三眼桥水电站转轮磨损问题初探

张书选

（澄城县水务局 陕西 澄城 715200）

澄城县三眼桥水电站位于洛河中下游澄城县尧头镇境内，该电站设计水头16.7m，引水流量28.4m3/s，装机容量3750kW，电站工程于1996年5月修建，1998年正式投产运行。由于在电站设计时对洛河水质认识不足，设备选型存在一定缺陷；加之运行初期经验不足以及一些其它实际原因，造成机组连续运行时间短，负荷下降迅猛，严重制约着电站安全正常运行。为解决这一问题，电站和厂家共同探讨，并向设计院，科研单位专家咨询请教，分析产生问题的原因以及寻找解决的方法。

1 运行初期转轮磨损情况

运行初期，机组运转约600h以后，导叶开度在90%～100%区间内机组出力不变，若导叶开度在90%以下，就发现机组出力出现下降情况；机组运行1500h以后，机组出力迅速下降，导叶开度在70%～100%区间内，实际出力仅为额定出力的60%～70%。分析原因只能是转轮磨损所致，但由于运行初期经验不足，未适时进行修理。坚持运行至2000h，三台机组出力均下降至额定出力的50%以下，机组振动、噪音危及安全运行，不得已情况下决定进行机组大修。吊出转轮后，发现转轮磨损，气蚀严重，叶片已磨掉1/3左右，剩余部分表面以及转轮母体、转轮室表面全是蜂窝麻面，有的深度甚至达10mm，由于时间紧，汛期急，只得尽快更换新转轮后继续运转。但好景不长，类似情况再次出现，机组出力开始持续下降。在此情况下电站领导高度重视，技术人员也已多方联系咨询，探讨办法制定实施方案。

2 转轮磨损原因分析

为了弄清楚转轮磨损的原因，曾走访了多家同类型电站，虽然都存在转轮磨损问题，但磨损程度相对轻得多。初步断定，三眼桥转轮磨损问题不单是由于泥沙问题造成的，其原因应该是多方面的。因而进一步请生产厂家、设计院等有关技术人员现场查看，并向科研单位专家多方面咨询，分析造成转轮磨损严重的主要原因有以下四个方面：

（1）洛河水质的高泥沙含量及砂粒成分是造成转轮磨损的主要原因。洛河水质平时泥沙含量约为10%～30%左右，汛期泥沙含量可达60%左右，并且砂含量较大、砂质较硬导致了转轮磨损。

（2）转轮材质选用不当是造成转轮磨损的重要原因。厂家所配转轮材质为不锈钢，韧性较好但硬度不足。当水质好以气蚀为主时，选用不锈钢材质抗气蚀性能好；但当水质较差以磨蚀为主时不锈钢耐磨性能较差，而锰钢材质较硬抗磨性能较好。在含泥沙水流中，工作的水力机械除了会发生空化而产生气蚀外还将发生砂粒磨蚀，且发生在水力机械中的砂粒磨损不同于一般的砂粒磨损，常常与空化现象相伴发生，加剧过流部件的空蚀和磨损破坏。三眼桥水电站转轮室均为气蚀和磨蚀并存，且互相作用叠加递增，根据电站实际情况分析，水质泥沙含量大，转轮磨损主要以磨蚀为主，因此，应以解决磨蚀为主，转轮材质应优先选用锰钢材质。

（3）该机组选型为浙江金华水轮机厂生产的ZD560—LH—120型轴流式水轮机，叶片结构设计较薄，也是造成转轮寿命较短的一大原因。厂家原设计叶片根部厚度为20mm～50mm，稍端边缘厚度仅为7mm，稍磨即损，若再与气蚀相互作用，磨损进一步加剧。但如果加厚叶片，可能导致出力达不到额定值，科研人员也有此顾虑。

（4）机组转速过高也是造成转轮寿命减少的重要原因。在泥沙特性和设备材料等条件相同时，水流对设备的磨损强度主要取决于材料表面的相对流速，三眼桥水电站机组转速为500r/min，由于转速较高致使叶片表面相对流速较大，也成为转轮磨损的又一重要因素。

3 解决转轮磨损的方法

根据磨损的原因分析，解决的方案可以从以下几个方面考虑采取措施：①从水质上解决问题。优化水沙调度，设置沉沙设施。这对于小型电站来说，投资大，技术复杂，没有实施的可行性。如果从生产运行上调度，在汛期停机，又将导致电站效益损失太大。②更换水轮机，重新选择适合的机组进行改造。这个方案会受到受多方面因素制约，在当时来说也是不可能实施的。③从过流部件的材质和叶轮叶片形状上采取技术措施。④对过流部件表面采取处理措施。⑤采取精加工水轮机叶片，以保护型线准确而减少气蚀。结合电站实际情况和方案实施的可行性，并从经济角度进行成本效益分析，三眼桥对解决转轮磨损问题采取了以下两项改进方案：

3.1 改变转轮材质，调整叶片角度，加大转轮厚度

将转轮原不锈钢材质变为锰钢材质。委托科研人员根据该站实际水力参数和机组性能对转轮进行改型设计，在不影响机组出力和机组效率的情况下，调整了叶片角度，以改善水流方向而减小气蚀。此外，加大叶片厚度，将叶片根部厚度变为30mm～70mm,叶片边缘厚度变为20mm～40mm，以增加叶片的使用寿命。采取以上措施后，经实际使用观测，机组性能稳定，出力达到预期效果，机组效率没有降低。

3.2 对过流部件表面采取处理措施

在采用叶片表面处理方法试验时，曾尝试过金属粉末喷涂处理，耐磨陶瓷技术，环氧砂浆喷涂处理等多种方法。经过多年的探索总结，采用环氧砂浆表面处理技术稳定成熟，操作简单适用，而且对于转轮母体、叶片表面及转轮室、导、座环等受损部位均能比较容易的进行环氧砂浆喷涂处理。

采用环氧砂浆喷涂处理时，首先将过流部件受损表面清理净，用电焊堆补、打磨整平；其次，对需处理的部件表面进行喷砂除锈，封闭加温，待温度适合时再喷涂环氧金刚砂；最后，在部件表面再涂一层环氧树脂，使表面平整光滑。待环氧砂浆达到一定强度，经检查验收合格后即可进行机组安装。

4 改造后的效果及注意事项

经过多年来的不断总结完善，环氧砂浆抗磨技术在三眼桥电站运用也日臻成熟，现在该电站转轮利用时间均在10000h以上，在和改造前相同用水量的情况下，各台机组出力和效率均已达到或超过额定值。该解决方法经济适用，改造后效果明显突出。

在技改过程中应注意：①转轮改型设计要适合实际情况，尊重科学原理，按照水力学原则经设计选择适配转轮。②机组大小修要适时。要依据河流来水泥沙含量的周期性、机组累计运行时间以及运行方式等方面来确定大修周期；根据机组的状况来判断转轮磨损程度来确定小修周期，应尽可能及时进行小修来保证不缩短大修周期，以提高机组运行效率。③转轮表面处理时要注意采用的材料质量合格、方法环境得当、工艺工序操作严谨，否则将难以达到预期效果。

5 结语

三眼桥水电站运行初期一直受转轮磨损问题的困扰，机组效率低下，经过多年来在实践中的不懈地摸索总结，寻找出了一套适合电站实际情况的解决的方法，使机组运行能够持续保持正常高效，电站效益得到了显著提升。陕西水利