水輪機磨蝕與防治

顧四行 賈瑞旗 張弋揚 姚 光

我國是多泥沙河流國家,水輪機泥沙磨蝕破壞是我國水電站的特殊問題。過機泥沙是產生水輪機磨蝕的根源,泥沙來自水土流失。我國黃河、長江等七大流域和新疆等地的內陸河流都有不同程度的水土流失。據統計,我國年平均輸沙量在14萬t以上的河流有42條[1]。其中黃河流域是世界上水土流失最嚴重的地區,其水土流失面積達43萬km2,每年輸入黃河中游三門峽以下的泥沙達16億t。黃河的含沙量居世界之冠,中游年平均含沙量達37.5 kg/m3。長江流域上游每年水土流失區的土壤流失量也達15.6億t。

據估計,我國有3000萬～4000萬kW裝機容量的各類水輪機存在比較嚴重的泥沙磨蝕問題。它是影響水電廠(站)安全運行的重大問題之一。多泥沙河流上的水輪機運行時,往往泥沙磨損和空蝕(以前稱作氣蝕)同時存在(也有單獨存在之處),而且互相促進,破壞疊加,大大加速了水輪機過流部件金屬表面的破壞進程,這種磨損和空蝕的聯合作用,通常稱為磨蝕破壞。實驗室模擬試驗和水電站現場真機破壞痕跡觀察都表明,磨蝕破壞要比單純磨損或單純空蝕要嚴重得多,一般相差幾倍。

水輪機空蝕、磨損和磨蝕破壞是漸進的,有個逐漸積累的過程。嚴重的磨蝕破壞將導致水輪機的使用壽命大大減少(有的小型水輪機僅為正常使用年限的1/3～1/2),大修周期縮短(中小型水輪機有的大修周期只有1年甚至不到1年),檢修工期延長(20世紀70年代黃河三門峽水電廠4#機擴修工期長達1年),材料消耗和備品備件增加(不少中小水電站轉輪和導葉等備品為1∶1),經濟損失巨大;因此,各級領導都非常重視水輪機泥沙磨蝕問題的研究。1988年成立了全國水機磨蝕試驗研究中心,水利部水電局領導任理事長至今。

我國對水輪機泥沙磨蝕問題的研究已有50多年歷史,早在20世紀50年代,在修建北京官廳水庫和黃河三門峽等水利樞紐工程以及1956年編制國家12年科技發展規劃時,就提出水輪機泥沙磨損的問題。經過幾代科技工作者和水電廠運行與檢修人員的共同研究與實踐,已經取得了減緩水輪機磨蝕破壞的不少綜合治理成果,但綜觀全局,我國水輪機磨蝕問題還很嚴重,尚未取得突破性進展,許多問題還有待深入研究。

在清水和少量泥沙水中運行的水輪機,其過流部件金屬表面一般僅出現麻點、針孔、海綿狀或蜂窩狀的破壞稱為空蝕。在初期(或稱空蝕潛伏期),有時在不銹鋼表面可看到灰色區。空蝕破壞的特點是部位比較固定,常見于轉輪葉片的負壓面等處;泥沙磨損可分為平面磨損和局部磨損兩種。在多泥沙水中運行的水輪機,其過流部件金屬表面產生大面積波紋、魚鱗坑及溝槽稱為磨損,常見于正壓面,如葉片和導葉的正面等處,清水電站則沒有;由于水輪機過流部件金屬表面的局部區域受材質疏松、縮孔等凹凸不平或設計加工不合理(如軸流式水輪機葉片吊孔)等原因引起的較深的沖溝和坑穴等破壞稱為局部磨損。有時局部磨損比平面磨損危害還要大,應引起足夠重視。

眾所周知,多泥沙河流上的水電站有汛期(渾水)和非汛期(清水),水輪機在一年運行中,清、渾水條件同時存在。因為汛期來水量大,水電廠可以多發電,但汛期水中泥沙含量也多(約占全年輸沙量的90%以上),而且泥沙大都集中在幾次沙峰期。因而汛期尤其是沙峰期水輪機過流部件金屬表面的磨蝕破壞也就特別嚴重。國內對其破壞的認識尚有不同看法,還需通過實踐深入研究探討,以求統一認識。

