三眼橋水電站轉輪磨損問題初探

張書選

（澄城縣水務局 陜西 澄城 715200）

澄城縣三眼橋水電站位于洛河中下游澄城縣堯頭鎮境內，該電站設計水頭16.7m，引水流量28.4m3/s，裝機容量3750kW，電站工程于1996年5月修建，1998年正式投產運行。由于在電站設計時對洛河水質認識不足，設備選型存在一定缺陷；加之運行初期經驗不足以及一些其它實際原因，造成機組連續運行時間短，負荷下降迅猛，嚴重制約著電站安全正常運行。為解決這一問題，電站和廠家共同探討，并向設計院，科研單位專家咨詢請教，分析產生問題的原因以及尋找解決的方法。

1 運行初期轉輪磨損情況

運行初期，機組運轉約600h以后，導葉開度在90%～100%區間內機組出力不變，若導葉開度在90%以下，就發現機組出力出現下降情況；機組運行1500h以后，機組出力迅速下降，導葉開度在70%～100%區間內，實際出力僅為額定出力的60%～70%。分析原因只能是轉輪磨損所致，但由于運行初期經驗不足，未適時進行修理。堅持運行至2000h，三臺機組出力均下降至額定出力的50%以下，機組振動、噪音危及安全運行，不得已情況下決定進行機組大修。吊出轉輪后，發現轉輪磨損，氣蝕嚴重，葉片已磨掉1/3左右，剩余部分表面以及轉輪母體、轉輪室表面全是蜂窩麻面，有的深度甚至達10mm，由于時間緊，汛期急，只得盡快更換新轉輪后繼續運轉。但好景不長，類似情況再次出現，機組出力開始持續下降。在此情況下電站領導高度重視，技術人員也已多方聯系咨詢，探討辦法制定實施方案。

2 轉輪磨損原因分析

為了弄清楚轉輪磨損的原因，曾走訪了多家同類型電站，雖然都存在轉輪磨損問題，但磨損程度相對輕得多。初步斷定，三眼橋轉輪磨損問題不單是由于泥沙問題造成的，其原因應該是多方面的。因而進一步請生產廠家、設計院等有關技術人員現場查看，并向科研單位專家多方面咨詢，分析造成轉輪磨損嚴重的主要原因有以下四個方面：

（1）洛河水質的高泥沙含量及砂粒成分是造成轉輪磨損的主要原因。洛河水質平時泥沙含量約為10%～30%左右，汛期泥沙含量可達60%左右，并且砂含量較大、砂質較硬導致了轉輪磨損。

（2）轉輪材質選用不當是造成轉輪磨損的重要原因。廠家所配轉輪材質為不銹鋼，韌性較好但硬度不足。當水質好以氣蝕為主時，選用不銹鋼材質抗氣蝕性能好；但當水質較差以磨蝕為主時不銹鋼耐磨性能較差，而錳鋼材質較硬抗磨性能較好。在含泥沙水流中，工作的水力機械除了會發生空化而產生氣蝕外還將發生砂粒磨蝕，且發生在水力機械中的砂粒磨損不同于一般的砂粒磨損，常常與空化現象相伴發生，加劇過流部件的空蝕和磨損破壞。三眼橋水電站轉輪室均為氣蝕和磨蝕并存，且互相作用疊加遞增，根據電站實際情況分析，水質泥沙含量大，轉輪磨損主要以磨蝕為主，因此，應以解決磨蝕為主，轉輪材質應優先選用錳鋼材質。

（3）該機組選型為浙江金華水輪機廠生產的ZD560—LH—120型軸流式水輪機，葉片結構設計較薄，也是造成轉輪壽命較短的一大原因。廠家原設計葉片根部厚度為20mm～50mm，稍端邊緣厚度僅為7mm，稍磨即損，若再與氣蝕相互作用，磨損進一步加劇。但如果加厚葉片，可能導致出力達不到額定值，科研人員也有此顧慮。

