淺談龍羊峽水電站水輪機汽蝕狀況及處理措施

彭濤

（青海黃河上游水電開發有限責任公司積石峽發電分公司 青海省 810800）

淺談龍羊峽水電站水輪機汽蝕狀況及處理措施

彭濤

（青海黃河上游水電開發有限責任公司積石峽發電分公司 青海省 810800）

“汽蝕”的現象會在海洋中采用高速的輪船時，在很短時間破壞輪船的金屬螺旋槳，其后在水泵和水輪機中也都發生了轉輪葉片受到損壞的情況。人們對“汽蝕”現象的認識完全是從實踐中來的，是一種客觀存在的現象，如果沒有及時處理、預防，有可能會對機械帶來極為嚴重的破壞。本文結合龍羊峽水電站的實際情況，對四臺水輪發電機組的工作運行檢修記錄進行分析，找出水輪發電機組的汽蝕破壞原因，并在此基礎上提出了汽蝕的解決辦法，為了盡快解決廠水輪機過流部件存在的缺陷，也為我國水輪機過流部件防腐、抗汽蝕工作的發展提供一點參考資料，現將我廠水輪機汽蝕問題做一扼要介紹，供大家參考。為今后的工作提供更多的參考資料。

水輪機；汽蝕；水電站

1 概況

龍羊峽水電站是西北電網的主要調峰調頻電廠，擔負調節電網電能質量和事故備用的責任。全廠裝有四臺由東方電機廠制造的當時單機容量最大的混流、半傘式水輪發電機組。截至1998年6月14日，四臺水輪發電機組已經相繼投產發電。由多次機組檢修記錄不難看出，四臺水輪發電機組均存在不同程度的汽蝕破壞。為了盡快解決我廠水輪機過流部件存在的缺陷，也為我國水輪機過流部件防腐、抗汽蝕工作的發展提供一點參考資料，現將我廠水輪機汽蝕問題做一扼要介紹，供大家參考。

2 基本概念

關于汽蝕問題大約在20世紀初期，在海洋中采用高速的輪船時，發現輪船的金屬螺旋槳在很短時間內就遭到了破壞，其后在水泵和水輪機中也都發生了轉輪葉片受到損壞的情況。經過研究發現，這是由于一種叫做“汽蝕”的現象所造成的，人們對“汽蝕”現象的認識完全是從實踐中來的，這是客觀存在的現象。

為什么會產生汽蝕破壞呢？大家都知道，在大氣壓力下，將水加溫到100℃，水便開始沸騰，變成水蒸氣稱為汽化。但在高山上燒水，溫度不到100℃，水便開始汽化，這是因高山氣壓低于一個大氣壓的緣故。由此可見，水汽化溫度與壓力變化有關，會在壓力的變化的情況而改變。如水在一個大氣壓力的作用力下到100℃開始出現汽化，如果此時壓力下降至0.024個大氣壓，那么水汽化的溫度會降低到20℃。

因此，在特定溫度的環境下，水汽化時的臨界壓力稱之為水汽化壓力。在不同溫度影響下水汽化壓力不一樣。對于某一溫度的水當壓力下降至某個汽化壓力時就會產生所謂的汽化。通過水輪機的水流，如果在某些地方流速增高了，根據水力學的能量方程知道，必然引起該處的局部壓力下降，如果該處水流速度增加很大，以致使壓力降低到該水溫下的汽化壓力時，則在低壓區的水就會產生沸騰現象，既水開始汽化，產生汽蝕。

凡是水流因局部地區流速增高，使壓力將低而產生汽化，并由此形成的破壞現象，就叫做汽蝕。應當指出，水沸騰時，會使水變成蒸汽。同時，由于水中是含有一定氣體的，當壓力降低時，溶解在水中的氣體也會分離出來，所以在水的汽化過程中所產生的汽泡是一種水蒸氣和空氣的混合體。