水輪機磨蝕破壞的機理十分復雜,影響因素很多,是一項多學科的系統工程,必須采取綜合措施,才能取得比較好的抗磨蝕效果。

1 水輪機磨蝕破壞實例

(1)陜西黃河支流無定河綏德水電站(水輪機型號ZD661-LH-120,H=12.9m,Q=8m3/s,N=800 kW),每年有500 h在含沙量為150～330 kg/m3(電站實測最大過機含沙量為960 kg/m3)條件下運行(泥沙平均粒徑0.15mm,泥沙顆粒以石英、長石為主),不銹鋼葉片運行10161 h后葉片失重達15%,外緣呈掃帚狀,出力下降40%。

(2)黃河三門峽水電站(水輪機型號ZZ010-LJ-600,H=30m,Q=197.5m3/s,n=100 r/min,N=5萬kW),水輪機運行15000 h后效率下降8.7%,必須擴大性大修。

(3)湖北長江葛洲壩水電廠大江電站(水輪機型號ZZ500-LH-1020,H=18.6m,Q=826m3/s,n=62.5 r/min,N=12.9萬 kW),17#機 20mm厚的不銹鋼葉片出水邊其磨蝕速率為3.5mm/10000 h,而15#機運行37000 h后進水邊頭部磨蝕量超過16mm,磨蝕速率達4.3mm/10000 h以上,每年必須有3～4臺機進行非金屬涂層涂敷保護才能延長擴大性大修的周期。

(4)四川大渡河龔嘴水電站,在水庫泥沙淤積趨于平衡后,全廠7臺水輪機(水輪機型號HL220-LJ-550,H=48m,Q=241m3/s,n=88.2 r/min,N=10.25萬kW),每年都要大修1～2臺機,并對過流部件進行非金屬涂層防護,才能不損壞轉輪的母材。

(5)新疆瑪納斯河(內陸河流)紅山嘴水電廠,年平均含沙量2.38 kg/m3,最大含沙量達402 kg/m3,年輸沙量304 t,輸沙量的95%集中在5-9月,泥沙顆粒粗,石英、長石等硬顆粒占 50%,水輪機過流部件金屬表面磨蝕破壞極為嚴重,如該廠3級水電站水輪機(水輪機型號HL702-LJ-140,H=61m,Q=15.6m3/s,n=428.5 r/min,N=9150 kW),每年都要大修,新轉輪在一個汛期內還要對轉輪葉片焊補數次才能度過汛期運行。

(6)21世紀新修建的中小型水電站,由于沒有很好吸取上述水電廠的經驗教訓,因而同樣存在嚴重的泥沙磨蝕問題(當然各條河流,各個水電站的具體條件各不相同,不能照搬其他水電站的經驗教訓)。例如,新疆某水電站,裝機容量2×2.45萬kW(水輪機型號HLA801-LJ-215,H=74m,Q=37.22m3/s,n=300 r/min,N=2.458 kW),多年平均含沙量為3.178 kg/m3,最大含沙量為49.3 kg/m3,2008年汛期實測最大含沙量達59.6 kg/m3,石英含量占45%,2臺機先后于2008年3月31日和4月8日并網發電。1#機累計共運行2784 h(汛期運行1504 h),2#機累計共運行2957 h(汛期運行1517 h)后,水輪機即遭嚴重磨蝕破壞,2#機下止漏環單邊間隙最大達21mm(設計值1.1～1.4mm),固定導葉進水邊出現深約5mm的磨損凹坑,主軸密封端蓋(鑄鋁結構)磨穿,密封環嚴重磨壞漏水,水導軸承座緊固螺栓全部斷裂,水導油盆進水,不得不停機檢修。又如陜西某水電站,裝機容量3×1.6萬kW,最大水頭110m,多年平均含沙量為145.9 kg/m3,2009年汛期實測最大含沙量達647 kg/m3。2009年8月3臺機在72 h試運行期間,水輪機即遭嚴重磨損破壞(導葉、頂蓋、座環以及蝶閥、旁通閥、電磁閥和主軸密封等),被迫停機處理。

