混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕處理與防護(hù)探討

冉朝坤

（四川華電西溪河水電開發(fā)有限公司，四川 西昌 615000）

0 引言

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的重要組成部分，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的重要組成構(gòu)件。在實(shí)際工作過程中，水流中的泥沙磨損和空蝕現(xiàn)象是造成轉(zhuǎn)輪損壞的主要原因。轉(zhuǎn)輪被磨蝕破壞后直接導(dǎo)致水輪機(jī)通流部件發(fā)生損壞，從而導(dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的工作效率降低，同時(shí)使得水輪機(jī)的電能損失增大，還會(huì)使水輪機(jī)機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，這大大縮短了水輪機(jī)機(jī)組的使用壽命，同時(shí)也縮短了檢修周期，以至于消耗大量的人力和金錢，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

1 混流式水輪機(jī)磨蝕部位

1.1 葉片的磨蝕

通常情況下，混流式水輪機(jī)的葉片被磨蝕的部位主要在葉片的正面和背面，并且葉片的進(jìn)口邊背面靠下環(huán)轉(zhuǎn)彎、正面出水邊靠下環(huán)這兩處受到的磨蝕最為嚴(yán)重。通過相關(guān)維修數(shù)據(jù)可以得知，水輪機(jī)葉片在葉片背面靠下環(huán)轉(zhuǎn)彎處發(fā)生嚴(yán)重的磨蝕現(xiàn)象，且產(chǎn)生了巨大的凹坑。同時(shí)，該水輪機(jī)的葉片背面也出現(xiàn)了不同程度的磨蝕現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為從上而下，磨蝕程度由輕逐漸加重。不僅如此，磨蝕程度最嚴(yán)重的部位連葉片上的抗磨層都被磨蝕掉，從而產(chǎn)生了水流流過泥沙摩擦葉片而產(chǎn)生的溝槽，更嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)了出水邊被磨蝕成鋸齒狀的缺口的現(xiàn)象。

1.2 下環(huán)的磨蝕

混流式機(jī)組下環(huán)內(nèi)的外部表面位置是最容易被磨蝕的地方，河流的水頭越高這個(gè)部位就被磨蝕得越嚴(yán)重。例如，劉家峽水電站所更換下來舊轉(zhuǎn)輪的下環(huán)內(nèi)側(cè)表面位置就出現(xiàn)了因?yàn)槟ノg而產(chǎn)生的麻面，而上面部分則受到水流中的泥沙磨蝕而形成了順?biāo)鞣较虻拇鬁喜邸６鼡Q上去的新轉(zhuǎn)輪的下環(huán)，雖然使用了抗磨損度高的不銹鋼材料，但磨蝕現(xiàn)象依然存在。

1.3 導(dǎo)葉的磨蝕

混流式機(jī)組由于其被應(yīng)用在水頭較高的位置，從而導(dǎo)致導(dǎo)水葉區(qū)的水流流速較快且水流大，因此容易發(fā)生空蝕現(xiàn)象。在多泥沙河流的水輪機(jī)導(dǎo)葉上也經(jīng)常發(fā)生磨蝕。通常情況下，水輪機(jī)機(jī)組的水頭越高，水流中的含沙量就越大，同時(shí)水輪機(jī)的導(dǎo)葉被磨蝕得越嚴(yán)重，被嚴(yán)重磨蝕的導(dǎo)葉立面密封及端面則會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)水葉關(guān)閉時(shí)漏水量增大，從而導(dǎo)致機(jī)組無法停止工作。

2 水輪機(jī)磨蝕原因分析

2.1 過機(jī)沙量大是磨蝕的主要原因

含沙河流對(duì)水輪機(jī)所造成的破壞通常是由于水流的空蝕和通過水輪機(jī)的泥沙的磨損所造成的，而水流中的泥沙又給空蝕制造條件，同時(shí)泥沙磨損所留下的粗糙表面又促進(jìn)了空蝕的產(chǎn)生。例如，劉家峽水電站，在洪水汛期發(fā)生前水輪機(jī)基本是在清澈的水流中運(yùn)行，因此其水輪機(jī)的損壞主要以空蝕為主。但是到了每年的洪水汛期時(shí)，大量的過機(jī)泥沙是洪水發(fā)生前幾個(gè)月過機(jī)沙總量的好幾倍。因此，這個(gè)時(shí)間段的水輪機(jī)的破壞原因便變?yōu)橐阅嗌车哪ノg為主，并出現(xiàn)了空蝕和磨蝕兩種破壞同時(shí)發(fā)生的情況。當(dāng)水流中的大量泥沙經(jīng)過過流表面，使其出現(xiàn)大量的魚鱗般的磨損痕跡后，經(jīng)過水輪機(jī)的水流條件就會(huì)產(chǎn)生惡化，出現(xiàn)脫流或旋渦，由此促使水輪機(jī)發(fā)生空蝕，而空蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)又破壞了水輪機(jī)內(nèi)的材料晶體組織使其變得疏松，從而加快了水輪機(jī)的磨損速度[2]。

