鹽鍋峽水電站水輪機轉輪磨蝕修復技術應用

高福林，王興光

（甘肅鹽鍋峽發電有限公司，甘肅 永靖 731601）

0 引言

鹽鍋峽水電站位于甘肅省永靖縣境內的黃河干流上，距上游劉家峽水電站33 km，下游蘭州市約70 km。電站樞紐主要由左岸混凝土寬縫重力壩、右岸混凝土重力溢流壩、左右岸混凝土重力式副壩及壩后式水電站廠房等組成。電站于1958 年9 月27 日動工修建，1961 年11 月18 日第一臺機組投產發電，1975 年11 月15 日8 臺機組全部建成，裝機容量352 MW，后于1990 年和1998 年分別擴建了9、10 號機組，隨后逐年逐臺進行增容改造。目前裝機容量為509.6 MW。改造后水輪機主要參數如表1。

表1 水輪機主要參數

1 概述

鹽鍋峽水電站1 號機組于2004 年4 月改造后投運，至今已運行18 年，5 號機組于2002 年11 月改造后投運，至今已運行20 年,2 號機組改造后于2012 年投用，至今已運行11 年。3 臺機轉輪葉片進水邊背面局部空蝕嚴重，表面呈海綿狀；轉輪上止漏環水平面圓周方向有多處空蝕坑；而且轉輪上止漏環和下止漏環圓周方向各有一道帶狀空蝕槽；轉輪葉片出水邊磨蝕嚴重，出水邊厚度均小于設計值，原設計厚度為8 mm；其中1 號機轉輪磨蝕嚴重的有6 片，分別是1 號、5 號、8 號、9 號、11 號、12 號葉片，其中5 號、8 號葉片出水邊厚度約為2 mm，9 號、11 號葉片出水邊厚度約為1.5 mm，1 號、12 號出水邊厚度約0.8 mm；5 號機轉輪磨蝕嚴重的有5 片，分別是2 號、8 號、9 號、13 號、15 號，其中2 號葉片出水邊厚度約為4.5 mm，15 號葉片出水邊厚度約為4 mm，出水邊變薄有逐年加劇的趨勢；2 號機組轉輪葉片與下環連接部位有明顯的空蝕槽，如圖1 所示。

2 原因分析

2.1 受力不均勻

水輪機轉輪葉片是轉輪運行過程中的主要受力區，受水的壓力和離心力等作用。該受力區包括葉片出水正面的中部、葉片進水正面靠上冠的部分、葉片出水背面靠近上冠的部分以及葉片和下環的連接區域等，鹽鍋峽水電站機組轉輪加工受限于當時技術條件，轉輪葉片均為人工鏟磨，導致葉形有差異，從而使轉輪葉片受力不均勻，個別葉片出水邊變薄[1]。

2.2 汽蝕及其機理

空化發生在水輪機過流部件流道中水流局部壓力下降至臨界壓力時（一般接近氣化壓力，水溫20 ℃，氣化壓力值為0.24 mH2O），水中的氣核發展為氣泡，當氣泡進入到較高壓力區域時，氣泡的凝聚、凝縮、分裂、潰滅過程稱為汽蝕，這一系列不良現象的發生，會導致水輪機過流部件表面損壞，金屬表面失去光澤變為暗灰色，逐漸產生有1~2 mm深度的針孔形狀、麻面和海綿狀（即蜂窩狀），嚴重者會有穿孔，加大機組水力能量損失。使水輪機效率和出力大大降低，影響機組安全穩定經濟運行[2]。

2.3 泥沙磨損

鹽鍋峽水電站地處黃河中上游，泥沙含量非常大，泥沙磨損是對水輪機轉輪的一種物理破壞，水流夾帶著泥沙通過水輪機就會導致泥沙磨損的出現。主要是對水輪機的流道造成損壞，例如流道壁變薄、輪葉形狀發生改變、壁面出現魚鱗狀淺坑或是火炬狀坑，以及形成溝槽或變薄、穿孔等。泥沙磨損的產生主要與含沙水流的特性、水輪機的工作條件以及水輪機流道邊壁材料的質量有關。泥沙磨損不僅會直接導致轉輪的損壞，而且還會損壞通流部件，造成一系列的經濟損失。