2 泥沙磨損因素

根據國內外試驗研究,水輪機的泥沙磨損量和水流相對流速、水中泥沙含量、泥沙成分與特性、機組實際運行時間、水輪機制造材質的耐磨系數等諸多因素有關,可用以下公式表示:

式中 δ——磨損量,計算部位的平均磨損深度,mm;

s——過機平均含沙量,kg/m3;

ε——材料的耐磨系數,與磨損量成反比,和水輪機材質的硬度,設計型線,表面加工光潔度等因素有關;

β——泥沙的磨損能力綜合系數,與泥沙成分、粒徑大小、顆粒形狀及硬度等有關,可由試驗裝置試驗確定或由試驗曲線近似估算;

w——水流相對流速,m/s,平順流動時指數m=2.3～2.7,沖擊表面時指數m=3.0～3.3或更大,近似計算時,可用指數m=3.0計;

t——累計運行時間,h。

以上諸因素中,流速是最主要的因素,因為它與磨損量成3次方關系。

各個水電站由于水流條件(如過機含沙量和泥沙特性等)、水頭高低、機型(如混流式、軸流式、沖擊式、貫流式等)、設計、加工制造水平以及運行方式等等情況的不同,因此,相同型號的水輪機,在不同水電站的磨蝕破壞程度有很大差異,甚至同一個電站相同型號的水輪機由于布置位置不同,實際過機含沙量也有差異,因而破壞程度也會有量級上的差異。只有根據現場實際情況,具體問題具體分析,在諸多因素中,找出主要因素采取相應的應對措施。

關于多泥沙的定義,有人認為以年平均含沙量(如10 kg/m3)為界定,我們認為欠妥,因為有的河流年平均含沙量很小,但汛期平均含沙量遠大于年平均含沙量,所以應以汛期平均含沙量來衡量比較恰當。至于含沙量多少為界,目前尚無定論。我們認為應以實際過機平均含沙量并結合水輪機過流部件磨蝕破壞情況來考評。因為同樣的含沙量,泥沙特性(粒徑、硬度、形狀等)不同,磨蝕破壞程度差異很大。對于中低水頭水電站,含沙量值可定得大些,水頭在100m以上的高水頭電站,含沙量值應該定得小些。例如,四川漁子溪二級水電站,設計水頭249m,最大水頭302.2m,河流年平均含沙量僅0.6 kg/m3,很小。有人認為不應該有磨損,而實際并非如此,該站7,8兩個月的平均含沙量為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,水輪機轉輪和導水機構過流表面快速磨蝕破壞。

3 防治對策

水輪機磨蝕破壞的防治,必須采取綜合治理措施。

3.1 大力開展水土保持和流域治理

我國已在實行退耕還林、退牧還草、保護生態環境和小流域治理工作,以盡量減少水土流失,降低河流的輸沙量和含沙量。雖然取得一些成效,但由于植被嚴重破壞后,生態較難恢復,需要有一段時期的恢復過程。有的地方還在產生新的水土流失,因此,水土流失情況將會在比較長的時期內存在,河流水中泥沙對水輪機的磨蝕破壞還將長期存在。

3.2 一定要重視樞紐工程設計

要加強對已建水利水電工程水工建筑物運行情況的調研與總結,水工建筑物一定要考慮導沙、沉沙、排沙設施,盡量減少粗顆粒泥沙通過水輪機流道。例如,四川漁子溪一、二級、楠亞河三級和耿達等水電站,針對西南山區徑流引水式電站的地形特點,設置了一定容量的沉沙池,以減少粗顆粒泥沙過機,一定程度上減輕了水輪機過流部件的磨蝕破壞;又如黃河干流的劉家峽、青銅峽、萬家寨、小浪底等水電站,樞紐工程設計了排沙洞等設施,運行實踐表明,對減小過機泥沙和壩前泥沙淤積起到了很好的作用;再如新疆瑪納斯紅山嘴、喀什疏附縣音薩克等水電廠,根據新疆泥沙粗的特點,在引水渠道增設了漏斗式排沙設施,將0.5mm以上的粗顆粒泥沙基本排除,減少了水輪機過機泥沙,從而減輕了水輪機過流部件的磨蝕破壞。