汽蝕對過流表面產生破壞的原因，目前有三種說法：

2.1 機械破壞作用

水汽化所產生的汽泡，隨著水流往前運動，如進入高壓區，因壓力有變化，氣泡內蒸汽重新凝結為水。因體積突然收縮氣泡原占有空間形成真空，因此周圍高壓力流質點調整沖進此空間而形成極為強大的水的積壓力量，這是一種瞬間的脈沖壓力，有時可達幾百—上千個大氣壓力。另外，水中所分解的小氣泡在水擊壓力作用下快速被壓縮，直至氣泡彈性壓力加大水擊壓力時，泡彈不會再壓縮而變成了瞬間的膨脹，因此過流的表面也會形成另外一種水擊的壓力。

在過渡表面的某個區域內，伴隨著水流不斷的經過，會重復氣泡形成-破裂-壓縮-膨脹的過程，并且產生高速上海話的脈沖壓力，而機件在這樣的作用力下表面的金屬晶粒被破壞。高壓區水流壓力下滲入金屬裂縫中，而當水流局部壓力突然降低時，所滲進的金屬裂縫水流由縫中吸出，而這樣的作用在不斷反復中，使金屬表面的晶粒有被吸附而脫離金屬表面的傾向。這些作用力讓金屬承受重復載茶，當疲勞應力過了材料的疲勞度后金屬表面會受到破壞，并且在破壞的地方容易產生應力的集中表現。

2.2 化學作用

汽泡在高壓區壓縮時，需要放出熱量，再加上因為水擊壓力，對金屬表面的沖擊同樣也會產生局部高溫，根據實驗測定在汽泡凝結的時候局部溫生可達幾百度。而也正是在這樣的高壓、高溫作用下，汽泡對金屬表面氧化作用會不斷促進。

2.3 電化作用

汽泡如果在一個高溫度、高壓力的作用力之下，會產生電化作用，即放電現象。同時，因為金屬表面有著局部的溫差反映，在晶粒中也會形成熱電偶，在溫度的低的一方會有電位差的存在，因此會對金屬的表面產生一定的電解作用。金屬表面也會因為電解作用而變化、發暗，這樣機械的浸蝕速度會不斷加快。

根據對汽蝕現象這些年的觀察，汽蝕破壞主要是對機械產生破壞，化學、電化破壞排在其后。

在水電站通常用汽蝕的面積和深度來比較不同水輪機產生的汽蝕程度，但這在實際應用上很不方便。目前一般是采用補焊焊條的重量來衡量，用汽蝕指數K1[kg/（m2·h）]來表示，分類級別見表1。K1值由下式來計算。

K1=W/FT

式中：W——補焊焊條重量（kg）；

F——葉片背面總面積（m2）；

T——有效運行時間（h）。

表1 水輪機汽蝕級別分類表（按K1值）

3 龍羊峽電站四臺水輪機過流部件汽蝕情況

龍羊峽四臺水輪發電機組分別于1987年10月4日、1987年12月29日、1988年7月3日、1989年6月14日正式移交我廠投產發電，其中投產最晚的4#機也已經運行了近13年。四臺機組中，也只有2#水輪發電機組在1995年進行了一次擴大型大修。1#機組運行初期由于庫水位限制（上游：2531m；下游：2450m；毛水頭81m），在相當長的時間里處在低水頭下運行。最近這些年黃河上游的水量一直比較低，而四臺機組的大部分工作時間時，均無法達到設計的水頭。而這也是機組汽蝕破壞的另一個重要原因。

