張河灣抽水蓄能機組氣蝕現狀與防治措施

李永紅，郭旭東，溫佩佩，盧 彬，徐 桅

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于太行山深處井陘縣境內，距石家莊市（負荷中心）直線距離為 52 km，公路里程77 km，裝機總容量為100萬kW，安裝4臺25萬kW的單級混流可逆式機組，以一回500 kV線路接入河北南部電網。承擔電網的調峰、填谷、事故備用等任務，起到十分重要的作用。

張河灣抽水蓄能電站機組的額定水頭為305 m，每臺機組均為20個固定導葉，高度約為0.46 m，表面覆蓋防腐漆。

2 水泵水輪機汽蝕情況

張河灣抽水蓄能電站3號、4號機組運行至今，固定導葉上下端面、立面端面、立面密封附近、以及在頂蓋、底環和活動導葉背部區域有較明顯的汽蝕現象，如圖1～圖4。

圖1 固定導葉立面端面

圖2 固定導葉上下端面

圖3 活動導葉背面

圖4 底環

3 汽蝕原因分析

汽蝕是水工建筑和水力機械運行過程中普遍存在的一種破壞形式，它屬于磨損腐蝕的一種特殊形式，是由于過流部件附近的氣泡劇烈潰滅瞬間產生的高壓沖擊波或高速微射流，高頻進攻過流部件外表面，在材料外表面局部發生較大的塑性形變，致使材料表面產生破碎，形成蝕坑并裸露出新的基材。隨著空蝕時間增加，蝕坑逐漸增大增深，當蝕坑擴展到一定程度后，過流部件就會發生斷裂。

3.1 材料汽蝕破壞機理

由于汽蝕涉及流動條件、機械力、材料冶金與電化學交互作用等方面。材料表面產生空化導致破壞的主要有機械作用、化學腐蝕作用、電化學作用和熱力作用等。

3.2 空蝕的類型

水在水輪機過道中的流動是極其復雜的，空化現象可以出現在不同部位，在不同條件下形成空化初生，根據汽蝕發生的條件和部位的不同，可將汽蝕分為翼型汽蝕、間隙汽蝕、局部汽蝕、空腔汽蝕和局部空蝕5種。

綜合上述材料汽蝕破壞機理和汽蝕類型分析，固定導葉立面端面、上下端面都屬于間隙汽蝕，其破壞同時涉及機械作用、化學腐蝕和電化學腐蝕。由于固定導葉線型的原因，固定導葉出口處（圖5中C）的空間會增加，導致此處水流速度存在小幅減小的情況，特別是固定導葉轉輪端的端面處（圖5中D），會因其水流速度小于周圍水流速度而形成負壓狀態，導致汽蝕現象的產生。在汽蝕作用下，導葉該區域表面的涂層首先被破壞脫落失效，耐腐蝕性較差的導葉碳鋼基材裸露，同時受到腐蝕、汽蝕和沖刷的作用，另外與其連接的不銹鋼活動導葉因其電位高于固定導葉，會形成電偶腐蝕，加速固定導葉汽蝕破壞區域的腐蝕。

圖5 水輪機作用示意圖

活動導葉背面的汽蝕應屬于翼型汽蝕，主要是由水輪機經常在非最優工況下運行時而引發，其表面的破壞主要是汽蝕過程中的微射流破壞產生，因是不銹鋼材質，無腐蝕和電化學腐蝕情況。

4 汽蝕危害

汽蝕缺陷增加了導葉的表面粗糙度、破壞了導葉的線型、增加了水流摩擦阻力，影響了導葉周圍應有的繞流條件，使導葉內的能量損失增大，嚴重影響水輪機的出力和運行效率。同時，導葉表面粗糙度的增大，會對空化的產生形成促進作用，加速其汽蝕、沖刷和磨損腐蝕，長期下去，腐蝕破壞加重，會使機組產生強烈振動、噪音和負荷波動，直接影響機組的運行安全。

5 汽蝕的應對措施

5.1 選擇最優化的運行方式

通過多年來運行實踐證明，運行工況對汽蝕有一定的影響。水輪發電機組運行過程中，值班人員應定期觀察并記錄水輪機尾水管真空表上的數值變化，選擇最優工況運行，盡量避免水輪機長期在低水頭和低負荷狀態下運行，以避開汽蝕嚴重的運行工況區域。同時，要確保頂蓋處真空破壞閥和尾水管補氣裝置完好，便于降低真空壓力，破壞真空渦帶形成，減輕汽蝕、振動程度。

5.2 及時檢修和修補

材料汽蝕破壞的過程可分為3個典型階段：汽蝕孕育期，汽蝕加速期和汽蝕穩定期。在汽蝕初期進行維護和保養可避免經歷汽蝕加速期。另外汽蝕、磨損和化學腐蝕造成的表面粗糙度增加，會對空化的產生形成促進作用，光滑表面可推遲空化發生減少汽蝕。因此，針對易發生汽蝕的部位和已出現的汽蝕缺陷，應及時檢修處理，這樣既能縮短檢修時間，又能提高轉輪運行的壽命和運行質量。在日常檢修中，采用先進的材料和工藝對表面的腐蝕缺陷及時修復和涂層防護，可避免汽蝕的加速破損，對水輪機過流部件的防護起到事半功倍的效果。SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層是一種彈性高分子聚合物材料，能夠耗散空泡潰滅時對工件表面的沖擊能量和沙粒的動能，起到“以柔克剛”的效果，經過應用試驗，對水輪機過流部件的汽蝕區域的防護具有良好的保護效果。

