水輪機過流部件抗磨蝕的新技術(shù)

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簡介： 針對河北省引水式電站水輪機磨蝕嚴(yán)重問題，應(yīng)用非金屬抗磨材料涂層防護水輪機過流部件效果明顯，并推廣應(yīng)用取得了顯著經(jīng)濟效益。
關(guān)鍵字：水輪機　抗磨蝕　過流部件

　　河北省小水電站基本分兩種類型：一類為原有水利工程配套而建設(shè)的壩后式電站和灌渠上的電站；第二類是河道引水式電站。第一類電站水質(zhì)好、水流清澈；第二類引水式電站存在水質(zhì)差、雜物多、泥沙含量大等問題。加上近年來生態(tài)環(huán)境惡化，水土流失加劇及建設(shè)初期考慮泥沙磨蝕問題不夠充分，所以引水式電站水輪機泥沙磨蝕問題愈演愈烈。這個嚴(yán)重的問題就擺在了我們面前。 

　　1　河北省引水式電站磨蝕現(xiàn)狀 

　　1.1　引水式電站分布情況 

　　河北省水利系統(tǒng)單機500kW及以上電站51座，水輪發(fā)電機組總臺數(shù)130臺，裝機161.862MW，2000年發(fā)電量20.844GWh，其中河道引水式電站26座，占50.9%，水輪發(fā)電機組總臺數(shù)70臺，占53.8%，總裝機60.202MW，占37%，2000年發(fā)電量114.80GWh，占55%。分布在漳河、滹沱河、唐河、沙河、拒馬河、潮白河、灤河干流及主要支流上。 

　　　　這些電站所處河流均是河北省挾帶泥沙較嚴(yán)重的河流，如漳河多年平均輸沙量為2580萬噸，唐河多年平均輸沙量為180萬噸，這些河流上的水電站無一例外地存在著水輪機磨蝕問題。 

隨著小水電建設(shè)步伐的加快，全省500kW及以上電站中引水式電站所占比例越來越大，見表1。 

表1　河北省500kW及以上引水式電站發(fā)電量簡況

年份

1989

1990

1993

1997

500kW及以上電站發(fā)電量(GWh)

192.856

204.449

161.637

362.52

引水式電站發(fā)電量(GWh)

59.524

83.2939

71.02

164.07

引水式電站發(fā)電量所占比重(%)

30.86

40.74

43.97

55.26

　　因此，解決水輪機磨蝕問題更成為當(dāng)務(wù)之急。 

　　1.2　紫荊關(guān)梯級水電站磨蝕現(xiàn)狀 

　　紫荊關(guān)梯級水電站位于河北省易縣城西40km的紫荊關(guān)鎮(zhèn)，建設(shè)在跨流域引水的紫荊關(guān)五一引水渠道上，五一引水渠是將拒馬河水引入建在中易水河上游的安格莊水庫中。渠首建一座橡膠壩，在春夏秋三季為無壩引水，冬季用橡膠壩蓄水，以防止冰凌阻水影響發(fā)電。五一引水渠長度8.5km，設(shè)計最大引水能力25m3/s，總落差354m，規(guī)劃分六級開發(fā)，已投入運行的電站有四座，總裝機11.140MW，設(shè)計年發(fā)電量47.09GWh。 

　　拒馬河多年平均挾沙量為2.92kg/m3，多年平均輸沙量91.3×108萬噸，多為推移質(zhì)、顆粒粗，粒徑d50=1mm，硬度大，大部分為石英，磨損力強。因近年來天旱少雨，汛期引水流量也達(dá)不到電站滿發(fā)，用水流量小，影響渠首沉沙池及各站沉沙池排沙效果，因此造成污期過機泥沙量大，加上各站機組安裝高程均為+Hs，造成空蝕、磨損聯(lián)合作用；機組轉(zhuǎn)速高，水流流速大，加劇了水輪機過流部件的磨蝕破壞。 

