混流式小型水轮机顶盖磨蚀原因分析及解决措施

张 健

（甘肃电投大容电力有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 概述

水电站工程位于甘肃省天祝县与青海省互助县交界的大通河干流上，是大通河干流青岗峡至金沙峡河段水电开发规划的第三级电站。电站水库正常蓄水位2 211 m，设计最大引用流量102 m3/s，设计水头38 m，正常蓄水库容14.7 万m3，坝顶高程2 213.5 m，最大坝高22.6 m。引水隧洞沿大通河左岸布置，全长约5.1 km，减水河段全长约6.07 km。大通河流域多年平均含沙量0.43 kg/m3，汛期平均含沙量0.59 kg/m3多年平均悬移质输沙量112 万t，多年平均推移质输沙量11.2 万t；朱岔峡电站于2006年11 月开工建设，3 台机组相继于2008 年3 月、4月和6 月投产发电。水轮机组运行第八年时3 台机组相继均出现顶盖磨蚀孔洞，有漏水现象。后经过返厂处理，安装后目前运行稳定。本文就顶盖磨蚀产生的原因以及处理方法做一详细的阐述，供广大水电工作者学习交流。

2 背景及现象

朱岔峡水电站安装3 台立轴混流式水轮发电机组，单机容量分别为13.5 MW、13.5 MW、7 MW，总装机容量34 MW，多年平均发电量1.434 亿kW·h，年利用小时数4 218 h。1 号、2 号机组为大机，水轮机型号HLA551C-LJ-230 额定转速217.3 r/min，额定流量40.4 m3/s；3 号机组为装机7 MW 的小机，水轮机型号HLA551C-LJ-165，额定转速300 r/min，额定流量20.9 m3/s。顶盖磨蚀处厚度为30 mm，止漏环材质为不锈钢，厚度12 mm。

2016 年3 月2 号水轮机运行期间出现顶盖孔洞，孔洞面积约1 cm3，顶盖磨蚀至穿孔位置为顶盖止漏环与上平面直口处而非过流面，顶盖运行水压较高喷涌至顶盖表面，因机组检修工期原因临时对顶盖上部孔洞进行焊接封堵。2017 年10 月机组运行期间2 号机组顶盖止漏环与上平面直口处再次发生磨蚀穿孔。2018 年6 月1 号机组运行期间顶盖止漏环与上平面直口处磨蚀产生孔洞，临时进行补焊处理。2019 年1 月3 号机组大修期间顶盖还未出现穿孔但磨蚀严重，返厂进行补焊处理，但2020年8 月，同位置圆周处出现两次顶盖磨蚀穿孔，10月再次出现磨蚀穿孔。

3 台机组投产运行8～10 年后顶盖均多次出现磨蚀致穿孔现象，3 台机组出现磨蚀严重、穿孔位置均为顶盖止漏环与上平面连接直口的圆周处。

3 原因分析

为解决顶盖磨蚀问题，文中从设计、生产制造、运行等方面对顶盖磨蚀产生的原因进行分析，从而提出解决问题的方法措施。

（1）设计方面

混流式水轮发电机组顶盖是重要的导水机构，在水轮机组中既要承担导水机构的引流作用，同时顶盖上对应数量的导叶孔用以支撑导叶，顶盖过流面一般设有不锈钢抗磨面，但非过流面受到水流冲击泥沙磨蚀后不仅降低顶盖强度，严重破坏时会造成厂房透水事件。

1）朱岔峡电站顶盖磨蚀处为止漏环与上平面结合的直口处，止漏环是不锈钢材料，但顶盖其余过流面材质为Q235B 碳钢，硬度及抗磨度较低。磨蚀部位也大部分在硬度较低的碳钢材料部位。

图1 顶盖穿孔部位

2）顶盖上止漏环耐磨度较低：机组运行8～10 年在受泥沙磨蚀后止漏环磨损严重，上冠迷宫间隙变大，漏水量逐年增大，但漏水无法有效排出，顶盖承受较高水压力及压力脉动的同时造成水能损失，水轮机效率下降。如需要更换止漏环必须拆除转轮重新更换止漏环，此工作受空间影响，在内部无法实施，需发电机组全部分解后才能更换，此项工作实施难度高、经济性差，无法做到3～5 年内周期性更换。

