大峽水電站水輪機抗磨蝕技術(shù)措施及磨蝕修復(fù)

王旺寧

（國投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050）

大峽水電站水輪機抗磨蝕技術(shù)措施及磨蝕修復(fù)

王旺寧

（國投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050）

水輪機磨蝕是一個需綜合治理的系統(tǒng)工程,詳細介紹了大峽水電站水輪機在水力設(shè)計、部件制造、生產(chǎn)維護中所采取的一系列成功應(yīng)用的抗磨蝕措施，以及對磨蝕開展修復(fù)工作的成熟工藝措施，以供針對多泥沙河流水輪機抗磨蝕措施的研究及應(yīng)用工作者參考。

水輪機；防磨蝕；措施；磨蝕修復(fù)

大峽水電站位于甘肅省白銀市和榆中縣交界處，距蘭州市約65km。電站以發(fā)電為主，兼顧灌溉等綜合利用，水庫總庫容為0.9億m3，為日調(diào)節(jié)水庫，低水頭河床式電站，電站設(shè)計裝機容量300MW（4×75MW），多年平均發(fā)電量14.65億kW·h，設(shè)計年利用小時數(shù)為4880h（實際運行5000-6000h）。1996年12月8日首臺機投產(chǎn)發(fā)電，1998年1月4臺機全部投產(chǎn)。電站主要相關(guān)參數(shù)如表1：

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根據(jù)黃河中上游同類型電站實際運行狀況，水輪機磨蝕問題不可避免，而且往往是造成轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)等流道部件破壞，成為進行機組檢修的主要解決目標(biāo)問題。大峽電站汛期河流泥沙含量大，水頭變幅快，因此在機組設(shè)計、制造及后期的運行實踐中，為了最大限度減少磨蝕，延長機組檢修間隔周期，降低運行成本，采取了合理選擇水輪機參數(shù)、優(yōu)化水力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計、采用優(yōu)質(zhì)抗磨材料等主要措施以增加水輪機的抗磨蝕性能，并成功摸索出一套有效的水輪機磨蝕修復(fù)工藝。

1 水輪機設(shè)計制造中主要采取的抗磨蝕技術(shù)措施

1.1 降低水輪機轉(zhuǎn)速參數(shù)，減小轉(zhuǎn)輪出口相對流速，減輕轉(zhuǎn)輪的磨蝕

根據(jù)國內(nèi)外在水力機械泥沙磨損方面的研究成果，水力機械的磨損速度和轉(zhuǎn)輪的圓周速度的4～5次方成正比。按照常規(guī)設(shè)計選型，該機組按照模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10′=134r/min，其轉(zhuǎn)速可選用88.2、90.9、93.75r/min三種轉(zhuǎn)速方案中較高轉(zhuǎn)速，其既能使得在全年加權(quán)平均水頭23.8m時，水輪機基本運行在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速上，而且電機重量減輕，從而降低機組造價。但當(dāng)在汛期加權(quán)平均水頭20.73m運行時，卻偏離最優(yōu)工況較遠，且轉(zhuǎn)輪出口相對流速較大，這對水輪機運行十分不利，必將加劇轉(zhuǎn)輪的磨蝕。相反，若采用88.2r/min的較低轉(zhuǎn)速，則其汛期運行工況較好，并且可減小轉(zhuǎn)輪出口相對流速，減輕轉(zhuǎn)輪的磨蝕，雖然電機重量將有所增加，但對運行較為有利。綜合比較，選型設(shè)計時兼顧了汛期運行工況，選擇較低的機組轉(zhuǎn)速88.2r/min方案，使水輪機在汛期盡量少偏離最優(yōu)工況運行，從而減輕高速含沙水流對水輪機部件的磨蝕。

1.2 綜合工況考慮，合理選擇水輪機的吸出高度，確定安裝高程

在渾水條件下，空蝕往往提前發(fā)生，而且空蝕與磨損的聯(lián)合作用又將進一步加重水輪機的磨蝕損壞程度。一般而言，安裝高程適當(dāng)降低較為有利于降低磨蝕，但因汛期下游水位高，機組裝得過低對防反水錘造成的轉(zhuǎn)槳式機組的“抬機”非常不利，所以應(yīng)綜合計算額定工況、汛期運行工況和非汛期運行工況，進行技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)綜合比較，合理選擇水輪機吸出高度。