　　水輪機轉(zhuǎn)輪磨損嚴(yán)重，出力降低，各站水輪機均按清水河流條件設(shè)計，Hs選擇均為正值，在泥沙河流中易產(chǎn)生空蝕、磨損聯(lián)合作用，轉(zhuǎn)輪破壞形成魚鱗坑，葉片背面呈海錦狀蜂窩麻面，葉片厚度變薄，出水邊成鋸齒狀破壞，每年至少修補1～2次，因修型不佳，葉片變型，使水輪機水能效率降低，達(dá)不到額定出力，直至轉(zhuǎn)輪報廢。以紫荊關(guān)一級水電站為例：1994年10月投產(chǎn)至1998年底，三年多時間更換了9個轉(zhuǎn)輪，平均一年一臺機組用一個轉(zhuǎn)輪。磨損使水輪機水力效率降低，出力不足，檢修工作量加大，檢修周期縮短，檢修時間延長。 

　　水輪機前后抗磨板磨損嚴(yán)重，泥沙磨蝕使水輪機迷宮間隙增大，容積效率降低。紫荊關(guān)五級水電站1993年投產(chǎn)1#機兩年后拆開檢修，下抗磨板迷宮間隙由原0.5～0.7mm，變?yōu)?/span>12～14mm，容積效率大大降低，且導(dǎo)葉軸孔處有磨蝕溝槽，上抗磨板雖比下抗磨板略輕，但水輪機頂蓋磨損嚴(yán)重，主軸密封漏水量增大。紫荊關(guān)五級水電站投運5年后，1#、2#機更換下抗磨板各一套，三臺機頂蓋磨損得都近乎穿孔，難以用常規(guī)方法修復(fù)。紫荊關(guān)一級水電站1994年投產(chǎn)，1997年汛期曾發(fā)生頂蓋穿孔。 

　　磨蝕不但使水輪機導(dǎo)水葉端面與上下抗磨板漏水嚴(yán)重，同時呈溝槽鋸齒狀立面磨損，使導(dǎo)水葉變薄，間隙增大，也導(dǎo)致了嚴(yán)重漏水，使水輪發(fā)電機組關(guān)機時間延長不能正常停機。紫荊關(guān)五級水電站1#機運行兩年后，關(guān)機時間是正常關(guān)機時間的3倍，以至于運行人員不得不外加磨擦力幫助機組停機。再者水輪機主軸密封漏水沿主軸噴向水輪機推力軸承，致使推力軸瓦進水，引起燒瓦事故。水輪機錐管、補氣架、固定導(dǎo)葉等過流部件也有不同程度魚鱗坑狀磨損。 

　　2　磨蝕引起的問題及造成的損失 

　　2.1　磨蝕破壞造成水輪機效率降低，發(fā)電量減少 

　　水輪機磨蝕破壞后水輪機水能效率、容積效率及機械效率大幅度降低，紫荊關(guān)三級水電站，經(jīng)噴涂保護后水輪機效率提高10%左右，以1999年為例，由于泥沙磨蝕造成的直接電量損失就有1.28GWh之多。全省達(dá)17.18GWh。直接經(jīng)濟損失1169.75萬元(包括配件開支及材料、人工費等)。 

　　2.2　磨蝕破壞威脅水輪機組安全運行 

　　水輪機磨蝕破壞使水輪機組振動加劇，關(guān)機時間延長，漏水嚴(yán)重等問題都直接威脅水輪機組的安全運行，紫荊關(guān)一級水電站1997年污期發(fā)生頂蓋穿孔故障，如不及時處理將會發(fā)展成水淹廠房事故，水輪機磨蝕問題必須解決以保障水電站安全運行。 

　　2.3　磨蝕破壞造成運行成本增加，電站經(jīng)濟效益下降 

　　水輪機磨蝕破壞除了使電站發(fā)電量下降、安全性能降低外還增加電站檢修工作量，檢修次數(shù)增加，檢修時間延長，縮短了檢修周期，使電站運行維護成本增加，電站經(jīng)濟效益下降。 

　　3　過去采取水輪機抗磨蝕措施效果不明顯 

　　由于水輪機過水部件的磨蝕給水電站的安全運行及經(jīng)濟效益帶來巨大損害，如何防治水輪機空蝕一直是水電站運行中的一個重要技術(shù)難題。近年來，我們采取了各種抗磨蝕的技術(shù)措施，但效果都不十分理想。 

　　(1)　采用更換母體材料，提高抗磨蝕能力，效果不明顯，而且費用較高，紫荊關(guān)一級水電站由低碳鋼轉(zhuǎn)輪改換為鎳鉻不銹鑄鋼葉片轉(zhuǎn)輪，運行時間比原低碳鋼轉(zhuǎn)輪延長半年，但費用是原轉(zhuǎn)輪費用的2倍。 