3.3 優化水庫運行方式

黃河上有水庫的水電站,如劉家峽等都采取水庫“蓄清排渾”運行方式,盡量減少泥沙淤積。小浪底水庫則每年適當時間進行排沙試驗,對水庫壩前減淤起到良好效果。

3.4 更新水輪機設計制造理念

由于磨損與流速的3次方成正比,因此,為減輕水輪機磨蝕破壞,多泥沙河流水電站在水輪機選型和水力設計、結構設計和加工制造中可以采取以下措施。

(1)選用相對速度偏低的機型,如黃河西霞院水電站,最高水頭13.5m。技術上可以選擇最高水頭達25m的燈泡貫流式水輪機,但考慮到泥沙磨損問題,最終選用了軸流轉槳式水輪機。

(2)選擇較低的比轉速(即低轉速)。

(3)控制高水頭混流式水輪機出口圓周速度不大于38m/s,軸流轉槳式水輪機和中、低水頭混流式水輪機控制在35m/s以內。

(4)適當擴大導葉分布圓直徑。

(5)適當增大導葉相對高度,轉輪葉片出水邊厚度適當加厚。

(6)固定導葉和活動導葉數相等,以均化水流。

(7)用全流道計算流體動力學分布確定導葉最佳安放角。

(8)用CFD計算均化轉輪流道內速度分布,避免葉片間產生渦流,改善轉輪空蝕性能。

(9)汛期開停機頻繁的高水頭混流式機組,可裝設筒形閥或球閥。

(10)流道應平整光滑,無局部凸起或凹坑以及鑄造縮孔、氣孔等。

(11)加工制造型線要準確,表面光潔度要高,水流拐彎處要有一定尺寸的圓角,避免流道斷面突然變化。

(12)關鍵部件(部位)可利用高耐磨材料。

(13)應有足夠的備品備件。

(14)總體結構應考慮易損部件在機坑內拆卸更換方便等。

4 強化機組運行管理

要優化機組運行方式,水輪機應在制造廠保證范圍內運行,盡量避免在低負荷或超負荷區運行,以減少因水壓脈動引起的機組不穩定運行造成磨損和空蝕破壞的加劇。

要加強水庫泥沙監測預報,汛期沙峰到來前可向電網申請機組短暫停運,寧可損失部分電量,避免大量泥沙過機而造成水輪機過流部件的快速磨蝕破壞而導致機組被迫停運甚至提前大修。例如前面提到的陜西某水電站,2010年汛期沙峰時停運11 d,保證了機組汛期安全運行。

要科學合理地安排機組檢修,一定要高度重視檢修質量,過流部件焊補打磨工作要責任落實到人。做到該修必修,修必修好,并做好檢修記錄。

5 必要的金屬和非金屬防護層措施

由于水輪機磨蝕都發生在過流部件的金屬表面,因此,對其表面采取防護減緩磨蝕破壞是比較經濟適用的措施之一。目前常用而比較成熟的金屬防護材料如下。

(1)焊條堆焊。主要有打底用的普通結構鋼焊條和抗空蝕好的不銹鋼焊條以及多種耐磨蝕焊條(如GB1、堆277)等。

(2)氧乙炔火焰合金粉末噴焊。此工藝在甘肅、新疆、云南、四川等省區中小型水輪機上應用較多,也取得了比較好的抗磨蝕效果。

(3)高速燃氧WC噴涂(HVOF)。這是目前國內外用于大型水輪機過流部件金屬表面防護的新技術、新工藝。小浪底、萬家寨(5#、6#機)、三門峽增容改造1#機、青銅峽(5#、6#機)、劉家峽(4萬kW小機)以及沙坡頭燈泡貫流機等都應用了WC噴涂。試驗室內圓盤模擬試驗表明,WC涂層的抗磨損性能很好,但抗空蝕性能較差[2],由于該工藝在國內水電廠水輪機上應用的時間還不長,故真機應用于強空蝕區的效果還有待進一步觀察總結。

