轴流转浆式水轮机过流部件磨蚀问题的分析与探讨张伦满

轴流转浆式水轮机过流部件磨蚀问题的分析与探讨张伦满

张伦满

（黄河电力检修工程有限公司甘肃项目部机械分处甘肃兰州730070）

摘要：通过多年来对八盘峡水电站水轮机过流部件检修过程中的观察，针对我国长期存在的高含沙水流中运行的水轮机组过流部件的磨蚀问题，进行分析水轮机过流部件泥沙磨损、空化破坏的原理、特点以及影响因素，总结出水轮机过流部件的磨蚀原因，提出水轮机过流部件磨蚀的主要防护措施，为最终解决水轮机过流部件磨蚀问题提供了理论依据。

关键词：水轮机；泥沙；磨损；磨蚀原理

Abstract:Thispaper,onthebasisofobservationonthemaintenanceoftheturbineflowpassagecomponentsinBapanxiahydropowerstationovertheyears,analyzestheprinciple,characteristicsandinfluencingfactorsofsedimentabrasionandcavitationdamagetotheturbineflowpassagecomponentsinviewofthelong-standingabrasionproblemsintheflowpassagecomponentsofturbinesetsoperatinginhyperconcentratedflows.Itthensummarizesthecausesofsuchabrasiontotheturbineflowpassagecomponentsandproposessomemainprotectivemeasurestopreventsuchabrasion,providingthetheoreticalbasisforthefinalpreventionofabrasiontoturbineflowpassagecomponents.

Keywords:turbine；sediment；abrasion；abrasionprinciple

1前言

我国水能资源丰富，但同时我国河流的特点之一就是含沙量大，年平均输沙量在1000万吨以上的河流就有115条，每年直接入海泥沙总量达到19.4亿吨。因此在我国的水电开发中，存在着突出的泥沙问题。据不完全统计，在我国建成的装机7500KW以上的各类型大中小水电站中，有泥沙磨损的约占40％，由此产生的磨损、空化破坏严重，不仅影响了水电机组的安全经济运行，造成巨大的经济损失，而且威胁电网的安全运行，成为水电生产中急待解决的难题。

八盘峡水电站位于黄河上游甘肃段，距离兰州市上游40公里，是一座低水头、河床径流式电站，共装有6台轴流转浆式水轮发电机组，电站于1969年10月正式开工，1975年8月1日第一台机组并网发电，1980年2月24日第五台机组投入运行；1998年在预留的一条泄洪道上扩建了6#机组，单机容量为40MW的轴流转浆式水轮发电机组。就八盘峡电站而言，由于泥沙磨损和空蚀的作用导致水轮机转轮破坏相当严重，已先后将最早发电的5台机组的水轮机转轮全部进行了更换处理，仅此项工作也花费了很大的代价。鉴于此，通过多年来对八盘峡水电站水轮机过流部件检修过程中的观察，总结出了一些轴流转浆式水轮机过流部件的磨蚀破坏特征，进行了高含沙水流中水轮机过流部件磨蚀原理的分析，为将来解决水轮机磨蚀问题提供理论依据，对于提高水电站的经济效益和延长机组寿命具有极其重要的意义。

2八盘峡水轮机磨蚀破坏特征

2.1转轮叶片的磨蚀

八盘峡水电厂刚投产时，1#、2#机组的水轮机叶片材质选用OCr13Ni45Mo，而3#、4#、5#机组的水轮机叶片材质选用了ZG0Cr13Ni6Mo，尽管两种材质的水轮机叶片均选用了抗磨蚀性能优良的材质，但还是产生了不同程度的磨蚀情况。1#、2#机组运行近100000小时，叶片厚度减少约18mm，3#、4#、5#机组运行近200000小时，叶片厚度减少约25mm，叶片正面进、出水边边缘以及叶片靠近转轮室的外边缘都是磨蚀严重区域，尤其叶片背面靠近外缘部位磨损更加严重，叶片外缘端面大量的穿透性磨蚀坑孔几乎连成片，形成了间隙汽蚀带，有的叶片出水角几乎已经穿透（详见附图照片所示），这些磨蚀破坏不仅导致叶片与转室的间隙难以测量，而且给检修工作造成了很大的工作量。

2.2转轮体的磨蚀

转轮体的轮毂上圆柱段表面磨蚀相对较轻，而轮毂球面部位、连接体以及泄水锥上布满了大量的鱼鳞坑，这些鱼鳞坑与相对流速方向相同，尤其在转轮叶片全开位置的叶片根部鱼鳞坑增大加深，随着运行小时的增加，磨损程度更加加剧。

2.3活动导叶的磨蚀

活动导叶的主要的磨蚀部位在导叶下部约500mm高的区域，下部立面密封条和导叶下端面出现大量的蜂窝状气蚀破坏，深度达5-10mm，一般会造成下端面出水角部分缺损，因此，在进行机组A级检修期间一般都要安排活动导叶的修复工作，修复过程中除了将活动导叶的上、下端板进行更换外，还要将导叶出水边下部表面的磨蚀鱼鳞坑的进行补焊打磨处理。

2.4转轮室的磨蚀

转轮室的主要磨蚀部位在转轮室中环、以及中环与下环联接部位的圆周表面上，高约500mm范围内均出现蜂窝状气蚀，最深达10mm。因此在每次机组大修时要使用大量的不锈钢焊条进行补焊打磨工作。八盘峡电站曾经为了处理1#、2#机转轮室的磨蚀，对转轮室中环部位