　　(2)　采用金屬噴焊技術(shù)，提高了轉(zhuǎn)輪葉片出水邊背面抗空蝕能力，由于工具限制，只能保護葉片背面，不能將整個轉(zhuǎn)輪保護，且加工過程中葉片熱變形和龜裂不易克服，加工難度大，工藝不好掌握，推廣應(yīng)用困難。 

　　(3)　鑲襯輝綠巖鑄石技術(shù)，雖能增加固定的抗磨蝕能力，但由于加工工作量及鑲襯工作量大，受加工工具限制不易施工，應(yīng)用困難。 

　　(4)　除上述措施外，還采用過加裝擾流板、加高尾水水位等抗磨蝕方法，但都是解決局部磨蝕問題，不能徹底解決水輪機磨蝕問題。 

　　4　采用水輪機過流部件抗磨蝕新技術(shù)的優(yōu)點 

　　近年來與全國水輪機磨蝕試驗研究中心合作、試驗和應(yīng)用推廣了幾種非金屬抗磨蝕新技術(shù)，其優(yōu)點與創(chuàng)新點在于：①整體加工、消除局部變形；②可在復(fù)雜、窄小的轉(zhuǎn)輪流道中全方位的涂抹保護；③在工件表層形成包衣替代過流部件的更換，延長過流部件使用時間；④工藝簡單，易操作、費用低、易推廣。 

　　5　水輪機過流部件抗磨蝕新技術(shù)實驗過程 

　　5.1　水輪機過流部件抗磨蝕技術(shù)抗磨材料的篩選 

　　根據(jù)五一渠輸沙量顆粒分析，見表2。對固定部件采用環(huán)氧金剛砂修補，常溫修補經(jīng)過三級電站3#機組及五級電站4#機組實驗，發(fā)現(xiàn)抗磨蝕性能良好。但與水輪機母體材料粘接強度差、易剝落，一般運行3～6個月發(fā)生60%左右的剝落。根據(jù)現(xiàn)場實際，課題組決定采取加溫至50℃時施工，得到了良好效果。對轉(zhuǎn)動部件根據(jù)拒馬河挾沙情況，最先使用彈性橡膠涂層，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)彈性橡膠在轉(zhuǎn)輪葉片負(fù)壓區(qū)粘接力弱，出現(xiàn)大片剝離脫落，而此處正是空蝕最嚴(yán)重區(qū)域，隨后課題組經(jīng)過研究決定改用復(fù)合尼龍保護。最后課題組經(jīng)過反復(fù)實驗、研究、比較、篩選最后確定對水輪機固定部件采用中溫環(huán)氧金剛砂修補，轉(zhuǎn)動部件使用復(fù)合尼龍噴涂粉末保護。 

　　5.2　轉(zhuǎn)輪采用復(fù)合尼龍粉末噴涂 

　　復(fù)合尼龍粉末為灰白色粉末，由高分子材料尼龍、環(huán)氧和多種添加劑經(jīng)復(fù)合處理混合而成，既具有尼龍材料的耐磨、耐沖擊性能又兼?zhèn)洵h(huán)氧的優(yōu)異的粘接性能。粉末噴涂在表面經(jīng)過噴沙處理加熱至200℃左右的轉(zhuǎn)輪上，粉末噴涂就熔融流平形成保護層，經(jīng)固化成膜，具有優(yōu)良的耐磨蝕性能，其抗磨系數(shù)是30#鋼的2～3倍，耐磨蝕性能是30#鋼的1.5倍，粘接強度達(dá)60MPa以上，剪切強度35MPa，替代工件表面抵御流體中泥沙顆粒及空蝕的破壞，從而使工件使用壽命延長，保證了使用期的效率，其施工工藝也比較簡單，首先將轉(zhuǎn)輪去油污后噴沙除銹露出金屬本體，并形成 

表2　五一渠沙樣篩分試驗表

　　一定毛糙度。用表面活性劑刷涂轉(zhuǎn)輪表面，以加強金屬與高分子材料的粘接力和界面防水性，然后在烘箱內(nèi)加溫，使溫度達(dá)到200～220℃后保溫30～60分鐘，取出后用凈化的0.1M～0.2MPa的壓縮空氣，通過專用噴槍，將裝在專用噴粉器內(nèi)的復(fù)合粉末噴涂到轉(zhuǎn)輪表面并熔融流平，若一次噴涂厚度不足，可多次噴涂，最后在烘箱內(nèi)保持180℃固化45～60分鐘取出，完成全部工藝。復(fù)合尼龍粉沫噴涂工藝簡單、易操作，只要空氣能流通之處均能涂復(fù)，適合于造型復(fù)雜、流道較小的中小水電機組轉(zhuǎn)輪，且施工時間短，10～15分鐘即可噴涂一個轉(zhuǎn)輪，但對溫度控制要求嚴(yán)格。 