鑒于黃河流域泥沙含量大，通常而言應(yīng)選擇較大的空蝕余量系數(shù)。在本電站選擇該系數(shù)時，有專家建議，將空蝕余量系數(shù)選擇K=1.4，由此確定的吸出高度應(yīng)為Hs=-6.6m，然而根據(jù)水庫運行實際特性，電站裝機4臺，在運行調(diào)度上有很大的靈活性，水輪機在一臺機流量以額定出力運行出現(xiàn)的頻率極低，大部分時間運行在汛期和非汛期加權(quán)平均水頭附近，按照額定工況時渾水電站空蝕余量系數(shù)取值最小值K=1.3取值，在汛期加權(quán)平均水頭工況則為K=1.51，有較大裕量；在非汛期加權(quán)平均水頭工況（水質(zhì)較清）則為K=1.36，也有較多裕量，而由此確定的吸出高度僅為Hs=-5.5m。所以經(jīng)綜合分析比較，最終選定吸出高度為Hs=-5.5m，據(jù)此確定機組安裝高程，既留有一定的裕量，保證水輪機能有效地抗空蝕、抗磨損并長期高效運行，又減少電站投資。

1.3 優(yōu)化水力設(shè)計，提高水力性能

軸流式水輪機內(nèi)，從導(dǎo)葉出口到轉(zhuǎn)輪葉片進口，是一段水流非常復(fù)雜的區(qū)域。在導(dǎo)葉出口邊水流有脫流漩渦，比較紊亂；在導(dǎo)葉出口的下端面和底環(huán)之間還有一個楔形區(qū)，水流在導(dǎo)葉下斷面形成新的脫流；而且，此時水流還要轉(zhuǎn)彎，如底環(huán)型線設(shè)計不好，又會在轉(zhuǎn)輪室上環(huán)形成脫流漩渦，進而對該部位形成空蝕破壞，所以在將導(dǎo)葉分布圓直徑從1.16D1加大到1.2D1的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化流道設(shè)計將蝸殼包角由180°改進為225°；通過轉(zhuǎn)輪體有限元計算分析選擇轉(zhuǎn)輪輪轂比由0.44降為0.43，相應(yīng)的空蝕系數(shù)由0.575降為0.465，空蝕裕量增大；另外通過固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉雙排葉柵損失計算，葉片局部修型等手段，對過流部件的水力合理匹配，對ZZ500轉(zhuǎn)輪進行進一步優(yōu)化改型研制出富春江水工廠的F24轉(zhuǎn)輪，最大限度地減少水力損失和空化的發(fā)生，以達到機組水力設(shè)計在最優(yōu)工況，保證水輪機既具有較高的水力性能，又有較好的空蝕性能和運行穩(wěn)定性。

1.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用優(yōu)質(zhì)材料，提高制造質(zhì)量

為延長水輪機抗磨壽命,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取了必要的防磨蝕措施，主要有：

（1）導(dǎo)水機構(gòu)：頂蓋和底環(huán)過流面均設(shè)有抗磨板，活動導(dǎo)葉的上、下端面及進出水邊均采用不銹鋼型材加工而成。其中頂蓋抗磨板選用45號鋼，而對更易磨損的底環(huán)表面，選用改性超高分子量聚乙烯材料抗磨板，其抗磨性能是不銹鋼1Cr18Ni9Ti或Cr16Ni5Mo材料的8～10倍以上，抗空蝕性是常用不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料的10倍以上，且具有很強的韌性，但硬度很低，易加工。使用該材料后，其導(dǎo)葉端面密封還可以直接在抗磨板平面上加工一個凸臺（圖1）而成，簡單有效。

