水轮机磨蚀与防治

顾四行 贾瑞旗 张弋扬 姚 光

我国是多泥沙河流国家,水轮机泥沙磨蚀破坏是我国水电站的特殊问题。过机泥沙是产生水轮机磨蚀的根源,泥沙来自水土流失。我国黄河、长江等七大流域和新疆等地的内陆河流都有不同程度的水土流失。据统计,我国年平均输沙量在14万t以上的河流有42条[1]。其中黄河流域是世界上水土流失最严重的地区,其水土流失面积达43万km2,每年输入黄河中游三门峡以下的泥沙达16亿t。黄河的含沙量居世界之冠,中游年平均含沙量达37.5 kg/m3。长江流域上游每年水土流失区的土壤流失量也达15.6亿t。

据估计,我国有3000万～4000万kW装机容量的各类水轮机存在比较严重的泥沙磨蚀问题。它是影响水电厂(站)安全运行的重大问题之一。多泥沙河流上的水轮机运行时,往往泥沙磨损和空蚀(以前称作气蚀)同时存在(也有单独存在之处),而且互相促进,破坏叠加,大大加速了水轮机过流部件金属表面的破坏进程,这种磨损和空蚀的联合作用,通常称为磨蚀破坏。实验室模拟试验和水电站现场真机破坏痕迹观察都表明,磨蚀破坏要比单纯磨损或单纯空蚀要严重得多,一般相差几倍。

水轮机空蚀、磨损和磨蚀破坏是渐进的,有个逐渐积累的过程。严重的磨蚀破坏将导致水轮机的使用寿命大大减少(有的小型水轮机仅为正常使用年限的1/3～1/2),大修周期缩短(中小型水轮机有的大修周期只有1年甚至不到1年),检修工期延长(20世纪70年代黄河三门峡水电厂4#机扩修工期长达1年),材料消耗和备品备件增加(不少中小水电站转轮和导叶等备品为1∶1),经济损失巨大;因此,各级领导都非常重视水轮机泥沙磨蚀问题的研究。1988年成立了全国水机磨蚀试验研究中心,水利部水电局领导任理事长至今。

我国对水轮机泥沙磨蚀问题的研究已有50多年历史,早在20世纪50年代,在修建北京官厅水库和黄河三门峡等水利枢纽工程以及1956年编制国家12年科技发展规划时,就提出水轮机泥沙磨损的问题。经过几代科技工作者和水电厂运行与检修人员的共同研究与实践,已经取得了减缓水轮机磨蚀破坏的不少综合治理成果,但综观全局,我国水轮机磨蚀问题还很严重,尚未取得突破性进展,许多问题还有待深入研究。

在清水和少量泥沙水中运行的水轮机,其过流部件金属表面一般仅出现麻点、针孔、海绵状或蜂窝状的破坏称为空蚀。在初期(或称空蚀潜伏期),有时在不锈钢表面可看到灰色区。空蚀破坏的特点是部位比较固定,常见于转轮叶片的负压面等处;泥沙磨损可分为平面磨损和局部磨损两种。在多泥沙水中运行的水轮机,其过流部件金属表面产生大面积波纹、鱼鳞坑及沟槽称为磨损,常见于正压面,如叶片和导叶的正面等处,清水电站则没有;由于水轮机过流部件金属表面的局部区域受材质疏松、缩孔等凹凸不平或设计加工不合理(如轴流式水轮机叶片吊孔)等原因引起的较深的冲沟和坑穴等破坏称为局部磨损。有时局部磨损比平面磨损危害还要大,应引起足够重视。

众所周知,多泥沙河流上的水电站有汛期(浑水)和非汛期(清水),水轮机在一年运行中,清、浑水条件同时存在。因为汛期来水量大,水电厂可以多发电,但汛期水中泥沙含量也多(约占全年输沙量的90%以上),而且泥沙大都集中在几次沙峰期。因而汛期尤其是沙峰期水轮机过流部件金属表面的磨蚀破坏也就特别严重。国内对其破坏的认识尚有不同看法,还需通过实践深入研究探讨,以求统一认识。