5.3 抗汽蝕涂層

目前抗汽蝕、耐磨損和防腐蝕涂層主要有金屬涂層和有機涂層2類。國內在抗汽蝕金屬涂層材料的研究與應用方面開展了大量的工作，并取得了較大的進展。如金屬表面堆焊奧氏體不銹鋼并進行表面重熔改性、熱噴涂鈷基合金涂層、等離子熔覆高鉻鐵基合金、表面堆焊鈷基合金等，都能在一定程度上提高基材的抗汽蝕性能。但金屬涂層的施工工藝難度大、工藝溫度較高，容易導致工件產生熱變形，施工涂層厚度不易控制，施工后需重新進行機械加工，同時對前處理工藝和設備均具有較高的要求，使現場修復操作難度較大，成本較高，因此未能在水電行業的檢修中大規模推廣應用。

有機抗汽蝕涂層材料主要有剛性環氧涂層和彈性聚氨酯2類。抗汽蝕、耐磨損和防腐蝕環氧涂層是以環氧樹脂為基體，Al2O3、SiO2、SiC等硬質陶瓷粉末增強的一類涂層。環氧樹脂是含有2個或2個以上活潑環氧基團的高分子化合物，與氨基固化劑交聯固化后，形成產物的分子結構為交聯網狀結構，賦予其優異的力學性能和化學穩定性，同時分子鏈中固有的極性羥基和醚鍵使其與金屬具有很高的粘結性。采用硬質陶瓷粉末增強后具有粘接強度大、硬度高、耐沖刷、耐磨損性能好等優點。該涂層在水電站的應用情況表明，涂層對水輪機轉輪體、葉片正面等非汽蝕區具有良好的抗沙粒磨損效果，但葉片背面及根部、轉輪室中環等強汽蝕區脫落嚴重，防護效果較差，這主要是由于固化后的環氧樹脂基體韌性較差，涂層內應力大，抗汽蝕性能不足，在汽蝕的疲勞破壞作用下，易脆裂脫落而失效，因此不適合在汽蝕破壞嚴重的場合使用。

有機聚氨酯彈性體涂層能大量吸收空蝕產生的高頻沖擊能量，同時其力學強度高，耐磨、抗沖刷等性能優良，是優異的抗汽蝕涂層材料。聚氨酯彈性體涂層目前已應用于三門峽、青銅峽、小浪底等水電站的水輪機葉片、導葉、底環和頂蓋等過流部件的防護，并取得了良好的抗磨損效果。聚氨酯彈性體涂層的失效案例表明，涂層與基材粘結性和耐高速水流沖刷性能不足是涂層脫落失效的主要原因，因此優化涂層結構設計，改善聚氨酯彈性體涂層的粘接強度和耐高速水流沖刷性能對其在水輪機過流部件表面推廣具有重要意義。

5.4 汽蝕修復與涂層防護應用試驗

SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層、SOTO 9211橡膠底涂劑、SOTO 3112無溶劑環氧涂料的梯度復合防護涂層體系和SOTO 2122金屬陶瓷修補材料是碩投（武漢）高分子技術有限公司針對水輪機過流部件的汽蝕修復與防護設計開發。SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層為具有優異耐磨性和抗汽蝕性能的無溶劑聚氨酯彈性體涂層，用于面涂層，可有效抵抗汽蝕和泥沙磨蝕破壞；具有高粘接強度的SOTO 3112無溶劑環氧涂料作為底層材料使用，保證涂層體系與基材界面的結合強度；SOTO 9211橡膠底涂劑為高韌性的聚氨酯中間層，與無溶劑環氧和聚氨酯耐磨橡膠均具有化學鍵合能力，可起到過渡粘接作用，保證涂層的層間結合強度和配套性。由剛性至彈性過渡復合涂層體系的應用，可充分發揮各涂層的優勢，有效解決水輪機過流部件的汽蝕、磨損、沖刷和腐蝕問題。

在2018年9月張河灣抽水蓄能電站1號和4號機組檢修期間，選用SOTO的修補材料和梯度復合防護涂層體系在2個機組的1～15號固定導葉上進行汽蝕的修復與防護應用試驗，汽蝕缺陷經過修復和涂裝后，表面平整光滑，其性能及使用效果有待跟蹤考察。見圖6～圖9。

圖6 尖部汽蝕

圖7 立面汽蝕

圖8 第一道修補涂層

圖9 第二道無溶劑底涂層

6 結語

汽蝕在水電行業的運行中普遍存在，危害性大。當前由于抽水蓄能行業的機組水頭較高，水流流速較快，所以在抽水蓄能的機組中固定導葉、活動導葉、轉輪及其他通流部件均容易出現汽蝕，汽蝕的出現將直接導致機組效率下降、振動加劇、噪聲加大、水泵水輪機使用壽命縮短，嚴重時將危及安全運行。水電站應適時采用有效的防護措施進行預防，同時，電站人員應特別關注和研究電站的運行特點，科學管控，合理調度，確保電站安全、經濟、可靠、優質運行。