水輪機(jī)過流部件熱噴涂技術(shù)應(yīng)用

李國(guó)曉，齊 波，張?jiān)聘f世丹

（1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；2.四川松林河流域開發(fā)有限公司，四川 石棉 625400；3.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000）

1 電站簡(jiǎn)介

洪一水電站位于四川省雅安市石棉縣與甘孜州九龍縣交界的松林河次源——洪壩河上，電站裝有2臺(tái)單機(jī)容量40 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速600 r/min，設(shè)計(jì)水頭312 m。電站1、2號(hào)機(jī)分別于2009年5月投入商業(yè)運(yùn)行。電站所處的洪壩河流域汛期水質(zhì)極差，過機(jī)水流中泥沙及硬質(zhì)顆粒含量高，據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均懸移質(zhì)輸沙量142萬t，懸移質(zhì)最大粒徑1.73 mm，中數(shù)粒徑0.057 mm，平均粒徑0.254 mm，莫氏硬度大于5的礦物有石英、長(zhǎng)石、硅質(zhì)巖屑等；洪一壩址處推移質(zhì)輸沙量為5.5萬t，推懸比為10%，中數(shù)粒徑70 mm，平均粒徑為105 mm。多年平均含沙量0.831 kg/m3，汛期平均砂量為1.28 kg/m3。

2 洪一水電站水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況及存在的問題

洪一水電站為徑流式電站，河水中硬質(zhì)顆粒含量較高，特別是汛期，河道水質(zhì)極差，這對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行工況，特別是過流部件的影響十分嚴(yán)重。洪一電站水輪機(jī)額定水頭為312 m，額定轉(zhuǎn)速600 r/min，為高水頭、高轉(zhuǎn)速機(jī)組，過機(jī)水流泥沙及硬質(zhì)顆粒含量高對(duì)過流部件影響更為顯著，造成水輪機(jī)過流部件磨損十分嚴(yán)重，并最終影響到電站的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其主要表現(xiàn)有以下幾個(gè)方面：

（1）水輪機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行后，過流部件嚴(yán)重磨損造成轉(zhuǎn)輪與頂蓋密封環(huán)配合間隙增加，密封效果變差，導(dǎo)致水輪機(jī)頂蓋壓力不斷增加。頂蓋壓力升高并長(zhǎng)期保持在較高壓力下工作，不僅會(huì)引起頂蓋本體、連接螺栓、頂蓋排水管等部件長(zhǎng)期受到高強(qiáng)度壓力影響，甚至?xí)斐身斏w螺栓疲勞斷裂等水輪機(jī)嚴(yán)重安全事故，而且較高的壓力也會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行過程中主軸密封漏水量增加，電站水能利用率下降，機(jī)組效率降低，電站發(fā)電效益減少。過大的漏水量也會(huì)增大電站滲漏排水系統(tǒng)排水壓力，對(duì)電站安全運(yùn)行也會(huì)造成很大的影響。

（2）水輪機(jī)過流部件磨損嚴(yán)重，工況惡化，導(dǎo)致機(jī)組A修周期縮短。目前洪一電站機(jī)組實(shí)際A修周期為2年一次，遠(yuǎn)低于規(guī)程建議的4～6年A修周期。機(jī)組A修時(shí)水輪機(jī)過流部件需返廠修復(fù)，過流部件修復(fù)費(fèi)用約35萬/次，A修施工及材料費(fèi)用約80萬/次，合計(jì)A修總費(fèi)用約115萬/次，直接導(dǎo)致電站生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本增加。機(jī)組A修時(shí)，電站一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，無備用機(jī)組，也降低了電站運(yùn)行安全性。

（3）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在長(zhǎng)期磨損后，葉片出水邊持續(xù)變薄，由于葉片加工需由數(shù)控車床進(jìn)行精加工，常規(guī)補(bǔ)焊、打磨的修復(fù)方法無法保證葉片型線修復(fù)及加工質(zhì)量，這會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行工況持續(xù)惡化，機(jī)組出力受影響。經(jīng)過數(shù)個(gè)A修周期后，葉片（特別是出水邊）磨損嚴(yán)重?zé)o法修復(fù)后須重新加工制作轉(zhuǎn)輪，成本高昂。

3 洪一水電站過流部件修復(fù)改造的必要性

洪一電站水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中一直存在運(yùn)行工況不斷惡化，頂蓋壓力長(zhǎng)期維持較高水壓，這對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響，也降低了電站運(yùn)行安全性。機(jī)組A修及過流部件返廠修復(fù)頻繁也直接增加了公司生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。這些問題已成為了電站運(yùn)營(yíng)中的安全瓶頸。根據(jù)以上分析，探索采用新技術(shù)、新工藝對(duì)過流部件進(jìn)行修復(fù)處理已是十分必要和緊迫的工作。

4 改造方案確定

4.1 方案設(shè)計(jì)

在選擇表面修復(fù)工藝時(shí),既要考慮工藝的可行性,又要考慮損壞的原因,過機(jī)泥沙的成分，科學(xué)地選用材質(zhì)進(jìn)行表面修復(fù)。針對(duì)洪一電站水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，過流部件損傷主要以磨損為主，氣蝕問題并不嚴(yán)重，因此我們選用耐磨蝕的熱噴涂技術(shù)進(jìn)行過流部件修復(fù)。