水轮机磨蚀破坏的机理十分复杂,影响因素很多,是一项多学科的系统工程,必须采取综合措施,才能取得比较好的抗磨蚀效果。

1 水轮机磨蚀破坏实例

(1)陕西黄河支流无定河绥德水电站(水轮机型号ZD661-LH-120,H=12.9m,Q=8m3/s,N=800 kW),每年有500 h在含沙量为150～330 kg/m3(电站实测最大过机含沙量为960 kg/m3)条件下运行(泥沙平均粒径0.15mm,泥沙颗粒以石英、长石为主),不锈钢叶片运行10161 h后叶片失重达15%,外缘呈扫帚状,出力下降40%。

(2)黄河三门峡水电站(水轮机型号ZZ010-LJ-600,H=30m,Q=197.5m3/s,n=100 r/min,N=5万kW),水轮机运行15000 h后效率下降8.7%,必须扩大性大修。

(3)湖北长江葛洲坝水电厂大江电站(水轮机型号ZZ500-LH-1020,H=18.6m,Q=826m3/s,n=62.5 r/min,N=12.9万 kW),17#机 20mm厚的不锈钢叶片出水边其磨蚀速率为3.5mm/10000 h,而15#机运行37000 h后进水边头部磨蚀量超过16mm,磨蚀速率达4.3mm/10000 h以上,每年必须有3～4台机进行非金属涂层涂敷保护才能延长扩大性大修的周期。

(4)四川大渡河龚嘴水电站,在水库泥沙淤积趋于平衡后,全厂7台水轮机(水轮机型号HL220-LJ-550,H=48m,Q=241m3/s,n=88.2 r/min,N=10.25万kW),每年都要大修1～2台机,并对过流部件进行非金属涂层防护,才能不损坏转轮的母材。

(5)新疆玛纳斯河(内陆河流)红山嘴水电厂,年平均含沙量2.38 kg/m3,最大含沙量达402 kg/m3,年输沙量304 t,输沙量的95%集中在5-9月,泥沙颗粒粗,石英、长石等硬颗粒占 50%,水轮机过流部件金属表面磨蚀破坏极为严重,如该厂3级水电站水轮机(水轮机型号HL702-LJ-140,H=61m,Q=15.6m3/s,n=428.5 r/min,N=9150 kW),每年都要大修,新转轮在一个汛期内还要对转轮叶片焊补数次才能度过汛期运行。

(6)21世纪新修建的中小型水电站,由于没有很好吸取上述水电厂的经验教训,因而同样存在严重的泥沙磨蚀问题(当然各条河流,各个水电站的具体条件各不相同,不能照搬其他水电站的经验教训)。例如,新疆某水电站,装机容量2×2.45万kW(水轮机型号HLA801-LJ-215,H=74m,Q=37.22m3/s,n=300 r/min,N=2.458 kW),多年平均含沙量为3.178 kg/m3,最大含沙量为49.3 kg/m3,2008年汛期实测最大含沙量达59.6 kg/m3,石英含量占45%,2台机先后于2008年3月31日和4月8日并网发电。1#机累计共运行2784 h(汛期运行1504 h),2#机累计共运行2957 h(汛期运行1517 h)后,水轮机即遭严重磨蚀破坏,2#机下止漏环单边间隙最大达21mm(设计值1.1～1.4mm),固定导叶进水边出现深约5mm的磨损凹坑,主轴密封端盖(铸铝结构)磨穿,密封环严重磨坏漏水,水导轴承座紧固螺栓全部断裂,水导油盆进水,不得不停机检修。又如陕西某水电站,装机容量3×1.6万kW,最大水头110m,多年平均含沙量为145.9 kg/m3,2009年汛期实测最大含沙量达647 kg/m3。2009年8月3台机在72 h试运行期间,水轮机即遭严重磨损破坏(导叶、顶盖、座环以及蝶阀、旁通阀、电磁阀和主轴密封等),被迫停机处理。