(4)其他金屬防護涂層。如等離子噴涂、滲鋁、電鍍Cr、金屬陶瓷焊片、激光強化、氧化鋁復合鍍層等,由于存在這樣或那樣的問題或受條件的限制,目前在水電廠尚未得到推廣應用。

非金屬材料(涂層)方面,應用較多的有:

(1)超高分子量聚乙烯抗磨板。已在劉家峽、三門峽、萬家寨、大峽等許多水電廠水輪機上得到應用,抗磨效果良好。

(2)改性環氧金剛砂涂層。該涂層抗磨性能好,施工簡易,價廉,應用較廣。長江葛洲壩水電廠20年來一直應用于軸流轉槳式水輪機葉片正面檢修。新疆阿克蘇西大橋水電廠軸流轉槳式水輪機葉片的防護也應用此涂層。四川龔嘴水電廠單機10萬kW混流式水輪機抗磨也用此涂層。

(3)聚氨酯涂層。該涂層具有很好的抗空蝕磨損性能,因此,國內外抗磨研究人員都十分重視。20世紀90年代以來,許多外國公司如法國阿爾斯通、德國伏依特、英國E.WOOD公司以及美國的DP、DL和S-80涂料,先后將產品推向中國,在葛洲壩、新安江、劉家峽、碧口以及萬家寨和三門峽等大型水輪機上試驗或試用,結果卻不盡人意。往往機組運行時間不長涂層大面積或整體脫落,分析其原因,是涂層與金屬底材的粘接強度不夠,它們的粘接強度都在20mPa以下,國內一些研究單位研制的聚氨酯涂層的粘接強度也都在20mPa左右。根據室內高速圓盤機模擬試驗并結合真機觀測,有關專家認為,該涂層的粘接強度必須在30mPa以上,才能基本滿足不整體脫落。目前上海康達化工有限公司已研制出粘接強度達30mPa(試驗室測試數據)的聚氨酯涂層,經在三門峽1#機和河北易縣紫荊關五級水電站水輪機上實際對比試驗,其抗磨蝕性能優于國內同類涂層。擬進一步擴大現場真機試驗、試用和總結提高。

6 尚待深入研究的課題

(1)開展磨蝕機理、規律、磨蝕量預估、磨損和空蝕聯合作用以及水沙兩相流動等基礎理論的試驗研究。

(2)針對不同地區、不同泥沙條件、不同機型,深入開展磨蝕綜合治理經驗總結和專項技術措施的研究與實踐。

(3)開展磨蝕試驗裝置與方法的標準編制工作,目前國內正在編制《反擊式水輪機泥沙磨損技術導則》和國際電工委員會(IEC)正在編制《水輪機泥沙磨損導則》,相信兩個 “導則”將指導水輪機磨蝕試驗研究向縱深發展。

(4)進一步開展水輪機抗磨蝕、防裂紋新材料及抗磨蝕涂層配方與施工工藝的研發。

(5)水電站現場高效、經濟非金屬防護層涂敷,修補工藝及施工工裝的研制與應用。

(6)水輪機檢修(測繪、修形、焊補、打磨)機械化、自動化設備的開發等。

按照我國水電發展規劃,到2020年,將有2億kW水電機組要開發,其中主要在西南地區,有很多大型或巨型水輪機將面臨磨蝕問題;因此,水輪機磨蝕問題的研究將迎來新的壓力與挑戰,希望引起各級管理與科研部門領導的重視,希望有關高等院校,能更多地培養高素質人才,更希望有實力的電力公司、電網公司、制造廠(公司)和水電廠能投入更多的人力和財力,支持水輪機磨蝕試驗研究工作的深入開展,使中國在這一領域為世界作出更多的貢獻。

[1] 郭中興,張祿勛,王志高.我國水力機械抗泥沙磨損的試驗研究[A].水機磨蝕研究與實踐50年[C].北京:中國水利水電出版社,2005.89-104.

[2] 余江成,吳劍.HVOF涂層材料的抗磨蝕特性與應用分析[A].水機磨蝕研究與實踐50年[C].北京:中國水利水電出版社,2005.446-451.