圖1 抗磨板環(huán)形凸臺

為保護抗磨板連接螺栓的頭部，避免其磨蝕以方便檢修時拆卸，采用兩種型式的蓋帽：A型適用于六角螺栓，所占位置較大；B型適用于內(nèi)六角或圓柱頭螺釘，安裝位置受限時使用。安裝時在蓋帽螺絲處涂膠，擰緊后與抗磨板同車削，使抗磨板表面平滑，可避免局部磨損，且更換方便（圖2）。

圖2 抗磨板安裝固定圖

（2）水輪機轉(zhuǎn)輪：轉(zhuǎn)輪體母材為ZG20SiMn，轉(zhuǎn)輪葉片為抗磨蝕性能較好的ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼材料，為減緩間隙流引起的葉片外緣的空蝕和磨損，在葉片外緣設(shè)有抗空蝕裙邊。葉片型線、表面粗糙度及波浪度是影響水輪機效率和抗磨蝕性能的重要因素，為此在制作過程中，除采取了一些措施以提高不銹鋼的冶煉質(zhì)量外，還嚴格控制加工工藝，盡力提高葉片質(zhì)量，以增強其抗磨蝕性能。

為解決葉片進水邊的脫流空蝕，延長水輪機抗磨壽命，還采用葉片頭部比較厚，進水邊圓弧比較大的翼型，這樣做盡管會降低最優(yōu)工況效率，但可提高葉片對不同沖角的適應(yīng)能力，減輕脫流。

（3）轉(zhuǎn)輪室的主要磨蝕部位也采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼材料。

2 機組磨蝕狀況及磨蝕修復(fù)

采用如上磨蝕措施后，不管從流道全模擬試驗，還是真機空蝕檢測均達到了預(yù)期的效果。在1999年3月制造廠與電站共同進行的1號水輪機的空蝕磨損情況檢測中，葉片進水邊靠外緣迎水面及葉片正面靠出水邊外緣處局部有輕度的磨蝕，單個葉片空蝕坑最大面積約69.3mm2，空蝕最大深度約1.6mm,轉(zhuǎn)輪的失重量遠遠低于允許的失重量（此時實際運行時間已達9802h，而技術(shù)文件規(guī)定的運行8000h允許失重量不超過36kg），水輪機檢修周期可明顯延長。表2統(tǒng)計了4臺機組自投產(chǎn)以來的檢修狀況，從中可看出不管是A級還是B級檢修間隔年均較《發(fā)電企業(yè)設(shè)備檢修導(dǎo)則》規(guī)定時間有大幅度的延長。

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下面就電站機組長期運行后的磨蝕狀況及磨蝕修復(fù)工藝予以介紹：以3號機組為例，該機組第一次B級檢修時機組累計運行時間42056h，B級檢修后截止到開始第一次A級檢修時運行25534h，累計運行67590h。檢查發(fā)現(xiàn)主要磨蝕部位有：轉(zhuǎn)輪輪轂體表面（在葉片活動區(qū)域范圍內(nèi)與葉片配合處局部深坑）、轉(zhuǎn)輪葉片表面（第一部分主要發(fā)生在葉片邊緣向內(nèi)側(cè)延展部位的上下表面的翼型空蝕，在整體磨蝕量中占比較大；第二部分主要發(fā)生在葉片的外圓弧形部位的間隙空蝕；第三部分主要是局部空蝕，在葉片出水邊及葉片根部等區(qū)域發(fā)生的不規(guī)則的小坑槽）、轉(zhuǎn)輪室分半組合縫、轉(zhuǎn)輪室與湊合節(jié)焊縫、尾水錐管與湊合節(jié)環(huán)縫等部位，其中主要以轉(zhuǎn)輪葉片表面磨蝕為主，其余均為局部小范圍空蝕磨損，而頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)水葉等流道部位抗磨板基本完好，結(jié)構(gòu)表面磨蝕輕微。所以磨蝕修復(fù)的主要工作集中在轉(zhuǎn)輪葉片的處理上，圖3所示是2009年A級檢修時葉片表面磨蝕狀況：

