龚嘴水电站水轮机过流部件抗磨蚀改造综述

李 东

(国电大渡河检修安装有限公司，四川 乐山 614900)

龚嘴水电站位于四川省境内的大渡河下游，为坝后式径流电站，首台机组于1971年底并网发电，1978年12月全部投产运行，电站原装机为7×100 MW，多年平均发电量34.18亿kW·h，年利用小时数4 900 h，在系统中承担调峰调频和事故备用等任务。2002年11月至2012年4月，龚嘴水电站完成了7台机组的增容改造工程，总装机容量为7×110 MW。大渡河为多泥沙河流，特别是汛期泥沙较多，根据1956～1964年实测泥沙资料(铜街子水文站)，多年平均含沙量为0.71 kg/m3，最大日平均含沙量为9.45 kg/m3，因此，该电站从建设以来，水轮机过流部件的抗磨蚀问题就在安装、检修、改造及科研等各个阶段中存在，并不断地进行治理和改善中。

1 安装存在隐患多

龚嘴水电站机组为上世纪60年代产品，转轮、尾水管主要采用15锰钼钒铜(15MnMoVCu)，顶盖用16锰钢(16Mn)，活动导叶采用合金铸钢(ZG20MnSi)，底环用铸钢(ZG35#)，地面厂房1～4号机组蜗壳均采用15锰钼钒铜，1973年东方电机厂在制作地下厂房5～7号机组蜗壳时，由于15锰钼钒铜高强度钢板性能不稳定，国内钢厂已停止生产不再接受订货，而采用了15锰钒等钢板，加厚一级使用。15锰钼钒铜系当时新钢种，强度较高，但冲击韧性低(且不稳定)，基本上处于脆性状态，止裂性和可焊性很差，在蜗壳、尾水管焊接过程中曾多次出现裂缝；15锰钒等钢板在工地焊接过程中也曾多次出现裂缝，性能不稳定，发生严重延迟裂纹现象。因此，受当时国内的材料科技水平制约(不能进口)，尽管做了很多研究，采用了不少当时的新技术和新材料，但龚嘴水电站水轮机过流部件所用材质仍然存在抗磨蚀、锈蚀性能较差，且性能不稳定，给接机后的运行管理、检修维护造成较大困难。

2 检修治理的难度大

龚嘴水电站水轮机过流部件受当时工艺水平的限制，流道型线差，表面光洁度低。大渡河流域汛期水质差，含沙量大，沙粒粗且硬度高，对水轮机过流部件表面造成明显的磨蚀破坏，特别是对水轮机叶片的磨蚀破坏速度较快。上世纪90年代，龚嘴水电站水轮机转轮叶片已明显变薄，强度降低，叶片边缘变成刀刃，局部磨蚀损坏(见图1、图2)，甚至发生转轮泄水锥、止漏环脱落等严重威胁机组安全稳定运行的事故；蜗壳、座环、尾水管等也磨蚀特别严重，也多次出现空心固定导叶破裂穿水、尾水管锥管段裂纹漏水等险情(见图3)，每年检修必须对各机组进行大面积和局部用不锈钢焊条补焊和打磨处理(见图4)。现场修复手段有限且工作量巨大，也不具备返厂修复条件，受损部件始终无法得到彻底修复。而且配件尺寸已远离设计状况，水轮机上下迷宫环间隙已由设计时的2～2.45 mm扩大到10～15 mm，导叶端面间隙由设计的0.32～0.85 mm扩大到5～8 mm，水轮机性能偏离设计值，效率由88%降至86%。

图1 转轮叶片出水边严重磨蚀图

图2 转轮叶片出水边局部裂纹并脱落图

图3 尾水锥管裂纹处理图

图4 座环固定导叶补焊图

3 改造治理效果好

为消除设备隐患，提高机组效率，龚站机组增容改造及过流部件抗磨蚀治理技术经济效益分析报告于上世纪90年代初就提上了议事日程。21世纪初，龚嘴水电站机组增容改造工作稳步推进，先后于2003年和2004年完成了1、5号机增容改造，2006～2012年度依次完成了2、7、4、6、3号机组增容改造，龚嘴水电站总装机容量由70 MW增加到77 MW。采用新的水轮机及过流部件，一是降低了额定水头(老机组的额定水头为48 m，新机组的额定水头为44 m)；二是利用最新科技成果进行水力学设计，新水轮机平均效率达93%，较老机组大约提高了7%左右；三是新的转轮、顶盖、底环、活动导叶等过流部件均采用抗锈蚀耐磨蚀的不锈钢制造，极大的提高了运行可靠性和抗磨蚀性能，节约了检修成本，降低了检修强度和难度。

