抽水蓄能泵葉輪汽蝕的分析與處理

平措

摘 要：蓄能泵是在運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線高效穩(wěn)定區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)行的。運(yùn)行時(shí)擺動(dòng)、振動(dòng)和噪音在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，葉輪進(jìn)水邊后側(cè)部位沒(méi)有汽蝕，蓄能泵吸入高程也滿足要求。因此，蓄能泵水力設(shè)計(jì)基本合理。本文對(duì)三機(jī)式抽水蓄能機(jī)組的蓄能泵葉輪氣蝕產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為磨蝕是促使葉輪氣蝕產(chǎn)生和加劇的主要原因，提出了解決方案，取得了滿意的效果。

關(guān)鍵詞：蓄能泵；氣蝕；磨蝕

中圖分類(lèi)號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）19-0067-02

1 問(wèn)題的提出

某發(fā)電公司共裝設(shè)四臺(tái)抽水蓄能機(jī)組，1997年6月投入運(yùn)行。蓄能泵作為三機(jī)式抽水蓄能機(jī)組的抽水部件，通過(guò)齒輪聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)與發(fā)電（電動(dòng)）機(jī)組的同軸系聯(lián)接，進(jìn)行抽水工況運(yùn)行。該公司電站是某孤網(wǎng)運(yùn)行的主力電廠，也是海拔最高的抽水蓄能電站。由于系統(tǒng)沒(méi)有富余電力不能進(jìn)行抽水，因此該站四臺(tái)機(jī)組的蓄能泵長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)。2011年實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，孤網(wǎng)運(yùn)行的歷史結(jié)束。2013年5月開(kāi)始，該站機(jī)組先后恢復(fù)抽水工況運(yùn)行。抽水工況運(yùn)行中我們發(fā)現(xiàn)，機(jī)組穩(wěn)定性降低，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)如瓦溫、振動(dòng)和擺度等出現(xiàn)不同程度的異常。為此，我們對(duì)2號(hào)蓄能泵進(jìn)行了分解，檢修中發(fā)現(xiàn)2號(hào)蓄能泵1-6級(jí)葉輪出水邊附近上冠平面出現(xiàn)了不同程度的破壞，為蜂窩狀，其部位接近葉片與其結(jié)合處；從破壞形態(tài)看與空腔汽蝕極為相似。見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

2 問(wèn)題原因查找與分析

水泵或反擊式水輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪出口和尾水管進(jìn)口處往往形成負(fù)壓，當(dāng)壓力降低到小于汽化壓力時(shí)，水就沸騰汽化，在水流中產(chǎn)生許多汽泡，氣泡隨著水流移動(dòng)到壓力較高處，便驟然消失。在此瞬間，水流質(zhì)點(diǎn)以高速度向氣泡中心撞擊，水流質(zhì)點(diǎn)這種高速度的碰撞會(huì)引起水壓力的增高（有時(shí)達(dá)幾十到幾百個(gè)大氣壓），然后被強(qiáng)烈碰撞而壓縮的水流質(zhì)點(diǎn)，又向相反的方向擴(kuò)散，從而造成氣泡處的壓力急驟降低。這樣就形成汽泡中心的壓力，在一段時(shí)間內(nèi)周期性的波動(dòng)。

當(dāng)汽泡的產(chǎn)生和消失發(fā)生在固體表面時(shí)，水流質(zhì)點(diǎn)高速度的周期性沖擊象銳利的刀尖一樣劇烈地打擊著固體表面，造成固體表面的機(jī)械破壞，如果固體表面粗糙，則更嚴(yán)重。

汽泡受壓縮時(shí)，由于體積縮小而溫度升高，再加上水流質(zhì)點(diǎn)相互高速度的撞擊和對(duì)固體的撞擊也產(chǎn)生熱量；實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)汽泡凝結(jié)時(shí)，所引起的局部溫升可達(dá)300℃左右，使得冷熱固體形成了熱電偶，彼此間產(chǎn)生了電流。

蓄能泵是在運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線高效穩(wěn)定區(qū)域范圍內(nèi)運(yùn)行的。運(yùn)行時(shí)擺動(dòng)、振動(dòng)和噪音在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，葉輪進(jìn)水邊后側(cè)部位沒(méi)有汽蝕，蓄能泵吸入高程也滿足要求。因此，蓄能泵水力設(shè)計(jì)基本合理。

蓄能泵安裝后閑置16年多，葉輪長(zhǎng)期在密閉潮濕偏堿性的環(huán)境中。葉片材質(zhì)選用不當(dāng)或制造工藝上存在缺陷，氧化銹蝕將大大降低機(jī)械性能和表面強(qiáng)度。這是導(dǎo)致汽蝕較快發(fā)生的主要內(nèi)因。

下庫(kù)水源取自雅魯藏布江，經(jīng)沉砂池沉淀后由專(zhuān)門(mén)水泵供水。水質(zhì)中含沙量偏大，下庫(kù)蓄水池偏?。挥绕溥B續(xù)抽水或多臺(tái)機(jī)組同時(shí)進(jìn)行抽水時(shí)，很難保證較好的沉沙效果。2013年5月22日，2#蓄能泵進(jìn)行了連續(xù)12小時(shí)的抽水試驗(yàn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，水體含沙量在7.5g/m3～11.8g/m3之間，平均含沙量為9.0g/m3（取樣位置位于沉沙池出口），蓄能泵生產(chǎn)廠家要求的汛期平均含砂量為0.1g/m3。泥砂含量偏大導(dǎo)致了泵輪葉片的磨損加劇，并加速了汽蝕的破壞。

