水轮发电机组推力冷却器锈蚀穿孔分析及治理

尹 宁

（中国华电集团贵州乌江水电开发有限责任公司构皮滩发电厂，贵州 余庆 564408）

0 引言

推力轴承油冷却器是水轮发电机的重要部件之一，其作用是：轴承摩擦热通过与冷却器之间的热交换，建立热动态平衡[1]，使轴瓦温度稳定在正常运行的范围。

构皮滩发电厂1 号~3 号发电机组于2009 年正式投运，型号SF 6-48/13920，结构为半伞式。推力轴承采用外加泵外循环冷却系统，在下机架支腿之间布置有高效列管式冷却器，共有推力外循环水冷却器8 台，型号为SYFZ-100，推力外循环油泵将推力油箱内的透平油强制经过水冷却器进行冷却后送回推力油槽。

1 存在问题及安全隐患

2020 年构皮滩发电厂2 号机6 号冷却器底部破损，造成6 号冷却器底部大量漏水及6 号冷却器停运，使得2 号机推力瓦温因6 号冷却器停运平均温度上升3 ℃，最高温度53.1 ℃，已接近55 ℃的报警值。并且2021 年12 月1 号机8 号冷却器同样发生推力冷却器底座底板大量漏水事件。

推力冷却器底座锈蚀存在以下2 点安全隐患：

（1）底座锈蚀穿孔将导致机组在运行过程中出现大量漏水，冷却器退出运行，降低了推力外循环冷却器系统冷却效率，导致推力轴承油槽油温、瓦温升高甚至是“烧瓦”的风险，不能有力完成能源保供工作。

（2）机组运行时出现大范围漏水，会导致机组出现非计划性停运风险，大量漏水将下机架铁板上的油污冲刷至水车室后流入下游，会导致水资源环境污染的风险。

2 锈蚀穿孔原因分析与判断

（1）对冷却器底板进行超声波壁厚测量，得到如下结果。

通过对2 号机组、4 号机组冷却器底板厚度测量数据分析，发现冷却器底板减薄较大的1 号、2 号机均为偶数号冷却器，结合6 号冷却器底座汽蚀位置及两次冷却器底座渗漏编号对比，均为偶数号冷却器，4 号机12 台推力冷却器底座厚度测量值均符合设计要求。通过对现场检查发现，天阿机组二者之间的冷却器进排水管存在相反现象，东电机组冷却器管路则是安装一致。

确定渗漏冷却器进、排水管存在装反，进水管处为直接流入16 根铜管中，冷却水在铜管中有一定的压力损失，进入冷却器水箱后将无多大的冲击力，对冷却器底板不会造成冲刷。所以进排水管路装反，是导致冷却器锈蚀穿孔的主要原因之一。并且通过对冷却器水箱进排水管路口结构分析可知，冷却器进排水管路装反后，水箱里面会沉淀很多淤泥和贝类等；而正装情况下，淤泥将会在管道里，随水流冲走，不会留在水箱内部。

图1 冷却器底座俯视图

（2）通过拆除底座，割除底座上的底板检查漏水原因，发现底座进水口位置存在旋涡状空腔汽蚀，汽蚀最底部出现穿孔现象，汽蚀面积为12 cm×9.8 cm，汽蚀坑最大深度为16 cm（底板厚度，穿孔）如图2所示。

图2 6 号冷却器底座旋涡状空腔汽蚀坑

汽蚀是流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏现象。当高速的水流通过进水管注入冷却器水箱中时，在冷却器底座水箱进水管口处产生脱流和旋涡，在其上势必造成水流的速度发生变化，根据流体动力学，将导致压力降低。即使一部分流速增大或使另一部分流速减小，当某一点速度小时，则压力必大，当其另一点速度变大时则压力必小。当这个压力降低，即小到某一个临界值时（此时水流已把该部分的空气带走，而使该部分成为真空），水流由于压力降低而迅速汽化，致使其体积在瞬间急剧膨胀数十或成百倍，形成水分子团剧烈爆破。无数的水流分子团不断地连续地在这个阻碍部位上进行剧烈爆破。则过流金属表面逐渐发生疲劳破坏而最终造成机体剥离，使该部分组织疏松成为豆腐渣，进而使强度降低，这样在水流的冲刷下，导致冷却器底座水箱进水口附近出现空腔汽蚀。