3.1 水轮机主要部件改造及优化过程

1)前期改造的1、5号机存在的问题及处理过程。龚嘴水电站最先改造的1、5号机主要采用加拿大GE公司设计产品。1、5号机运行两年后，水轮机顶盖上环板穿孔、止漏环和转轮上冠上平面磨蚀破坏严重(2005年汛期5号机顶盖多次出现沙眼穿水现象)(见图5、图6)，组织国内水轮机方面的专家对机组顶盖穿孔现象进行分析研究讨论后，按专家组方案于2005～2006年度检修期对1、5号机顶盖进行改造处理，经后期运行检验，未能解决顶盖磨蚀严重的问题。2008年9月，5号机顶盖组合缝部位出现穿水现象，国电大渡河公司、检修公司结合龚嘴水电站1、5号机增容改造后的水轮机顶盖实际结构，提出了升高顶盖固定止漏环以减小射流速度、增大其沿程损失的处理方案，并在2008～2009年度检修中对1、5号机顶盖止漏环进行了加高改造(见图7)。经过多年的运行检验，1、5号机顶盖改造部位几乎未出现磨蚀现象，表明水轮机顶盖结构改造十分成功。

图5 顶盖磨蚀情况图(外观)

图6 转轮上冠上平面磨蚀情况图(外观)

图7 顶盖加高改造修配图

2)后续改造机组的结构优化设计。为克服水轮机磨蚀破坏，在后续机组改造中，国电大渡河检修安装有限公司认真总结龚嘴水电站1、5号机改造增容的经验，针对前期两台机组增容改造投运后出现顶盖与转轮磨蚀严重等问题，积极协调沟通，协助东方电气集团公司开展转轮换型(国产化)的相关试验和选型工作，从结构上重新设计，进行模型转轮试验，通过试验结果进行优化并最终确定水轮机型号(HLD443a-LJ-592.1)；多次组织召开专题技术讨论会研究改进方案，与东方电气集团公司一起提出了一系列创新方案，在后续增容改造的2、3、4、6、7号机组上实施(文中以2号机为例)，将转轮上冠加高到320 mm，转轮止漏环与固定止漏环之间的间隙调为1.6～2.0 m，以降低转轮止漏环出口流速，减小通过转轮止漏环进入转轮上冠的漏水量。转轮上冠上断面与顶盖之间距离由原GE公司设计的29 mm加宽到45 mm，转轮止漏环上方的顶盖上环板采用S135不锈钢板并改善顶盖上环板及固定止漏环的焊缝结构。同时转轮上冠加设引水挡板并浇筑混凝土，减小转轮上冠的空腔，以改善转轮上冠水流的流态，降低含泥沙水流对顶盖上环板的冲蚀破坏。转轮泄水孔排水面积与止漏环缝隙面积之比设计到与老转轮相当。为减小埋入部分土建改造的工作量，经过反复计算比较，将转轮下环外圆尺寸最终确定为φ6 150，并重新设计了基础环增改段。2号机与老机组及转轮止漏系统性能参数对比详见表1。

表1 2号机与老机组转轮止漏系统性能参数对比表

3.2 其他主要先进技术与工艺的应用

1)基础环改造与安装。龚嘴水电站水轮机增容改造采用的新转轮下环较原转轮下环下延197 mm，故老机组的基础环将不能满足要求。为尽量减小埋入部分土建改造的工作量，重新设计了基础环增补段，老基础环需割去多余的法兰段，与组圆后的基础环增补段组焊。同时，由于龚嘴水电站原尾水锥管里衬材质为15MnMoVCu钢板，自上世纪90年代中期7台机组都陆续出现了尾水管里衬空蚀磨损穿孔、裂纹、掉块等重大缺陷，故基础环的改造结合尾水锥管直锥段更换一起进行。