　　5.3　對水輪機固定部件采用環(huán)氧金剛砂涂層保護 

　　環(huán)氧金剛砂由環(huán)氧樹脂為主體輔以多元醇縮水甘油醚為活性稀釋劑，加固化劑組成，其組成配方見表3。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接力，并且施工工藝簡易，可在常溫下施工。在加溫至50～60℃時與鋼鐵的粘接抗拉強度為40M～60MPa。剪切強度為20M～35MPa，加入剛性填料金剛砂后抗磨性能優(yōu)異，抗磨系數(shù)是30#鋼的2倍，耐磨蝕性能相當(dāng)于30#鋼。其加工工藝是：工件去油污后經(jīng)噴沙除銹露出金屬本體，并形成一定的毛糙度。用表面活性劑刷涂需要涂復(fù)的工件表面，以強化粘結(jié)界面的粘接力和防水性，然后將工件加熱至50℃左右將環(huán)氧樹脂及活性劑、固化劑按比例攪拌均勻，呈乳棕色膠體狀，用刷子或刮板，涂復(fù)在所需修復(fù)工件的表面上作為基層；再將余下的部分按1∶5重量比例加入金剛砂，充分拌合均勻成沙漿狀，用刮板或加熱后的抹刀涂復(fù)到基層上，充分壓平使表面光滑，達(dá)到要求的厚度。可采用常溫2～3天固化或處于50℃左右范圍內(nèi)3～4小時固化后即可使用。 

表3　環(huán)氧金鋼砂涂層配方表 

環(huán)氧樹脂

100%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

664

20%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

偶聯(lián)劑

1%～2%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

固化劑

18%～20%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

硅粉

30%～40%

(與環(huán)氧樹脂重量比)

金鋼砂

500%左右

(與環(huán)氧樹脂重量比)

　　5.4　有待改進的問題 

　　通過以上實驗使用水輪機過流部件抗磨蝕新技術(shù)，推廣應(yīng)用的主要難點是：施工過程中的溫度控制，溫度控制掌握的好壞直接影響保護效果的優(yōu)與劣。再有需改進的問題是：轉(zhuǎn)輪保護的復(fù)合尼龍保護層，修補技術(shù)不易掌握，修補處易剝落，現(xiàn)采取整只轉(zhuǎn)輪全部清除后再重新保護的方式。以上問題有待進一步研究改進。 

　　6　水輪機過流部件防護的效果及經(jīng)濟效益 

　　采用非金屬抗磨蝕材料保護轉(zhuǎn)輪工藝簡單易操作，可延長轉(zhuǎn)輪使用時間，葉型變化小，保證了轉(zhuǎn)輪高效率，并節(jié)省了大量資金，以易縣紫荊關(guān)一級水電站為例，投產(chǎn)一年報廢了3只轉(zhuǎn)輪，直接經(jīng)濟損失3×4＝12萬元。為了增強轉(zhuǎn)輪抗磨蝕能力，將轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)由低碳鋼改為不銹鋼，每只造價增加2萬元，每年投入3×6＝18萬元，且效果也不明顯，采用非金屬涂層保護后，每年只需1萬元投入即可保證轉(zhuǎn)輪母體不磨損不破壞。 

　　固定部件采用環(huán)氧金鋼砂涂抹簡易快捷，效果良好，延長機組頂蓋及上、下止漏環(huán)使用壽命，基本保證了水輪機迷宮間隙，減少了漏水量，提高了水輪機容積效果10%～20%，極大地降低了檢修成本(為一般常規(guī)修復(fù)的1/100左右)。縮短檢修時間2/3左右。 

　　若推廣到全省的河道引水式水電站中，每年可增發(fā)電量17.18GWh，從而增加直接經(jīng)濟收入1169.7萬元。因此，若能將這一新技術(shù)得到普遍應(yīng)用，將能取得十分顯著的經(jīng)濟效益。