混流式小型水輪機頂蓋磨蝕原因分析及解決措施

張 健

（甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

水電站工程位于甘肅省天祝縣與青海省互助縣交界的大通河干流上，是大通河干流青崗峽至金沙峽河段水電開發規劃的第三級電站。電站水庫正常蓄水位2 211 m，設計最大引用流量102 m3/s，設計水頭38 m，正常蓄水庫容14.7 萬m3，壩頂高程2 213.5 m，最大壩高22.6 m。引水隧洞沿大通河左岸布置，全長約5.1 km，減水河段全長約6.07 km。大通河流域多年平均含沙量0.43 kg/m3，汛期平均含沙量0.59 kg/m3多年平均懸移質輸沙量112 萬t，多年平均推移質輸沙量11.2 萬t；朱岔峽電站于2006年11 月開工建設，3 臺機組相繼于2008 年3 月、4月和6 月投產發電。水輪機組運行第八年時3 臺機組相繼均出現頂蓋磨蝕孔洞，有漏水現象。后經過返廠處理，安裝后目前運行穩定。本文就頂蓋磨蝕產生的原因以及處理方法做一詳細的闡述，供廣大水電工作者學習交流。

2 背景及現象

朱岔峽水電站安裝3 臺立軸混流式水輪發電機組，單機容量分別為13.5 MW、13.5 MW、7 MW，總裝機容量34 MW，多年平均發電量1.434 億kW·h，年利用小時數4 218 h。1 號、2 號機組為大機，水輪機型號HLA551C-LJ-230 額定轉速217.3 r/min，額定流量40.4 m3/s；3 號機組為裝機7 MW 的小機，水輪機型號HLA551C-LJ-165，額定轉速300 r/min，額定流量20.9 m3/s。頂蓋磨蝕處厚度為30 mm，止漏環材質為不銹鋼，厚度12 mm。

2016 年3 月2 號水輪機運行期間出現頂蓋孔洞，孔洞面積約1 cm3，頂蓋磨蝕至穿孔位置為頂蓋止漏環與上平面直口處而非過流面，頂蓋運行水壓較高噴涌至頂蓋表面，因機組檢修工期原因臨時對頂蓋上部孔洞進行焊接封堵。2017 年10 月機組運行期間2 號機組頂蓋止漏環與上平面直口處再次發生磨蝕穿孔。2018 年6 月1 號機組運行期間頂蓋止漏環與上平面直口處磨蝕產生孔洞，臨時進行補焊處理。2019 年1 月3 號機組大修期間頂蓋還未出現穿孔但磨蝕嚴重，返廠進行補焊處理，但2020年8 月，同位置圓周處出現兩次頂蓋磨蝕穿孔，10月再次出現磨蝕穿孔。

3 臺機組投產運行8～10 年后頂蓋均多次出現磨蝕致穿孔現象，3 臺機組出現磨蝕嚴重、穿孔位置均為頂蓋止漏環與上平面連接直口的圓周處。

3 原因分析

為解決頂蓋磨蝕問題，文中從設計、生產制造、運行等方面對頂蓋磨蝕產生的原因進行分析，從而提出解決問題的方法措施。

（1）設計方面

混流式水輪發電機組頂蓋是重要的導水機構，在水輪機組中既要承擔導水機構的引流作用，同時頂蓋上對應數量的導葉孔用以支撐導葉，頂蓋過流面一般設有不銹鋼抗磨面，但非過流面受到水流沖擊泥沙磨蝕后不僅降低頂蓋強度，嚴重破壞時會造成廠房透水事件。

1）朱岔峽電站頂蓋磨蝕處為止漏環與上平面結合的直口處，止漏環是不銹鋼材料，但頂蓋其余過流面材質為Q235B 碳鋼，硬度及抗磨度較低。磨蝕部位也大部分在硬度較低的碳鋼材料部位。

圖1 頂蓋穿孔部位

2）頂蓋上止漏環耐磨度較低：機組運行8～10 年在受泥沙磨蝕后止漏環磨損嚴重，上冠迷宮間隙變大，漏水量逐年增大，但漏水無法有效排出，頂蓋承受較高水壓力及壓力脈動的同時造成水能損失，水輪機效率下降。如需要更換止漏環必須拆除轉輪重新更換止漏環，此工作受空間影響，在內部無法實施，需發電機組全部分解后才能更換，此項工作實施難度高、經濟性差，無法做到3～5 年內周期性更換。

