂纹源，造成裂纹的产生和扩展。由于叶片与上冠、下环的厚度相差较大，在焊接过程中易产生缩孔、疏松等缺陷，运行过程中，在焊缝和热影响区内会产生裂纹。另外，叶片形线差、表面粗糙、出水边高应力区出现不应有的尖棱也有可能促使转轮裂纹的产生。
3）转轮材质：转轮的材质与裂纹的产生和扩展密切相关。目前，大多数水电厂采用的转轮材质为低碳马氏体钢，如：ZG20Mn，ZG06Cr13Ni6Mo、ZG06Cr13Ni4Mo等；部分水电站也采用低合金铸钢，如：ZG15MnMoVCu，该钢种脆性转变温度高，可焊性差，用其制造的转轮易发生严重裂纹，此种钢在目前水电站中已很少装配。另外，如果转轮叶片与上冠、下环的材料不一致，容易在焊接过程中产生较大的残余应力，也会大大加速裂纹的产生。
4）运行状况：由于混流式水轮机叶片安放角不能调节，当水头或负荷偏离最优工况较多时，因水力不稳定而使叶片承受较大的动载荷，促使裂纹产生[4]。另外，长期低负荷、超负荷运行，频繁开停机会加大水流交变载荷作用，从而导致转轮裂纹的产生和扩展。
3.2 空蚀
空蚀主要是由于漩涡真空造成气泡破裂，在金属表面产生局部大的应力而将表面的金属损坏的现象。其特征一般是先在金属表面形成许多细小的麻点，然后逐渐扩大成洞穴，严重的可以在金属表面形成大片的凹坑甚至穿孔，对转轮破坏性极大。空蚀破坏类型分为翼型空蚀、空腔空蚀、间隙空蚀和局部空蚀四种，转轮一般发生翼型空蚀。
由于转轮叶片进水面和背水面存在压力差，进水面为正压，背水面为负压，当水流绕流转轮叶片时，转轮叶片接近进水处和出水处压差最大，空蚀破坏也最容易发生在这两个部位。
造成转轮空蚀的原因主要是气泡的产生，因此在机组运行过程中应尽量减少水中的含气量和水流动中的扰动，防止形成局部涡流，以减少气泡的产生；水中含沙量的多少和水的酸碱腐蚀度在很大程度上影响着转轮空蚀的速度；另外转轮的材质、铸造质量和加工缺陷而形成的表面不平整、砂眼、气孔等也加速了转轮的空蚀破坏程度。
因此，在检修过程中应提高检修工艺水平，检修后金属表面光洁对于抗空蚀性能非常重要。除此之外，涂覆防护层，优化补气量和吸出高度以及改变补气的方向和位置等抗蚀措施同样可以减轻转轮的空蚀程度。
3.3 磨损
多泥沙河流中的坚硬砂粒撞击转轮而使叶片微体积剥落，导致转轮叶片减薄、穿孔、抗蚀性下降。泥沙磨损一般认为是机械和化学作用的共同结果，其中机械作用占主导地位。转轮叶片的泥沙磨损形貌一般为较深的冲沟和坑穴，严重时产生大面积波纹、鱼鳞坑及沟槽。磨损通常发生在叶片正、背面，以叶片进口边背面靠近下环转弯处及正面出水边区靠近下环处最为严重[5]。多泥沙河流上的水轮机运行时，泥沙磨损和空蚀往往同时存在，而且作用互相叠加递增，大大加速了水轮机过流部件金属表面的破坏进程。
造成转轮磨损的原因主要是河流的泥沙含量，而减少河流泥沙含量主要靠保护环境和增加森林覆盖率，因此这是一个长期的过程。其次，机组的运行条件和转轮制造工艺条件、材质的选择等也是影响转轮磨损的重要因素。
对于转速较高的机组来说，转速越高，形成的水击越频繁，水击及磨损对通流部分的破坏越严重[6]，使叶片的寿命大大降低，严重影响水轮机出力。转轮叶片材质宜选用锰钢，水质好时，转轮缺陷以空蚀为主，不锈钢材料韧性好，抗空蚀能力强；当水质差且以磨损为主时，不锈钢耐磨性能差，锰钢材质较硬且抗磨性能好，应优先选用锰钢。
减轻转轮磨损最有效的方法是采用抗磨焊条堆焊进行防护和在转轮过流金属表面涂覆防护层，常用的涂覆层包括聚氨酯橡胶涂层、碳化物涂层、环氧金刚砂涂层。
4 结论
在转轮这三种缺陷的产生过程中，往往不是独立的，三者之间相互影响，相互促进。空蚀严重时造成金属减薄，在应力作用下容易产生裂纹；转轮过流金属表面磨损后，由于表面粗糙，极易产生空蚀，而空蚀的产生会进一步加剧磨损程度；另外，转轮表面产生裂纹后，也会造成空蚀的产生和磨损的加剧。水轮机转轮是水轮机的核心部件，其缺陷严重威胁水电站的安全经济运行，因此，有必要加强转轮无损检测，研究和分析缺陷产生原因并做好转轮表面金属防护工作，从而有效提高机组综合效率，延长检修周期，充分发挥机组的最大综合效益。
参考文献
[1] 曹楚生.我国水利水电发展的新理念[J]，《水利水电技术》第38卷，2007年第1期 7-13，38.
[2] 孙春芳.混流式水轮机转轮裂纹扩展探讨[J]，《动力工程》第22卷，2002年6月第3期 1827-1831.
[3] 沈炜良.水轮机转轮的有限元计算及裂纹分析［J］，《广西大学学报（自然科学版）》，2000，25（3）：238- 240.
[4] 樊世英.混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施[J]，《水力发电》2002年第5期，38-41.
[5] 杨铁钢，阳莉，陈德新.黄河流域水电站混流式水轮机的磨蚀与防护研究[J]，《华北水利水电学院学报》，2009年12月，第30卷第6期，71-72.
[6] 张群虎. 多泥沙河流减轻水轮机磨蚀的途径[J]，《中国水能及电气化》，2010年4月，48-49，59.