2.2 葉片工藝是磨蝕的重要原因

據(jù)觀察與試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)葉片質(zhì)量的好壞將直接影響水輪機(jī)的葉片的抗空蝕能力的強(qiáng)弱。根據(jù)空蝕破壞的原理，水輪機(jī)發(fā)生旋渦空蝕主要是由于轉(zhuǎn)輪葉片表面粗糙不夠平整，從而引發(fā)水輪機(jī)葉片的局部脫流現(xiàn)象而造成的。因此在相同的維護(hù)周期內(nèi)，葉片表面越光滑，葉片被空蝕的程度越輕。例如，鹽鍋峽水輪機(jī)是我國早期所生產(chǎn)的產(chǎn)品，因此其質(zhì)量并不是很好，葉片靠純手工打磨，因此水輪機(jī)的葉片表面比較粗糙而且有鼓包，這些原因直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的水流流態(tài)不良，容易產(chǎn)生局部水流速度過高或脫流現(xiàn)象，從而促使水輪機(jī)的空蝕和磨損現(xiàn)象的產(chǎn)生。后期該水電站對(duì)質(zhì)量不佳的葉片進(jìn)行更換后磨蝕現(xiàn)象明顯減輕。

2.3 磨蝕區(qū)處理質(zhì)量是磨蝕的關(guān)鍵原因

目前大部分的水電站對(duì)磨蝕區(qū)的處理依然采用電弧氣刨后堆焊抗磨不銹鋼層后打磨成型。使用該種方法，對(duì)電弧氣刨不徹底時(shí)就會(huì)存在堆焊質(zhì)量差，從而導(dǎo)致葉面焊接處夾雜著焊接殘?jiān)⒑附恿粝碌臍饪住⒑傅来蚰ゲ黄降龋瑢?dǎo)致葉片表面不平，無法形成流線型，導(dǎo)致水流的流場紊亂，最終反而加重了水輪機(jī)葉片的磨蝕程度。因此必須采用專業(yè)的儀器對(duì)被磨蝕的葉片進(jìn)行修復(fù)，這樣不僅可以保證水輪機(jī)的使用效率，而且同時(shí)還可減輕磨損。

3 水輪機(jī)磨蝕破壞處理

3.1 磨蝕破壞測量

當(dāng)水輪機(jī)部件受到磨蝕被損壞時(shí)，工作人員要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修，在進(jìn)行實(shí)際維修前工作人員要先對(duì)水輪機(jī)的受損程度進(jìn)行檢查。目前主要的檢查方法是通過對(duì)損壞的部分進(jìn)行涂色翻印后，再對(duì)受腐蝕的部件進(jìn)行受損面積的測量，同時(shí)通過使用探針和鋼板尺對(duì)部件受磨損的深度進(jìn)行測量。

3.2 侵蝕區(qū)處理

對(duì)于侵蝕區(qū)進(jìn)行修補(bǔ)處理前，首先要對(duì)被磨蝕的部位進(jìn)行修補(bǔ)前處理，在確認(rèn)好被腐蝕的部位之后，維修人員要先對(duì)被磨損侵蝕的位置進(jìn)行打磨和鏟除，進(jìn)行該步驟操作室維修人員必須要集中注意力，原因是對(duì)腐蝕部分進(jìn)行鏟除時(shí)，被鏟除部位的深淺會(huì)直接影響后續(xù)維修步驟的進(jìn)行。若是鏟除得太深則會(huì)增加維修成本，若是鏟除得太淺則會(huì)影響后續(xù)焊補(bǔ)的質(zhì)量，容易讓焊補(bǔ)的地方產(chǎn)生脫落。

3.3 打磨后要求

在對(duì)維修部位進(jìn)行焊接后，通常會(huì)使用軟砂輪來對(duì)焊接的部位進(jìn)行光滑打磨，在對(duì)焊接部位進(jìn)行打磨時(shí)要求打磨后的葉片必須與原來的一致，并且要求打磨后的葉片厚度必須小于等于0.5毫米，長度不可超過50毫米。

3.4 葉片開口度整形處理和測量

磨損焊接完成后必須對(duì)其進(jìn)行測量，葉片的開口度必須與葉片制造廠提供的數(shù)據(jù)相一致。因此必須由專業(yè)的相關(guān)人員進(jìn)行測量和記錄，通常需要對(duì)其反復(fù)測量兩次，避免在測量中出現(xiàn)錯(cuò)誤。若在測量之后，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示葉片的流面線型發(fā)生了變化，通常維修人員會(huì)使用氣焊對(duì)葉片背面進(jìn)行加熱烘紅之后在正面放上樣板，而后再用千斤頂壓幾次，直到所使用樣板的檢測合格為止。