熱噴涂技術(shù)是把噴涂材料以粉末狀態(tài)注入高速噴射燃燒的火焰中，其噴射速度超過2 000 m/s以上，燃燒溫度適中（≤3 000℃）。高速燃?xì)庖环矫媸狗勰┎牧系念w粒達(dá)到熔融或塑性狀態(tài)，最大限度保留材料的耐磨性，另一方面又使粉末材料的顆粒加速運(yùn)動(dòng)，將熔融或塑性狀態(tài)的粉末材料緊密均勻地附著在被噴涂物體的表面上，與基材物理結(jié)合在一起，涂層孔隙率可達(dá)到1%，而基材溫度低于150℃，不發(fā)生任何變形，從而形成少孔隙、低氧化、高粘合力、低殘余應(yīng)力的高質(zhì)量涂層。噴涂材料采用的是適用于水輪機(jī)過流表面抗泥沙磨損的專用材料，主要成分為碳化鎢，所用材料的結(jié)合強(qiáng)度大于70 MPa，表面硬度大于1 100 Hv，表面抗磨能力比0Cr13Ni4Mo高70倍以上，其抗氣蝕能力為0Cr13Ni4Mo的1.55倍。熱噴涂技術(shù)可有效解決水輪機(jī)過流部件磨損嚴(yán)重問題。

為保證水輪機(jī)過流部件修復(fù)達(dá)到預(yù)期的效果，對(duì)過流部件的熱噴涂工藝做了詳細(xì)的要求（表1）。

表1 洪一水電站水輪機(jī)過流部件熱噴涂工藝要求

4.2 改造方案經(jīng)濟(jì)性

洪一電站水輪機(jī)過流部件采用熱噴涂技術(shù)改造處理后，可有效緩解過流部件磨損嚴(yán)重問題，改善水輪機(jī)運(yùn)行工況，機(jī)組A修周期提高至4～5年一次，機(jī)組停修時(shí)間縮短，電站運(yùn)營(yíng)成本降低，檢修、維護(hù)工作量減少，經(jīng)濟(jì)效益顯著。本次改造投資費(fèi)用預(yù)算約70萬元，對(duì)水輪機(jī)過流部件改造前后的檢修成本進(jìn)行對(duì)比（表2），結(jié)果表明雖一次性投入較大，但改造后長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益明顯，從經(jīng)濟(jì)上具備可行性。

表2 水輪機(jī)過流部件熱噴涂改造前后的經(jīng)濟(jì)性比較表

5 改造方案實(shí)施及效果評(píng)估

此次改造前期準(zhǔn)備工作量較大，為減小對(duì)電站正常運(yùn)行的影響，2013年，洪一水電站對(duì)現(xiàn)有的一套水輪機(jī)過流部件備品先進(jìn)行了熱噴涂改造處理，2013年11月利用電站1號(hào)機(jī)組A修機(jī)會(huì)進(jìn)行了更換。機(jī)組正常運(yùn)行14個(gè)月，并經(jīng)歷2014年汛期考驗(yàn)后，機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)良，各主要運(yùn)行工況和技術(shù)參數(shù)均較為穩(wěn)定。機(jī)組頂蓋壓力由檢修前最大0.75 MPa降至現(xiàn)運(yùn)行中最大0.50 MPa（滿負(fù)荷），減輕了機(jī)組頂蓋螺栓的拉伸壓力。實(shí)測(cè)機(jī)組振動(dòng)、擺度均正常。

2014年11月，在經(jīng)過主汛期實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)后利用1號(hào)機(jī)組C修時(shí)機(jī)，對(duì)噴涂處理后的水輪機(jī)過流部件磨蝕情況進(jìn)行了檢查，并與噴涂前磨蝕情況進(jìn)行了對(duì)比（圖1～圖6），結(jié)果表明噴涂處理后的水輪機(jī)過流部件耐磨損、防氣蝕效果良好，達(dá)到了本次改造的預(yù)期目的。

圖1 改造前導(dǎo)葉磨蝕

圖2 改造前轉(zhuǎn)輪磨蝕

圖3 改造前底環(huán)磨蝕

圖4 改造后導(dǎo)葉、頂蓋

圖5 改造后導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)

圖6 改造后轉(zhuǎn)輪下部

6 結(jié)束語

洪一水電站1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組過流部件噴涂改造后，通過一個(gè)主汛期對(duì)過流部件實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明熱噴涂技術(shù)對(duì)處理水輪機(jī)過流部件耐磨損、防氣蝕問題效果較好，可有效提升機(jī)組安全運(yùn)行可靠性，確保生產(chǎn)效益，延長(zhǎng)機(jī)組A修周期，降低維護(hù)、檢修成本，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

水輪機(jī)過流表面熱噴涂耐磨涂層技術(shù)較為成熟，在國(guó)內(nèi)、外不同流域電站和機(jī)型上均有較多的成功應(yīng)用案例，該項(xiàng)技術(shù)適宜于在泥沙含量重、硬質(zhì)顆粒含量高的流域電站水輪機(jī)過流部件耐磨損處理中推廣應(yīng)用。

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