圖3 3號機組2009年A修時葉片表面磨蝕狀況

水輪機過流表面已發(fā)生空蝕的部位凹凸不平，更易磨損。試驗研究表明，在相同工況下，泥沙水產(chǎn)生的空蝕強度是清水的4～6倍。因此含沙水中空蝕和磨損的聯(lián)合作用，進一步加劇水輪機過流部件的損壞。而對轉(zhuǎn)輪葉片進行磨蝕修復(fù)處理往往直接決定機組的檢修周期，所以在綜合實際磨蝕情況及機組運行穩(wěn)定性各方面因素后，2005年對3號機組在進行轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的修復(fù)、在2009年吊出機坑全面修復(fù)。由于在基坑內(nèi)空間位置限制、處理后無法高溫退火消除應(yīng)力、槳葉焊接過程出水邊較薄處易變形等因素，其處理方案與機坑外處理有所區(qū)別，各自的處理方案如下：

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2.1 葉片在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)處理工藝

B修時檢查確定主要需進行修復(fù)部位集中在5個葉片出水邊空蝕磨損較嚴重區(qū)域，因此屬小區(qū)域范圍修補，修補工藝相對簡單，主要控制點有：

（1）根據(jù)葉片的翼形制作葉片正面出水邊部位葉片靠模，靠模要求從葉片出水邊100mm處開始，沿葉片外緣切線方向每100mm制作一條，共6條；沿葉片徑向每隔100mm也作一條，然后將徑向與縱向靠模板垂直固定，確保與葉片固有葉型一致，透光檢查間隙均勻；

（2）修磨需修復(fù)部位，露出完好的金屬母材，對焊接部位進行分區(qū)；

（3）焊接順序：先焊空蝕嚴重區(qū)，后焊其它區(qū)域，再焊葉片背面和正面并與其他完好區(qū)域平緩過渡；

（4）焊接采用直流反接法，電焊接地線接在被焊槳葉上，用小電流（焊接電流不大于120A，葉片較薄區(qū)域控制在100A左右）短弧焊，焊接過程中采用對稱交錯堆焊；焊接中嚴格控制溫度，以手觸葉片焊接位背面不燙手為原則；焊接過程中采用錘擊法來消除焊接應(yīng)力；

（5）在焊出水邊三角區(qū)時采用Φ3.2mm的0Cr 13Ni4Mo不銹鋼焊條。焊接過程中應(yīng)隨時利用木模檢測，避免局部過熱產(chǎn)生變形現(xiàn)象。

2.2 葉片在機坑外處理工藝

檢修過程中首先檢查記錄了轉(zhuǎn)輪葉片空蝕區(qū)域，空蝕磨損情況如下：第一部分主要發(fā)生在葉片邊緣至內(nèi)側(cè)1500mm部位的葉片表面翼型空蝕，最大空蝕深度約5～7mm，空蝕面積占焊接面積的75%；第二部分主要發(fā)生在葉片的外緣弧形部位的間隙汽蝕，最大空蝕深度10mm，空蝕面積占焊接面積的15%；第三部分主要是局部空蝕，在葉片出水邊及葉片根部等區(qū)域發(fā)生的不規(guī)則的小坑槽，空蝕面積占焊接面積的10%，需要大面積進行鋪焊處理，并對葉片外緣補焊修形，修補裙邊。具體工藝如下：

（1）修復(fù)環(huán)境：因檢修工作一般安排在冬季，室外溫度較低，因此作業(yè)時應(yīng)選擇通風(fēng)條件好又利于保溫的室內(nèi)環(huán)境，要求室內(nèi)溫度大于10℃，如不達標(biāo)，可在施焊槳葉周圍布設(shè)取暖電爐。

（2）焊材選擇：焊接采用直流手工電弧焊，焊條選擇鄭州機械研究所生產(chǎn)的0Cr13Ni4Mo不銹鋼焊條，焊條規(guī)格：Φ4mm、Φ3.2mm兩種（焊接電流應(yīng)控制在 140A～160A、100A～120A）。