3.1 龍羊峽水電站HLD06A-LJ-600水輪機的部分設計參數

水輪機型號：HLD06A-LJ-600

最高水頭：150m 轉輪標稱直徑：600cm

最低水頭：99.5m 平均水頭：130m

極限最低水頭：76m 設計流量：298m3/s

設計水頭：122m 額定轉速：125r/min

飛逸轉速：256r/min 吸出高度（HS）：-3.5m

水輪機額定出力：325600kW 模型汽蝕系數（δM）：0.06

安裝高程：▼2448m裝置汽蝕系數（δy）：0.094

轉輪上冠下環材質：ZG20SiMn活動導葉材質：ZG20SiMn

轉輪葉片材質：ZG0Cr13Ni6Mn尾水管里襯材質：A3鋼

尾水管補氣短管材質：1F、2F 20Cr

3F、4F A3鋼

水輪機運轉綜合特性曲線如圖1所示。

圖1 運轉特性曲線

3.2 龍羊峽四臺水輪機因汽蝕造成的破壞

自發電以來，水輪機汽蝕破壞問題，一直困擾著我廠。從歷次機組大小修紀錄中不難看出，四臺水輪機的轉輪葉片出水邊背面靠近下環處，均有不同程度的翼形汽蝕區，面積最大的有500mm×300mm，深度近20mm（圖2中A處所示）。同時，在轉輪上流道進出口的上冠處，也均由不同程度的汽蝕區。其中以出口處的汽蝕區最為嚴重，汽蝕區域最大的有250mm×100mm，深度近10mm（圖2中B處所示）。相比之下，發生在轉輪下流道處的汽蝕比較輕微，但局部也有汽蝕坑，尺寸約φ30，深度達15mm（圖2中C處所示）。經過對四臺機組轉輪進行檢查，我們也發現，在每片轉輪葉片所對應的轉輪下環下平面處，均有約300mm×150mm，深度近10mm的翼形汽蝕區。因該位置發生的汽蝕在一般的大小修中難以處理，只有在機組進行擴大性大修中將轉輪吊出，方可進行處理（圖2中D處所示）。該處的汽蝕情況日趨嚴重，除蜂窩狀的汽蝕區外，因該處表面有不銹鋼材料涂層，在涂層與母材接縫處已經產生了嚴重的空洞、縫隙。同時，在轉輪泄水錐減壓孔處均有不同程度的汽蝕區，最大處約有200mm×150mm，深度近5mm（圖2中E處所示）。泄水錐各處的護板焊縫處也常有裂紋出現，有些裂紋長度近1000mm，深度有3～5mm（圖2中F處所示）。有個別機組的泄水錐及泄水錐護板，因汽蝕嚴重，發生過掉落、撕裂現象。泄水錐下緣內側也有嚴重汽蝕、掉邊現象（圖2中G處所示）。

圖2 轉輪汽蝕部位示意圖

我廠水輪機采用的是尾水管內補氣短管補氣裝置。1#機、2#機采用的是4根φ400補氣短管，利用射流補氣于自然補氣相結合的方式進行補氣。3#機、4#機采用的是8根補氣短管，利用自然補氣與強迫補氣相結合的方式。因某種原因，射流補氣系統與強迫補氣系統一直未能投入運行，只能依靠自然補氣系統進行補氣。尾水管內汽蝕情況較為嚴重，汽蝕區域，主要集中在尾水管補氣短管的背水面及其沿伸方向的里襯上。汽蝕區域面積較大，最大處約有900mm×600mm，最深處達20mm。該處汽蝕區內裂紋較多，有些地方最長的裂紋近1800mm，裂紋寬度有3mm，深度有10～15mm。有些裂紋還向其周圍的里襯上延伸。

從檢修記錄分析，每一次機組的維修時期中，過流部件因為汽蝕造成破壞補焊量最高時可達50～100kg。這不單對其安全運行造成了極大的浪費，也對人、財、物力造成了浪費。因為過流部件處理時，要在尾水管內搭建志腳手架并運用風動砂輪機，這不單延長機組小修工期，更產生了許多不安定的因素。同時，根據水輪機汽蝕級別分類表計算得出，我廠水輪機的汽蝕破壞屬于Ⅱ級至Ⅲ級。由此也可以看出，我廠的水輪機汽蝕問題不容忽視。

以我廠1F水輪機為例，歷次檢修中水輪機過流部件檢查情況如表2所示。

表2

4 水輪機汽蝕區處理方法

針對水輪機不同部位產生的汽蝕，以及部件所采用的材質不同，在汽蝕區的處理方法上也有一些細微區別。汽蝕區處理時，首先應對汽蝕區進行清根處理，用電弧氣刨刨去汽蝕區，直至見到母材。用手提式砂輪機磨去汽蝕區內的。

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TV734.1

A

1004-7344（2016）18-0234-02

2016-6-10

彭 濤（1967-），男，漢族，青海循化人，工程師，本科，畢業于北京理工大學，主要從事水電站運行（23年），現從事水電站安全生產工作。