3）頂蓋與轉輪上冠腔體內水壓較大：朱岔峽電站主軸密封結構形式為橡膠活塞密封，即利用清潔水將橡膠活塞頂起與鏡板轉環壓緊后減小間隙從而阻止頂蓋上水。此設計在運行多年經驗中未考慮泥沙磨損因素，主軸密封膠塊損壞快，維修率高；同時轉輪上冠腔體內沒有設置減壓裝置，主軸密封長期承受來自轉輪上迷宮的漏水，水量大、水壓高；主軸密封活塞膠塊被泥沙磨損后封水效果差，漏水至頂蓋上表面后通過排水設施排至場外，漏水量較大造成場內排水設施運行頻繁。此結構未設置泵板裝置，如設置為泵板裝置也可有效減小頂蓋壓力。

（2）加工制造方面

1）朱岔峽3 臺機組轉輪上冠處為滿足轉輪平衡都設置有平衡配重塊，配重塊只滿足了頂蓋平衡問題，機組運行時水流通過上迷宮間隙進入頂蓋與轉輪上冠腔體內形成一個不規則水流，但配重塊阻力較大，在頂蓋與上冠腔體內產生較大的渦流。長期運行后既破壞轉輪本體結構也破壞平衡，又加速了頂蓋止漏環直口的磨蝕。見圖2 所示。

圖2 轉輪配重塊及磨蝕痕跡

2）材料強度及硬度較低：水輪機的過流部件運行時都承受著不同的泥沙磨損問題。轉輪、導葉底環等受到磨蝕問題后常用的解決辦法就是補焊修復手段，轉輪在反復多次補焊后使得葉片型線難以保持原有設計翼型，水輪機效率下降，造成間接的經濟損失；另外泥沙磨損使得葉片變薄，葉片上所受應力增加，水輪機振動增大的同時，葉片磨損造成水力不平衡，水力振動也同時增加。導葉在泥沙磨蝕后原導葉型線也受到破壞，導葉關閉后立面間隙及端面間隙較大，造成水能損失，導葉漏水較大又造成機組停機速度變慢，朱岔峽1 號機組導葉磨損現已造成機組無法自動停機。所以過流部件的材料選擇也會對磨蝕、機組振動運行工況有重要影響。

（3）生產運行方面

水輪機的磨蝕和機組日常運行工況、機組振動也同樣密切相關，水輪機壓力脈動不穩定、汽蝕、渦流都會加速水輪機過流結構的磨蝕。

1）朱岔峽電站位于大通河干流青崗峽至金沙峽河段，此河段特點來水陡漲陡落；因庫區上游3 km處有扎龍口村，庫容非常小，正產蓄水位時庫容僅14.7 萬m3。兩種問題造成機組開停機非常頻繁：朱岔峽電站一年周期內1 號機開停機次數172 次，2 號機組開停次數多達556 次，3 號機組開停次數345 次，2 號機組僅3 月份一月內開停126 次。機組無法在一個良好的環境中運行。

2）因庫容容量過小與自然來水不穩定因素，生產運行人員無法保證機組長期在穩定運行區運行，水輪機在非設計工況下運行時，由于轉輪出口處的旋轉水流和汽蝕等影響，在尾水管內常引起水壓脈動。機組偏離最優工況越遠，產生的壓力脈動越劇烈，特別是尾水管的周期性壓力脈動。頂蓋處壓力脈動使其承受交變應力的作用產生振動，振動與磨蝕、汽蝕同時發生時也是加速了頂蓋損壞的重要原因之一。

4 處理方案及工藝

綜上述原因分析，造成頂蓋磨蝕嚴重主要原因：①機組開停機次數高，水流穩定性差；②頂蓋水壓高，上冠與頂蓋腔體內水流量大、水流不穩定。但這兩種因素如要解決實施難度高，經濟性差，無法根本解決。所以現場采取對頂蓋強度加強、修復轉輪配重和改變運行方式等方法同時對此問題進行改善。