2.4 磨蝕

磨蝕是指在空化、汽蝕與泥沙磨損情況下對水輪機部件的綜合破壞作用。實際上，任何水流之中總有一定含量的泥沙存在，尤其是鹽鍋峽水電站地處黃河中上游地區，泥沙含量常年都比較大，電站建設之初無排沙洞設計，因此，大量泥沙必須經機組過流排至下游，據統計，我國已建成水電站中有40%的水輪機存在嚴重的磨蝕問題，所以人們在關注空蝕和泥沙磨損的同時，更著重研究空蝕、磨損聯合作用問題，即磨蝕。

由于含泥沙水流中有大量的固體微粒存在，這些固體微粒大小、形狀不規則，常常作為“隱蔽殺手”藏有不溶于水的氣體，含泥沙水流的氣泡數量遠大于清水水流氣泡數量，提前加劇了局部空蝕的發生。當氣泡隨水流至較高壓力區域時，氣泡將會迅速凝縮并潰滅，氣泡附近的固體顆粒又易受到氣泡潰滅沖擊力的影響而獲得加速度，加大了對金屬表面的破壞能力。泥沙因速度及加速度會造成流體邊界條件的變化，即原有的轉輪設計翼型發生變化，從而造成其對金屬的磨削現象，加劇了磨蝕損壞。

3 磨蝕的危害

（1）轉輪、底環有磨蝕深槽，轉輪葉片變薄、嚴重會產生裂紋。

（2）降低水輪機的出力和效率，機組振動變大，嚴重時產生較大噪音。

（3）汛期流量增大，當機組短時間的高負荷運行或枯水期低尾水位運行時，機組會產生強烈振動及負荷波動，影響機組安全穩定運行。

（4）磨蝕大大縮短了機組檢修周期及其機組運行壽命，增加了檢修工程量和檢修成本。

4 解決方案

4.1 運行方面

優化水輪機運行條件，盡量避開水輪機非最優工況區和振動區，保證機組在最優工況運行。

4.2 機組檢修方面

（1）堆焊法

堆焊是修復水輪機轉輪磨蝕坑的方法之一。堆焊可使焊層與基體形成冶金結合，且結合強度高，鹽鍋峽水電站機組A 級檢修時，發現在轉輪出水邊三角區經常沖刷出3~5 mm 深槽，因此對深槽部位進行堆焊修復，焊接完成后，打磨與轉輪葉形基本一致，如圖2；堆焊時要做好應力消除措施，保證葉片形線不變。

圖2 2 號機轉輪汽蝕堆焊修復圖

（2）非金屬涂層法

鹽鍋峽水電站采用TS2111 超級金屬修補劑，該產品具有耐腐蝕、與金屬結合強度高、施工工藝好、固化無收縮、冬季調膠不受季節影響等特點，對機組轉輪出水邊變薄及葉片背面馬蜂窩狀空蝕坑進行涂層具有良好效果。

5 非金屬涂層施工工藝

（1）對轉輪涂層部位表面打磨至見本色后，進行粗化處理。

（2）A、B 膠按體積比5:1 進行調配，攪拌、碾壓、使混合后的膠均勻一致。

（3）冬季修補劑遇冷會凝結硬化，調配前對修補劑進行加熱至變軟，一般不超過35℃。

（4）先涂少許膠，用力下壓反復涂抹，使接觸面完全浸潤膠，使其填滿間隙并排除空氣，然后涂其余的膠，留出加工余量。

（5）用熱源對修補的部位進行加溫，在60～80℃下保持3～4 h，如圖3。

圖3 1 號機轉輪金屬修補劑修復圖

（6）固化后對修補部位進行修磨。

6 取得的效果

通過對水輪機轉輪磨蝕部位進行非金屬修補劑修復后，經過汛期大流量高負荷機組運行的考驗，機組檢修時發現轉輪涂抹部位基本完好，極少部位有少量脫落現象，對轉輪磨蝕修補效果明顯，見圖4。

圖4 1 號機轉輪金屬修補劑修復運行一年后效果圖

7 結語

轉輪是水電站水輪機設備的核心部件，對水輪機的性能有著決定性的影響。水輪機的空蝕磨損是始終存在的，盡管我們不能消除它，但可以通過改善水輪機轉輪的水力性能、改進檢修工藝方法、采用抗空蝕材料 、改善水輪機運行條件等措施來減輕。運維人員應定期對水輪機機組進行檢查，及時發現水輪機轉輪存在的問題， 并積極采取檢修措施。實踐表明，鹽鍋峽水電站使用非金屬涂層對水輪機過流部件進行修復，有效解決了水電站水輪機的嚴重磨蝕問題，延長了機組的使用壽命，取得了顯著的經濟效益。該技術可以向類似水電站推廣。