2 泥沙磨损因素

根据国内外试验研究,水轮机的泥沙磨损量和水流相对流速、水中泥沙含量、泥沙成分与特性、机组实际运行时间、水轮机制造材质的耐磨系数等诸多因素有关,可用以下公式表示:

式中 δ——磨损量,计算部位的平均磨损深度,mm;

s——过机平均含沙量,kg/m3;

ε——材料的耐磨系数,与磨损量成反比,和水轮机材质的硬度,设计型线,表面加工光洁度等因素有关;

β——泥沙的磨损能力综合系数,与泥沙成分、粒径大小、颗粒形状及硬度等有关,可由试验装置试验确定或由试验曲线近似估算;

w——水流相对流速,m/s,平顺流动时指数m=2.3～2.7,冲击表面时指数m=3.0～3.3或更大,近似计算时,可用指数m=3.0计;

t——累计运行时间,h。

以上诸因素中,流速是最主要的因素,因为它与磨损量成3次方关系。

各个水电站由于水流条件(如过机含沙量和泥沙特性等)、水头高低、机型(如混流式、轴流式、冲击式、贯流式等)、设计、加工制造水平以及运行方式等等情况的不同,因此,相同型号的水轮机,在不同水电站的磨蚀破坏程度有很大差异,甚至同一个电站相同型号的水轮机由于布置位置不同,实际过机含沙量也有差异,因而破坏程度也会有量级上的差异。只有根据现场实际情况,具体问题具体分析,在诸多因素中,找出主要因素采取相应的应对措施。

关于多泥沙的定义,有人认为以年平均含沙量(如10 kg/m3)为界定,我们认为欠妥,因为有的河流年平均含沙量很小,但汛期平均含沙量远大于年平均含沙量,所以应以汛期平均含沙量来衡量比较恰当。至于含沙量多少为界,目前尚无定论。我们认为应以实际过机平均含沙量并结合水轮机过流部件磨蚀破坏情况来考评。因为同样的含沙量,泥沙特性(粒径、硬度、形状等)不同,磨蚀破坏程度差异很大。对于中低水头水电站,含沙量值可定得大些,水头在100m以上的高水头电站,含沙量值应该定得小些。例如,四川渔子溪二级水电站,设计水头249m,最大水头302.2m,河流年平均含沙量仅0.6 kg/m3,很小。有人认为不应该有磨损,而实际并非如此,该站7,8两个月的平均含沙量为7.8 kg/m3,占全年含沙量的86.2%,日平均最大含沙量54.7 kg/m3,水轮机转轮和导水机构过流表面快速磨蚀破坏。

3 防治对策

水轮机磨蚀破坏的防治,必须采取综合治理措施。

3.1 大力开展水土保持和流域治理

我国已在实行退耕还林、退牧还草、保护生态环境和小流域治理工作,以尽量减少水土流失,降低河流的输沙量和含沙量。虽然取得一些成效,但由于植被严重破坏后,生态较难恢复,需要有一段时期的恢复过程。有的地方还在产生新的水土流失,因此,水土流失情况将会在比较长的时期内存在,河流水中泥沙对水轮机的磨蚀破坏还将长期存在。

3.2 一定要重视枢纽工程设计

要加强对已建水利水电工程水工建筑物运行情况的调研与总结,水工建筑物一定要考虑导沙、沉沙、排沙设施,尽量减少粗颗粒泥沙通过水轮机流道。例如,四川渔子溪一、二级、楠亚河三级和耿达等水电站,针对西南山区径流引水式电站的地形特点,设置了一定容量的沉沙池,以减少粗颗粒泥沙过机,一定程度上减轻了水轮机过流部件的磨蚀破坏;又如黄河干流的刘家峡、青铜峡、万家寨、小浪底等水电站,枢纽工程设计了排沙洞等设施,运行实践表明,对减小过机泥沙和坝前泥沙淤积起到了很好的作用;再如新疆玛纳斯红山嘴、喀什疏附县音萨克等水电厂,根据新疆泥沙粗的特点,在引水渠道增设了漏斗式排沙设施,将0.5mm以上的粗颗粒泥沙基本排除,减少了水轮机过机泥沙,从而减轻了水轮机过流部件的磨蚀破坏。