进行了大面积堆焊修复工作，就这项工作不仅工作量大，造价高，而且还容易造成设备由于应力难以消除而产生变形。

2.5其它部位的磨蚀

底环、固定导叶以及尾水管，在机组运行的初期，磨损不明显，仅局部有较浅的鱼鳞坑。随着运行时间的延长，底环上内侧至圆弧表面便会出现严重的磨蚀现象，逐渐出现沟槽，底环外圆与座环基础内圆接缝处间隙随着运行时间的增加越来越大，固定导叶的出水边会形成一些较深的沟槽，蜗壳人孔门和尾水管人孔门内侧也会布满深浅不一的鱼鳞坑。

3水轮机过流部件的磨蚀原理分析

水轮机在工作过程中，由于携带泥、沙、石头及杂物的高速水流，在通过水轮机流道时，就会对水轮机过流表面产生的不同程度的破坏现象。通常情况下水轮机某一过流表面局部的破坏，往往不是单一因素造成的，多数情况下，它包括泥沙磨损和空化破坏及其联合作用。泥沙磨损主要由于水轮机工作过程中水流含有泥沙颗粒，这些具有一定动能的泥沙颗粒无数次的冲击水轮机部件的金属表面，这样最终形成鱼鳞坑或沟槽。空化破坏是指具有一定速度的水流经过过流部件时（尤其像叶片背面），水流中就会产生气泡，水流中的气泡在高速流动过程中随着压力的和速度的降低破灭，从而使得靠近流道边壁的固体物质产生疲劳破坏。

4抗磨蚀措施

由于水轮机过水部件的磨蚀给水电站的安全运行及经济效益带来巨大损害，近年来随着高新技术的出现，一些设备制造厂家也采用了各种各样的抗磨蚀措施。

4.1采用碳化钨涂硬涂层和聚胺脂软涂层

随着运行时间的增长，八盘峡水电站的水轮机转轮进入更新改造期。分别于2003年3月和2005年3月更换了3#、4#机组的转轮，新转轮是由上海希科水电设备有限公司制造，该转轮采用了叶片的过流表面全部喷焊碳化钨/钴涂层，转轮泄水锥和轮毂延伸段将喷涂软涂层，从近年来的检修过程中观察，这种措施的抗磨蚀效果良好，除叶片进出、水边的涂层有局部小面积脱落现象外，叶片外缘及泄水锥和轮毂延伸段的涂层基本完好，检修过程中不需进行转轮各部的补焊修复工作，不仅减轻了机组检修的工作量，还大大节省了检修成本。

4.2采用复合尼龙粉末喷涂

近年来还有一些设备生产厂家采用复合尼龙粉末为作为喷涂材料，它由高分子材料尼龙、环氧和多种添加剂经复合处理混合而成，既具有尼龙材料的耐磨、耐冲击性能又兼备环氧的优异的粘接性能。这种粉末喷涂在表面经过喷沙处理加热至200℃左右的转轮上，粉末喷涂就熔融流平形成保护层，经固化成膜，具有优良的耐磨蚀性能，其抗磨系数是30#钢的2～3倍，耐磨蚀性能是30#钢的1.5倍，粘接强度达60MPa以上，剪切强度35MPa，替代工件表面抵御流体中泥沙颗粒及空蚀的破坏，从而使工件使用寿命延长，保证了使用期的效率，其施工工艺也比较简单。

4.3对水轮机固定部件采用环氧金刚砂涂层保护

还有一些设备制造厂家采用环氧金刚砂作为喷涂材料，这种喷涂材料由环氧树脂为主体辅以多元醇缩水甘油醚为活性稀释剂，加固化剂组成。这种喷涂技术具有优异的粘接力，并且施工工艺简易，可在常温下施工。

5结语

由于磨蚀问题的复杂性和研究手段的制约，加上水轮机过流部件表面的磨蚀原理复杂，造成磨蚀的破坏原因至今看法不一。目前对磨蚀、空化双重作用下的过流表面快速损坏原理的认识还不足以得到实用性强的水力抗磨耐蚀优化设计方法，有待于深入研究。但通过对水轮机过流部件表面的磨蚀原理研究，认识磨蚀损坏本质，进行水轮机泥沙磨损的防护，可以对水轮机进行水力抗磨耐蚀优化设计提供依据和手段，对于最终解决水轮机过流部件表面磨蚀问题具有重要的意义，将会为水力发电企业带来巨大的经济效益。

参考文献

[1]彭凌云.水轮机过流部件抗磨蚀的新技术[J].黑龙江科技信息，2013,(1).

[2]王建忠,涂阳文,王茂.葛洲坝电厂水轮机过流部件磨蚀与防护回顾[J].中国三峡建设2004，(12).

[3]方源,冯栓江.万家寨水电站水轮机过流部件抗磨蚀措施的使用效果[J].中国水利，2002，（11）.

作者简介

张伦满（1976年）；性别：男；民族：汉族；籍贯：甘肃省兰州市榆中县；职称或学历：本科，工程师；工作单位：黄河电力检修工程有限公司甘肃项目部机械分处；研究方向：水电检修技术方面。