朱岔峽電站3 臺機組在首次出現頂蓋磨蝕問題時均因檢修工期問題只是在磨蝕孔洞處上側加焊鋼板臨時處理，后期逐年在機組大修中分別進行了處理，處理方案如下：

（1）改變原有頂蓋止漏環材質：在機組大修期間更換頂蓋止漏環，改變止漏環材質的同時提高厚度，選用抗空蝕、耐磨蝕的水輪機材料ZG06Cr16Ni5Mo，增加過流表面和間隙表面的耐磨度，原頂蓋上迷宮與轉輪配合原因無法在產生水流部位增加厚度，只能在原頂蓋止漏環背部增加厚度而提高強度，在止漏環背部加焊10 mm 鋼板及三角拉筋用以增加強度。更換止漏環后同時有效減小頂蓋上迷宮處的水流，增加水輪機效率的同時保護了頂蓋的運行安全。

（2）改變原轉輪配重結構，減小轉輪上冠與頂蓋腔體內水流產生的渦流：轉輪原有配重塊去除，重新調整轉輪平衡，如需增加配重用表面光滑流體形較好的配重塊，以減小水流的渦流。

（3）改善機組運行范圍：將機組運行范圍限定在最佳工況負荷之間，避免在低負荷以及振動區域運行。河道來水量在達到較高防汛流量時，河道內的泥沙含量也在劇增，泥沙含量高對水輪機過流部件的破壞是非常快速的，因此對河道內的洪峰提前預測，適時減小負荷或者停機，合理安排機組的發電生產。

（4）朱岔峽電站首部樞紐設有攔沙坎、擋沙墻及排沙裝置，但常年運行后攔沙坎還是會有泥沙淤積，所以定期人為干預進水口泥沙淤積：利用汛期來水流量較大時或定期對庫區進行排沙，減少通過水輪機的水流內泥沙含量。

持續性優化改進措施：

（1）振動、汽蝕和磨蝕共同存在可以加劇水輪機過流部件的磨損程度，因此對于水輪機的優化設計也能改善，水輪機的汽蝕、磨蝕程度與水輪機內流速有關，流速越高磨損程度越嚴重，因此優化設計適當降低水輪機內的流速也可以進一步減低磨損程度。

（2）提高過流部件的加工制造環節：在導葉、頂蓋、底環、轉輪等過流部件的材料選型及加工制造時加強監管制度，提高材料的硬度，提高加工精度，在保證水輪機效率的同時減少維修成本，提高生產效率。

（3）改進主軸密封形式，采用迷宮環密封。迷宮環密封工作原理是在水輪機轉輪頂部設有泵板裝置，由于泵板的吸出作用，軸與軸封間不接觸并只有一層空氣。轉輪上的泵板隨轉輪一起旋轉防止水和固體進入主軸密封，同時泵板排水管將透過上止漏環的少量漏水排至場外。運用此種密封可以有效減小頂蓋壓力，順暢排出頂蓋水流，轉輪上冠腔體內也就不會產生渦流，因此種主軸密封使用效果較好，維修率低，這種止漏方式也有效地減少水輪機的容積損失，該種密封已逐步被推廣，在多個電站中被應用。

5 結語

磨蝕近年來給很多水利設施帶來危害，針對水輪機組而言，磨蝕不僅僅產生在頂蓋部位，同樣也會對蝸殼、導葉、底環、轉輪等造成同樣的危害，轉輪是水輪機主要輸出部件，當轉輪受到泥沙磨蝕后首先工作效率大打折扣，當轉輪葉片翼型發生改變時機組振動大，水流不平衡振動增大，尾水管等汽蝕嚴重一系列問題，都會對水輪機的安全運行產生危害。而磨蝕產生的原因與多種因素有關如：選型設計、結構設計、材料選擇、加工制造、焊接工藝、安裝調試、運行范圍等，每一個環節都密切相關，互相影響。在發生磨蝕后需要準確分析原因，對癥及早處理。

朱岔峽電站在對頂蓋處理后已經使用一個汛期，經過檢查暫未發現明顯磨蝕，目前運行穩定。實踐證明頂蓋磨蝕臨時處理的方法是得當的，但是要徹底解決頂蓋磨蝕問題，還需要從多方面杜絕、改善磨蝕產生的原因，從設計、選型階段就要綜合考量頂蓋的性能，把電站的長期安全、穩定運行放在首要位置。