（3）冷却器底座在水中可以发生多种腐蚀，如冲刷腐蚀、点腐蚀[2]、硫化物及微生物的腐蚀等。

在汛期，河流中水质含大量泥沙，对冷却器过流金属表面磨蚀损害特别大，坚硬而带有锋利刃口的泥沙及贝类等，在高速水流的裹夹下以很高的速度和能量作用于过流金属表面，对表面产生物理和化学综合作用，使金属表面不断加剧产生疲劳和腐蚀性交替作用的磨削破坏。直至一块又一块的机体组织连续地周而复始地发生机械性剥离，冲刷磨蚀，如图3 所示。

图3 腐蚀的冷却器底座

在冷却水中，底板的耐腐蚀性能由材料化学成分、表面状态、水质条件3 个方面共同决定。冷却器底座材质为Q235 材质并镀锌刷漆防腐处理，在防腐效果上分析未发现明显异常。导致冷却器底座在使用中点腐蚀破坏的表面状态因素主要为运行表面状态、停用表面状态方面的影响。

1）运行时表面状态

运行时，冷却器水箱底座表面的沉积物，阻滞了水、氧及其他离子的扩散传递，导致供氧不足，形成氧浓差电池、金属浓差电池，诱发沉积物下的腐蚀[3]。沉积物下的腐蚀有如下特征：

①底座表面有疏松的沉积物。

②只有表面有沉积物后，腐蚀才开始孕育发生。

③沉积物下的点蚀，局部密集分布，呈溃疡状[3]。

通过对冷却器水箱检查，发现冷却器底座及内部铜管外表面均有沉积物存在及点蚀现象。

2）停用时表面状态

机组停机时，尤其是在机组“C+D”期间，在停滞的冷却器底座水箱中，底座会因长期有水存在产生停用腐蚀。水中的微生物、细菌滋生、贝类附着等，会破坏板材的保护膜，诱发局部腐蚀。

通过分析可知，导致冷却器底座穿孔的主要原因有以下3 方面：

①冷却器进出水管路装反；

②空腔汽蚀；

③水中的微生物、细菌滋生、贝类附着等，导致发生冲刷腐蚀及点腐蚀等。

3 冷却器底座锈蚀穿孔处理措施

3.1 对冷却器材料及防腐工艺进行改造

（1）原冷却器底座板材由Q235 改为20 号钢，通过对二者之间的化学成分分析可知，20 号钢性能远优于Q235 钢。

（2）冷却器水箱防腐

原冷却器水箱采用镀锌防腐，本次水箱防腐工艺优化为采用非金属抗蚀( 抗磨) 涂层——即以环氧为基础材料，加入各种矿石粉或金属粉的刚性涂层（图4）。涂层工艺如下：

图4 防腐处理后的冷却器底座

1）钢材表面应无可见的油脂和污垢，并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈和油漆涂层等异物。磨光机处理后表面清洁度达到GB 8923《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中的St2 级，补涂冷镀锌100 μm。

2）符合喷涂条件后，先喷涂环氧云铁二道，厚度100 μm。

3）环氧云铁完全干燥后，喷涂环氧面漆，厚度60~100 μm。

3.2 偶数号冷却器进排水管路改造

（1）对偶数号冷却器进排水管路进行配管改造，配管焊缝经PT 探伤检查无任何缺陷，PT 探伤检查标准按ASME 第Ⅷ卷附录8 进行。

（2）对推力外循环冷却器内部进行除锈清淤处理，并更换冷却器各部分密封。

（3）对检修后的推力外循环冷却器进行单台严密性耐压试验，试验压力为冷却器工作压力的1.25倍（最大耐压压力0.75 MPa），打压时间30 min，检查冷却器各冷却铜管无渗漏，各密封面无渗漏，30 min内推力外循环冷却器整体无压降。

3.3 效果

（1）冷却器经正反向充水检查各部位无渗漏；

（2）机组开机完成3 h 稳定性温升试验，机组运行至温度稳定后每小时温升未大于1 ℃，且推力瓦温、油温低于冷却器进排水管路改造前。

4 结语

本文对构皮滩发电厂推力轴承冷却器底座生产运行中出现锈蚀穿孔问题进行分析及治理，解决了机组主要辅助设备运行中的安全隐患，为机组的安全稳定运行提供了可靠保障，确保了构皮滩发电厂水轮发电机组的长期稳定运行，为企业创造了巨大的经济效益，为企业的发展做出了贡献，并且在能源保供工作的重要性和紧迫性下，坚决担好责，时刻绷紧弦，始终守好底，全力以赴保障能源安全稳定供应。

同时对其他电站同类型机组起到警示作用，严格按照《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》制定相应反措，并对该部位进行定期与系统检查，及时消除隐患，及对其它电站同类型外置列管式冷却器底座锈蚀穿孔分析及进排水管路安装方式，具有一定的借鉴作用。