4 混流式水輪機(jī)磨蝕防護(hù)措施

4.1 高速氧燃噴漆碳化鎢

高速氧燃噴漆技術(shù)是通過超音速火焰噴涂槍將丙烷、丙烯或氫和氧氣以0.3毫帕以上的壓力，將其推送入超音速火焰噴涂槍進(jìn)行燃燒，通過燃燒加熱將上述物質(zhì)充分混合后形成1500米/秒以上的高壓氣流，并在噴涂槍噴嘴處與噴涂材料的粉末進(jìn)行混合，使噴涂粉末熔化后加速到500米/秒左右，形成高速噴射流，而后在超音速火焰噴涂槍噴嘴出口處加速至2倍的音速的噴涂火焰把粉末噴涂到葉片基材上，形成高密度耐磨蝕的防護(hù)涂層。該防護(hù)方法所使用的噴涂材料可是抗磨金屬粉末或者碳化物金屬陶瓷，而碳化鎢粉末在水輪機(jī)抗泥沙磨蝕上具有非常高的優(yōu)越性[3]。

4.2 優(yōu)化轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)

根據(jù)水輪機(jī)磨蝕的機(jī)理我們可以了解到，通過對(duì)轉(zhuǎn)輪流道的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化可以有效避免當(dāng)水流流過水輪機(jī)葉片時(shí)造成葉片的局部流速過高產(chǎn)生脫流狀況，從而加重水輪機(jī)的磨蝕情況。例如，鹽鍋峽水電站投入的第1臺(tái)水輪機(jī)在2004年改造過程中就將轉(zhuǎn)輪更換為高耐磨的不銹鋼轉(zhuǎn)輪，同時(shí)將轉(zhuǎn)輪的葉片由原本的14片增加至后來的15片，改造后通過水輪機(jī)的水流流量也由原先的138 mS／s增加到149.8 mS/s，水輪機(jī)的效率也由原來的87.6%提升至92.7%。在提升的基礎(chǔ)上，對(duì)水輪機(jī)的導(dǎo)水葉、頂蓋等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化，在水輪機(jī)的材料選擇上，應(yīng)選用質(zhì)量較好且結(jié)構(gòu)密度高、硬度高且韌性強(qiáng)、抗拉力強(qiáng)以及抗疲勞性好便于加工和焊接的材料[4]。

4.3 減少過機(jī)泥沙

由于河床中泥沙的淤積，從而導(dǎo)致水庫的有效庫容逐漸減少，并且隨著時(shí)間的推移會(huì)形成壩前沙坎，這對(duì)水電站的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響，因此減少河水中的過機(jī)泥沙也是防止水輪機(jī)葉片被磨蝕的有效措施之一，例如劉家峽水電站，水電站從1974年便開始對(duì)洮河內(nèi)的流排沙的特性、泥沙的流入時(shí)間和泥沙的流入條件、壩前渾水面高程的變化以及泄水建筑物排沙情況進(jìn)行跟蹤觀測和分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)洮河紅旗水文站的河水中含沙量達(dá)到20 kg/m3時(shí)，就可能產(chǎn)生重力流，因此只要掌握了重力流到達(dá)水壩前的時(shí)間，同時(shí)在重力流到達(dá)前及時(shí)開啟建筑物的閘門，就能實(shí)現(xiàn)大量排沙。根據(jù)該水電站1976年汛期的實(shí)測資料，洮河入庫總流量1800多萬噸，水電站一共排出泥沙1500多噸，占入庫沙量總量的83.33%，通過有效的排沙方式，此次汛期所產(chǎn)生的泥沙并未對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨蝕，由此可見，排沙不但可以保證水電站的正常運(yùn)行，而且水輪機(jī)機(jī)組的磨蝕情況也明顯地減少[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，本文詳細(xì)分析了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕產(chǎn)生的原因和處理、防護(hù)方式。水輪機(jī)的抗磨蝕措施需要從防護(hù)涂層、優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行、設(shè)備材質(zhì)選用、改造檢修工具等環(huán)節(jié)入手，并且在任何一個(gè)環(huán)節(jié)的操作過程中，作業(yè)人員都必須嚴(yán)格要求，同時(shí)也要對(duì)相關(guān)維修作業(yè)人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，讓他們?cè)谂嘤?xùn)中提高自身的技藝，同時(shí)還可以進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)交流，從而對(duì)水輪機(jī)的磨蝕情況進(jìn)行更有效的維修和控制，只有這樣水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪磨蝕問題才能有效解決。