3）顶盖与转轮上冠腔体内水压较大：朱岔峡电站主轴密封结构形式为橡胶活塞密封，即利用清洁水将橡胶活塞顶起与镜板转环压紧后减小间隙从而阻止顶盖上水。此设计在运行多年经验中未考虑泥沙磨损因素，主轴密封胶块损坏快，维修率高；同时转轮上冠腔体内没有设置减压装置，主轴密封长期承受来自转轮上迷宫的漏水，水量大、水压高；主轴密封活塞胶块被泥沙磨损后封水效果差，漏水至顶盖上表面后通过排水设施排至场外，漏水量较大造成场内排水设施运行频繁。此结构未设置泵板装置，如设置为泵板装置也可有效减小顶盖压力。

（2）加工制造方面

1）朱岔峡3 台机组转轮上冠处为满足转轮平衡都设置有平衡配重块，配重块只满足了顶盖平衡问题，机组运行时水流通过上迷宫间隙进入顶盖与转轮上冠腔体内形成一个不规则水流，但配重块阻力较大，在顶盖与上冠腔体内产生较大的涡流。长期运行后既破坏转轮本体结构也破坏平衡，又加速了顶盖止漏环直口的磨蚀。见图2 所示。

图2 转轮配重块及磨蚀痕迹

2）材料强度及硬度较低：水轮机的过流部件运行时都承受着不同的泥沙磨损问题。转轮、导叶底环等受到磨蚀问题后常用的解决办法就是补焊修复手段，转轮在反复多次补焊后使得叶片型线难以保持原有设计翼型，水轮机效率下降，造成间接的经济损失；另外泥沙磨损使得叶片变薄，叶片上所受应力增加，水轮机振动增大的同时，叶片磨损造成水力不平衡，水力振动也同时增加。导叶在泥沙磨蚀后原导叶型线也受到破坏，导叶关闭后立面间隙及端面间隙较大，造成水能损失，导叶漏水较大又造成机组停机速度变慢，朱岔峡1 号机组导叶磨损现已造成机组无法自动停机。所以过流部件的材料选择也会对磨蚀、机组振动运行工况有重要影响。

（3）生产运行方面

水轮机的磨蚀和机组日常运行工况、机组振动也同样密切相关，水轮机压力脉动不稳定、汽蚀、涡流都会加速水轮机过流结构的磨蚀。

1）朱岔峡电站位于大通河干流青岗峡至金沙峡河段，此河段特点来水陡涨陡落；因库区上游3 km处有扎龙口村，库容非常小，正产蓄水位时库容仅14.7 万m3。两种问题造成机组开停机非常频繁：朱岔峡电站一年周期内1 号机开停机次数172 次，2 号机组开停次数多达556 次，3 号机组开停次数345 次，2 号机组仅3 月份一月内开停126 次。机组无法在一个良好的环境中运行。

2）因库容容量过小与自然来水不稳定因素，生产运行人员无法保证机组长期在稳定运行区运行，水轮机在非设计工况下运行时，由于转轮出口处的旋转水流和汽蚀等影响，在尾水管内常引起水压脉动。机组偏离最优工况越远，产生的压力脉动越剧烈，特别是尾水管的周期性压力脉动。顶盖处压力脉动使其承受交变应力的作用产生振动，振动与磨蚀、汽蚀同时发生时也是加速了顶盖损坏的重要原因之一。

4 处理方案及工艺

综上述原因分析，造成顶盖磨蚀严重主要原因：①机组开停机次数高，水流稳定性差；②顶盖水压高，上冠与顶盖腔体内水流量大、水流不稳定。但这两种因素如要解决实施难度高，经济性差，无法根本解决。所以现场采取对顶盖强度加强、修复转轮配重和改变运行方式等方法同时对此问题进行改善。