（3）主要施工措施：

①用砂輪機將葉片空蝕磨損損壞嚴重且不易施焊部位如深坑、溝槽等磨開后，露出完好的金屬母材。

②以槳葉正面出水邊三分之一的面積區(qū)域為基準，制作槳葉模板（圖4a）。

圖4 葉片機坑外處理基本步驟

③確定葉片焊接原則順序：從葉片中央位置向四周施焊；焊接時先將汽蝕的溝槽、深坑補平，再大面積蓋面；先焊葉片背面，后焊葉片正面。

④焊接電流選擇：葉片背面靠外緣側(cè)由于面積較大空蝕較小，采用小電流焊接，焊接時不用加固措施；葉片正面（除三角區(qū)）及頭部較深的空蝕坑采用小電流補焊的方法；大面積鋪焊過程中，應(yīng)采用小電流短弧焊接，嚴格控制母材溫度不超過150℃，避免局部過熱產(chǎn)生變形現(xiàn)象。葉片背面出水邊三角區(qū)補焊時，除嚴格控制焊接電流外，還應(yīng)采取相應(yīng)變形檢測或加固措施。

其中剛性固定法（圖4b）為：采用δ=16mm、寬120mm的A3鋼板制作剛性支撐，要求與葉形相吻合，點焊到葉片的背面，點焊要求鋼板兩邊對稱焊，焊接長度30mm，間隔100mm；框架用“井”字型，“井”形對角線與施焊方向垂直，框架小格為150mm×150mm，加固框架總面積應(yīng)超過施焊部位，長寬均必須超過300mm。退火處理后將剛性支撐拆除，補焊支撐遮擋的部位。

百分表檢測法：葉片立面放置后將三角區(qū)域按100cm2為單位進行劃分，采用正反位置、同一電流、分塊跳躍焊接。焊接前在葉片進水邊單側(cè)裝設(shè)2個百分表進行檢測以控制其變形量，當(dāng)變形較大時，應(yīng)采取矯正措施。

⑤葉片出水邊的穿通孔焊接時，先在孔下襯厚12mm的鋼板，在上面補焊，補焊后將襯板刨去，在背面將孔焊平。

⑥焊接完后葉片進行退火處理，用加熱器將葉片加熱，加熱溫度為（300～450℃）保持1h后自然冷卻，用葉片模型檢查葉型（圖4c）。

⑦葉片外緣及裙邊按要求補焊成形。

⑧鋪焊應(yīng)高出葉片1～2mm，用砂輪按原型打磨，打磨后葉片曲線過渡光滑，不得有凸棱、凹槽高低起伏現(xiàn)象，表面粗糙度應(yīng)達到12.5μm以上，最后用風(fēng)砂輪機使粗糙度達3.2μm以上（圖4d）。

處理效果：2002年2號機組首次采用此法處理后，葉型控制基本無變形，單個葉片平均消耗焊條140kg左右，回裝后檢查葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室、葉片根部與輪轂體配合間隙修復(fù)不甚理想，在修后運行24400h檢查，葉片表面無明顯的空蝕磨損深坑及裂紋，無大面積空蝕，正面出現(xiàn)魚鱗狀坑，背面裙邊處出現(xiàn)深約4mm的局部帶狀空蝕坑。單個葉片修復(fù)平均消耗焊條16kg。說明全面修復(fù)工作對葉片磨蝕起到很好的抑制，達到預(yù)期目的。

3 結(jié)語

大峽電站水輪機通過采取一系列的抗磨蝕措施經(jīng)實踐證明是有效的，所總結(jié)出的葉片磨蝕處理措施進一步取得了有效延長轉(zhuǎn)輪檢修周期的現(xiàn)實效果，4臺機組都僅只經(jīng)過一輪的A級檢修，大大超過《發(fā)電企業(yè)設(shè)備檢修導(dǎo)則》推薦檢修工作間隔年。當(dāng)然所暴露出的葉片外緣與轉(zhuǎn)輪室、葉片根部與輪轂體配合間隙在檢修中難以完全修復(fù)達標(biāo)問題，在后續(xù)的工作中雖采取措施予以改進，但質(zhì)量仍難以控制，有必要在今后的工作中繼續(xù)進行深入的研究與探索，以取得更好的效果。

TK730.3+23；TK730.3+24；

B

1672-5387（2011）02-0018-04

2011-01-18

王旺寧（1973-），男，工程師，從事水電站生產(chǎn)技術(shù)管理工作。