蓄能泵的葉輪出水邊附近上冠平面出現(xiàn)不同程度的蜂窩狀破壞，這正是磨蝕和汽蝕共同作用結(jié)果。由于該部位壓力大，且線速度高，泥沙的沖擊使上冠局部組織產(chǎn)生脫離而生成凹點(diǎn)，而凹點(diǎn)的產(chǎn)生加大了空腔汽蝕產(chǎn)生的可能。磨蝕和汽蝕交替同時(shí)產(chǎn)生，彼此惡性循環(huán)，二者同時(shí)作用破壞很大。

綜上所述，泥砂含量偏大，葉片抗磨性能較差，磨蝕造成葉片強(qiáng)度降低，是導(dǎo)致汽蝕加劇的主要原因。雖然材料G-X5CrNi13.4在高水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和水泵葉輪上使用較多；但應(yīng)提高其抗氧化性能；根據(jù)機(jī)組高水頭、高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行參數(shù)，多泥砂、偏堿性的運(yùn)行環(huán)境，提高和改善耐磨性能。

3 問(wèn)題的解決與處理

2號(hào)蓄能泵葉輪修復(fù)工作，力求保證修復(fù)后的葉輪不變形，流線尺寸與原來(lái)一致，提高葉輪的抗磨蝕性能。

方案一是利用環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑加金剛砂或石英砂調(diào)和進(jìn)行修補(bǔ)的方法，實(shí)施后不能達(dá)到理想效果，予以排除。方案二計(jì)劃采用高速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)對(duì)汽蝕部分進(jìn)行填充覆蓋；由于蓄能泵葉輪包括三次拋物線形的9個(gè)葉片（Cubically bent vanes），加工時(shí)在進(jìn)口及出口區(qū)域，利用樣板磨削到準(zhǔn)確的形狀；其葉輪流道小，無(wú)法順利進(jìn)行高速火焰噴涂；其流道尺寸修復(fù)十分困難。由于現(xiàn)場(chǎng)不具備施工條件而無(wú)法實(shí)施。

方案三是使用Resto高分子復(fù)合陶瓷材料進(jìn)行修復(fù)方案。Resto高分子復(fù)合陶瓷材料主要由高硬度的碳化硅、氧化鋁等無(wú)機(jī)材料和耐腐蝕高分子有機(jī)材料以及抗沖擊材料、納米復(fù)合反應(yīng)組成。與金屬材料粘接牢固，提供極高的耐磨性、抗沖擊性等性能。資料表明Resto高分子復(fù)合陶瓷材料耐磨性能比耐磨合金鋼好2-10倍，比其它耐磨涂層產(chǎn)品保護(hù)的效果要好4-10倍。同時(shí)該修復(fù)方案對(duì)流道尺寸和形狀的改變極小，流道修復(fù)容易。我們采用了Resto高分子復(fù)合陶瓷材料對(duì)葉輪葉片進(jìn)行修復(fù)。

施工過(guò)程中對(duì)主要工藝進(jìn)行了控制：

葉輪的整個(gè)流道表面進(jìn)行噴砂處理，使流道表面產(chǎn)生一定粗糙度。采用Resto primer CR陶瓷底涂，對(duì)整個(gè)流道表面進(jìn)行底涂處理，增加修補(bǔ)材料和光滑涂層與金屬材料結(jié)合力。使用Resto Sic Fine Bead小顆粒碳化硅對(duì)磨蝕缺口及周邊部位進(jìn)行修補(bǔ)，修復(fù)后進(jìn)行局部流道尺寸檢查，打磨或修補(bǔ)。修補(bǔ)材料采用Resto Sic Putty，流道高點(diǎn)使用刮刀進(jìn)行鉗工修復(fù)。使用Resto Sic brushable形成光滑涂層，恢復(fù)流道部件尺寸，保證葉輪整體尺寸與原來(lái)完全一致。對(duì)每個(gè)修補(bǔ)葉輪進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)；合格后，對(duì)整個(gè)流道表面進(jìn)行節(jié)能陶瓷涂層處理，以減少流道部件粗糙度，節(jié)能陶瓷涂層材料為Ceram-Coat。

進(jìn)一步改造下庫(kù)沉砂池，增加庫(kù)容，改進(jìn)沉砂措施，以降低泥砂含量。對(duì)于該蓄能泵長(zhǎng)期閑置氧化銹蝕情況，后續(xù)安排其余三臺(tái)蓄能泵進(jìn)行大修處理。

4 結(jié)語(yǔ)

泥砂含量大，葉片抗磨性能較差，是2號(hào)蓄能泵汽蝕的主要原因。蓄能泵葉輪材質(zhì)的選取和改進(jìn)應(yīng)根據(jù)機(jī)組的不同運(yùn)行環(huán)境和系統(tǒng)要求，綜合考慮的抗氧化性能、耐磨性能和抗汽蝕能力。從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，2號(hào)蓄能泵取得了明顯的改善。endprint