3.3 优化水库运行方式

黄河上有水库的水电站,如刘家峡等都采取水库“蓄清排浑”运行方式,尽量减少泥沙淤积。小浪底水库则每年适当时间进行排沙试验,对水库坝前减淤起到良好效果。

3.4 更新水轮机设计制造理念

由于磨损与流速的3次方成正比,因此,为减轻水轮机磨蚀破坏,多泥沙河流水电站在水轮机选型和水力设计、结构设计和加工制造中可以采取以下措施。

(1)选用相对速度偏低的机型,如黄河西霞院水电站,最高水头13.5m。技术上可以选择最高水头达25m的灯泡贯流式水轮机,但考虑到泥沙磨损问题,最终选用了轴流转桨式水轮机。

(2)选择较低的比转速(即低转速)。

(3)控制高水头混流式水轮机出口圆周速度不大于38m/s,轴流转桨式水轮机和中、低水头混流式水轮机控制在35m/s以内。

(4)适当扩大导叶分布圆直径。

(5)适当增大导叶相对高度,转轮叶片出水边厚度适当加厚。

(6)固定导叶和活动导叶数相等,以均化水流。

(7)用全流道计算流体动力学分布确定导叶最佳安放角。

(8)用CFD计算均化转轮流道内速度分布,避免叶片间产生涡流,改善转轮空蚀性能。

(9)汛期开停机频繁的高水头混流式机组,可装设筒形阀或球阀。

(10)流道应平整光滑,无局部凸起或凹坑以及铸造缩孔、气孔等。

(11)加工制造型线要准确,表面光洁度要高,水流拐弯处要有一定尺寸的圆角,避免流道断面突然变化。

(12)关键部件(部位)可利用高耐磨材料。

(13)应有足够的备品备件。

(14)总体结构应考虑易损部件在机坑内拆卸更换方便等。

4 强化机组运行管理

要优化机组运行方式,水轮机应在制造厂保证范围内运行,尽量避免在低负荷或超负荷区运行,以减少因水压脉动引起的机组不稳定运行造成磨损和空蚀破坏的加剧。

要加强水库泥沙监测预报,汛期沙峰到来前可向电网申请机组短暂停运,宁可损失部分电量,避免大量泥沙过机而造成水轮机过流部件的快速磨蚀破坏而导致机组被迫停运甚至提前大修。例如前面提到的陕西某水电站,2010年汛期沙峰时停运11 d,保证了机组汛期安全运行。

要科学合理地安排机组检修,一定要高度重视检修质量,过流部件焊补打磨工作要责任落实到人。做到该修必修,修必修好,并做好检修记录。

5 必要的金属和非金属防护层措施

由于水轮机磨蚀都发生在过流部件的金属表面,因此,对其表面采取防护减缓磨蚀破坏是比较经济适用的措施之一。目前常用而比较成熟的金属防护材料如下。

(1)焊条堆焊。主要有打底用的普通结构钢焊条和抗空蚀好的不锈钢焊条以及多种耐磨蚀焊条(如GB1、堆277)等。

(2)氧乙炔火焰合金粉末喷焊。此工艺在甘肃、新疆、云南、四川等省区中小型水轮机上应用较多,也取得了比较好的抗磨蚀效果。

(3)高速燃氧WC喷涂(HVOF)。这是目前国内外用于大型水轮机过流部件金属表面防护的新技术、新工艺。小浪底、万家寨(5#、6#机)、三门峡增容改造1#机、青铜峡(5#、6#机)、刘家峡(4万kW小机)以及沙坡头灯泡贯流机等都应用了WC喷涂。试验室内圆盘模拟试验表明,WC涂层的抗磨损性能很好,但抗空蚀性能较差[2],由于该工艺在国内水电厂水轮机上应用的时间还不长,故真机应用于强空蚀区的效果还有待进一步观察总结。