（4）機組轉速過高也是造成轉輪壽命減少的重要原因。在泥沙特性和設備材料等條件相同時，水流對設備的磨損強度主要取決于材料表面的相對流速，三眼橋水電站機組轉速為500r/min，由于轉速較高致使葉片表面相對流速較大，也成為轉輪磨損的又一重要因素。

3 解決轉輪磨損的方法

根據磨損的原因分析，解決的方案可以從以下幾個方面考慮采取措施：①從水質上解決問題。優化水沙調度，設置沉沙設施。這對于小型電站來說，投資大，技術復雜，沒有實施的可行性。如果從生產運行上調度，在汛期停機，又將導致電站效益損失太大。②更換水輪機，重新選擇適合的機組進行改造。這個方案會受到受多方面因素制約，在當時來說也是不可能實施的。③從過流部件的材質和葉輪葉片形狀上采取技術措施。④對過流部件表面采取處理措施。⑤采取精加工水輪機葉片，以保護型線準確而減少氣蝕。結合電站實際情況和方案實施的可行性，并從經濟角度進行成本效益分析，三眼橋對解決轉輪磨損問題采取了以下兩項改進方案：

3.1 改變轉輪材質，調整葉片角度，加大轉輪厚度

將轉輪原不銹鋼材質變為錳鋼材質。委托科研人員根據該站實際水力參數和機組性能對轉輪進行改型設計，在不影響機組出力和機組效率的情況下，調整了葉片角度，以改善水流方向而減小氣蝕。此外，加大葉片厚度，將葉片根部厚度變為30mm～70mm,葉片邊緣厚度變為20mm～40mm，以增加葉片的使用壽命。采取以上措施后，經實際使用觀測，機組性能穩定，出力達到預期效果，機組效率沒有降低。

3.2 對過流部件表面采取處理措施

在采用葉片表面處理方法試驗時，曾嘗試過金屬粉末噴涂處理，耐磨陶瓷技術，環氧砂漿噴涂處理等多種方法。經過多年的探索總結，采用環氧砂漿表面處理技術穩定成熟，操作簡單適用，而且對于轉輪母體、葉片表面及轉輪室、導、座環等受損部位均能比較容易的進行環氧砂漿噴涂處理。

采用環氧砂漿噴涂處理時，首先將過流部件受損表面清理凈，用電焊堆補、打磨整平；其次，對需處理的部件表面進行噴砂除銹，封閉加溫，待溫度適合時再噴涂環氧金剛砂；最后，在部件表面再涂一層環氧樹脂，使表面平整光滑。待環氧砂漿達到一定強度，經檢查驗收合格后即可進行機組安裝。

4 改造后的效果及注意事項

經過多年來的不斷總結完善，環氧砂漿抗磨技術在三眼橋電站運用也日臻成熟，現在該電站轉輪利用時間均在10000h以上，在和改造前相同用水量的情況下，各臺機組出力和效率均已達到或超過額定值。該解決方法經濟適用，改造后效果明顯突出。

在技改過程中應注意：①轉輪改型設計要適合實際情況，尊重科學原理，按照水力學原則經設計選擇適配轉輪。②機組大小修要適時。要依據河流來水泥沙含量的周期性、機組累計運行時間以及運行方式等方面來確定大修周期；根據機組的狀況來判斷轉輪磨損程度來確定小修周期，應盡可能及時進行小修來保證不縮短大修周期，以提高機組運行效率。③轉輪表面處理時要注意采用的材料質量合格、方法環境得當、工藝工序操作嚴謹，否則將難以達到預期效果。

5 結語

三眼橋水電站運行初期一直受轉輪磨損問題的困擾，機組效率低下，經過多年來在實踐中的不懈地摸索總結，尋找出了一套適合電站實際情況的解決的方法，使機組運行能夠持續保持正常高效，電站效益得到了顯著提升。陜西水利