2)水轮机尾水锥管改造。尾水管原材质为15MnMoVCu，现更换为力学性能较好的321不锈钢(1Cr18Ni9Ti)，尾水管增加210 mm补偿节(现长度为1 784 mm)，钢板厚度也增加了5 mm(现厚度为30 mm)，尾水管由原来的4瓣组焊改为三瓣焊接，减少了一条立焊缝，大大提高了尾水管的使用寿命和可靠性。新尾水管的安装、固定方式更加科学，研究应用尾水管环向和纵向布筋工艺进一步增加了尾水管强度，且受力更均匀，抗冲击和振动能力更强。

3.3 改造治理效果检验

龚嘴水电站水轮机过流部件改造主要包括更换转轮、顶盖、活动导叶、底环、尾水锥管等。转轮为整体结构，采用ZG06Cr16Ni5Mo不锈钢，取消嵌套止漏环结构，其下环较原转轮下延197 mm；导叶为整铸ZG06Cr16Ni5Mo不锈钢导叶，顶盖及底环过流面上均设有Ocr189Ni不锈钢板，顶盖固定止漏环为1Cr18Ni9Ti。改造前后水轮机主要部件材质对比详见表2。以2号机为例，2008年4月份完成其水轮机相关过流部件改造更换后，设备经过10年的运行，转轮、顶盖、导叶等均未见明显磨蚀(见图8，图9)，并经国电电科院进行水轮机转轮空蚀评定，结果良好，表明龚嘴水电站改造后的水轮机过流部件整体抗磨蚀性能治理效果显著。

表2 改造前后水轮机主要部件材质对比表

图9 2号机转轮叶片出水边及尾水锥管图

4 通过科研探索新思路

龚嘴水电站1～7号机组虽然完成了转轮、顶盖、活动导叶、底环、尾水锥管等水轮机相关过流部件的改造更换工程，但机组蜗壳、座环及固定导叶、尾水管等埋设部件因施工条件原因未进行改造更换，而蜗壳和固定导叶受当初材质和制造科技条件所限，一直存在抗磨蚀、锈蚀性能较差，且性能不稳定的重大隐患，经过40多年的运行，材质老化，强度降低，焊缝缺陷增加，每年都要进行大量的探伤检查、缺陷修复等工作才能保证设备的安全运行。另外，蜗壳和固定导叶因磨蚀变薄的问题也越来越引人重视，对此，国电大渡河检修安装有限公司积极探索新思路，不断应用新材料、新工艺来延长设备的安全使用寿命。2011年3月和4月，龚嘴水电站先后完成了4、6号机组的相关改造工程，并首次对蜗壳及空心固定导叶采用了表面涂抹环氧金刚砂抗磨层5～8 mm(见图10)，这是一种主要应用在闸门流道上的抗磨材料，经过多年的运行检验，是有一定的防护效果的，运行到第8年才开始出现抗磨材料磨穿、脱落的现象(见图11)。国电大渡河检修安装有限公司在应用环氧金刚砂抗磨材料的同时，通过广泛调研，积极联系有关科研机构和院校，寻找新型的专门用于水轮机过流部件的金属抗磨材料和新工艺。2019年3月，利用龚嘴水电站1号机组A修时机，引进某科院复合树脂砂浆技术(复合树脂砂浆涂层由复合树脂、固化剂、硬金属粉、棕刚玉、耐水剂等组成，该涂层综合性能优，黏结力强，抗磨、抗空蚀性能优良，涂层厚度为4～10 mm)，对1号机蜗壳和座环固定导叶进行抗磨修复试验(见图12、图13)，效果待进一步验证。

图10 4号机空心固定导叶表面涂抹抗磨层后图

图11 4号机抗磨层运行8年后图

图12 1号机蜗壳包角处表面涂抹抗磨层后图

图13 1号机座环固定导叶表面涂抹抗磨层后图