(4)其他金属防护涂层。如等离子喷涂、渗铝、电镀Cr、金属陶瓷焊片、激光强化、氧化铝复合镀层等,由于存在这样或那样的问题或受条件的限制,目前在水电厂尚未得到推广应用。

非金属材料(涂层)方面,应用较多的有:

(1)超高分子量聚乙烯抗磨板。已在刘家峡、三门峡、万家寨、大峡等许多水电厂水轮机上得到应用,抗磨效果良好。

(2)改性环氧金刚砂涂层。该涂层抗磨性能好,施工简易,价廉,应用较广。长江葛洲坝水电厂20年来一直应用于轴流转桨式水轮机叶片正面检修。新疆阿克苏西大桥水电厂轴流转桨式水轮机叶片的防护也应用此涂层。四川龚嘴水电厂单机10万kW混流式水轮机抗磨也用此涂层。

(3)聚氨酯涂层。该涂层具有很好的抗空蚀磨损性能,因此,国内外抗磨研究人员都十分重视。20世纪90年代以来,许多外国公司如法国阿尔斯通、德国伏依特、英国E.WOOD公司以及美国的DP、DL和S-80涂料,先后将产品推向中国,在葛洲坝、新安江、刘家峡、碧口以及万家寨和三门峡等大型水轮机上试验或试用,结果却不尽人意。往往机组运行时间不长涂层大面积或整体脱落,分析其原因,是涂层与金属底材的粘接强度不够,它们的粘接强度都在20mPa以下,国内一些研究单位研制的聚氨酯涂层的粘接强度也都在20mPa左右。根据室内高速圆盘机模拟试验并结合真机观测,有关专家认为,该涂层的粘接强度必须在30mPa以上,才能基本满足不整体脱落。目前上海康达化工有限公司已研制出粘接强度达30mPa(试验室测试数据)的聚氨酯涂层,经在三门峡1#机和河北易县紫荆关五级水电站水轮机上实际对比试验,其抗磨蚀性能优于国内同类涂层。拟进一步扩大现场真机试验、试用和总结提高。

6 尚待深入研究的课题

(1)开展磨蚀机理、规律、磨蚀量预估、磨损和空蚀联合作用以及水沙两相流动等基础理论的试验研究。

(2)针对不同地区、不同泥沙条件、不同机型,深入开展磨蚀综合治理经验总结和专项技术措施的研究与实践。

(3)开展磨蚀试验装置与方法的标准编制工作,目前国内正在编制《反击式水轮机泥沙磨损技术导则》和国际电工委员会(IEC)正在编制《水轮机泥沙磨损导则》,相信两个 “导则”将指导水轮机磨蚀试验研究向纵深发展。

(4)进一步开展水轮机抗磨蚀、防裂纹新材料及抗磨蚀涂层配方与施工工艺的研发。

(5)水电站现场高效、经济非金属防护层涂敷,修补工艺及施工工装的研制与应用。

(6)水轮机检修(测绘、修形、焊补、打磨)机械化、自动化设备的开发等。

按照我国水电发展规划,到2020年,将有2亿kW水电机组要开发,其中主要在西南地区,有很多大型或巨型水轮机将面临磨蚀问题;因此,水轮机磨蚀问题的研究将迎来新的压力与挑战,希望引起各级管理与科研部门领导的重视,希望有关高等院校,能更多地培养高素质人才,更希望有实力的电力公司、电网公司、制造厂(公司)和水电厂能投入更多的人力和财力,支持水轮机磨蚀试验研究工作的深入开展,使中国在这一领域为世界作出更多的贡献。

[1] 郭中兴,张禄勋,王志高.我国水力机械抗泥沙磨损的试验研究[A].水机磨蚀研究与实践50年[C].北京:中国水利水电出版社,2005.89-104.

[2] 余江成,吴剑.HVOF涂层材料的抗磨蚀特性与应用分析[A].水机磨蚀研究与实践50年[C].北京:中国水利水电出版社,2005.446-451.