朱岔峡电站3 台机组在首次出现顶盖磨蚀问题时均因检修工期问题只是在磨蚀孔洞处上侧加焊钢板临时处理，后期逐年在机组大修中分别进行了处理，处理方案如下：

（1）改变原有顶盖止漏环材质：在机组大修期间更换顶盖止漏环，改变止漏环材质的同时提高厚度，选用抗空蚀、耐磨蚀的水轮机材料ZG06Cr16Ni5Mo，增加过流表面和间隙表面的耐磨度，原顶盖上迷宫与转轮配合原因无法在产生水流部位增加厚度，只能在原顶盖止漏环背部增加厚度而提高强度，在止漏环背部加焊10 mm 钢板及三角拉筋用以增加强度。更换止漏环后同时有效减小顶盖上迷宫处的水流，增加水轮机效率的同时保护了顶盖的运行安全。

（2）改变原转轮配重结构，减小转轮上冠与顶盖腔体内水流产生的涡流：转轮原有配重块去除，重新调整转轮平衡，如需增加配重用表面光滑流体形较好的配重块，以减小水流的涡流。

（3）改善机组运行范围：将机组运行范围限定在最佳工况负荷之间，避免在低负荷以及振动区域运行。河道来水量在达到较高防汛流量时，河道内的泥沙含量也在剧增，泥沙含量高对水轮机过流部件的破坏是非常快速的，因此对河道内的洪峰提前预测，适时减小负荷或者停机，合理安排机组的发电生产。

（4）朱岔峡电站首部枢纽设有拦沙坎、挡沙墙及排沙装置，但常年运行后拦沙坎还是会有泥沙淤积，所以定期人为干预进水口泥沙淤积：利用汛期来水流量较大时或定期对库区进行排沙，减少通过水轮机的水流内泥沙含量。

持续性优化改进措施：

（1）振动、汽蚀和磨蚀共同存在可以加剧水轮机过流部件的磨损程度，因此对于水轮机的优化设计也能改善，水轮机的汽蚀、磨蚀程度与水轮机内流速有关，流速越高磨损程度越严重，因此优化设计适当降低水轮机内的流速也可以进一步减低磨损程度。

（2）提高过流部件的加工制造环节：在导叶、顶盖、底环、转轮等过流部件的材料选型及加工制造时加强监管制度，提高材料的硬度，提高加工精度，在保证水轮机效率的同时减少维修成本，提高生产效率。

（3）改进主轴密封形式，采用迷宫环密封。迷宫环密封工作原理是在水轮机转轮顶部设有泵板装置，由于泵板的吸出作用，轴与轴封间不接触并只有一层空气。转轮上的泵板随转轮一起旋转防止水和固体进入主轴密封，同时泵板排水管将透过上止漏环的少量漏水排至场外。运用此种密封可以有效减小顶盖压力，顺畅排出顶盖水流，转轮上冠腔体内也就不会产生涡流，因此种主轴密封使用效果较好，维修率低，这种止漏方式也有效地减少水轮机的容积损失，该种密封已逐步被推广，在多个电站中被应用。

5 结语

磨蚀近年来给很多水利设施带来危害，针对水轮机组而言，磨蚀不仅仅产生在顶盖部位，同样也会对蜗壳、导叶、底环、转轮等造成同样的危害，转轮是水轮机主要输出部件，当转轮受到泥沙磨蚀后首先工作效率大打折扣，当转轮叶片翼型发生改变时机组振动大，水流不平衡振动增大，尾水管等汽蚀严重一系列问题，都会对水轮机的安全运行产生危害。而磨蚀产生的原因与多种因素有关如：选型设计、结构设计、材料选择、加工制造、焊接工艺、安装调试、运行范围等，每一个环节都密切相关，互相影响。在发生磨蚀后需要准确分析原因，对症及早处理。

朱岔峡电站在对顶盖处理后已经使用一个汛期，经过检查暂未发现明显磨蚀，目前运行稳定。实践证明顶盖磨蚀临时处理的方法是得当的，但是要彻底解决顶盖磨蚀问题，还需要从多方面杜绝、改善磨蚀产生的原因，从设计、选型阶段就要综合考量顶盖的性能，把电站的长期安全、稳定运行放在首要位置。