大型水電機組流道汽蝕及非焊修補研究

朱俊杰，王占朋

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

汽蝕是水輪機運行中常見的現象，水中含有泥沙時，汽蝕常與泥沙磨損聯合作用，導致水輪機過流部件，特別是轉輪葉片表面快速破壞，不僅會降低水輪機運行效率，嚴重時甚至危及部件的結構安全。另外，保護涂層缺陷處的膜下腐蝕，焊縫處的腐蝕也是導致水輪機過流部件表面磨損的原因之一。

據統計，長江三峽年平均含沙量為1.19 kg/m3，泥沙總量的85%集中在汛期[1]，由于汛期水量大，水輪機多處于低水頭滿開度運行，水輪機內流速大，高速含沙水流摩擦和切削過流部件的表面，同時，溫度的急劇變化也產生沖蝕，重復作用下，交變應力加速破壞過流部件表面。非汛期含沙量較少，但含沙量越少的水質對機組蝸殼等流道的抗汽蝕能力要求越高[2]，文中主要總結水輪機蝸殼汽蝕特點，并進行相應修復工藝研究。

1 蝸殼介紹

某水電站自建成運行以來，32 臺發電機組已經持續運行近20 年。設計制造單位在合同中保證，水輪機在投入商業運行后，由于汽蝕和泥沙磨損等聯合作用引起的水輪機過流部件任意處金屬磨損深度不超過10 mm，任意連續的金屬磨損區面積不大于0.5 m2。據此合同約定，左岸機組蝸殼均采用日本生產的NK-HITEN610 高強調質鋼板制作，蝸殼在焊接、安裝后進行了防腐涂漆，按照廠商工藝及設計要求，先噴沙除銹再刷底漆、中間漆和面漆，漆膜固化干燥后最小厚度不應小于350 um（底漆50 um，中間漆150 um，面漆150 um），漆表面應均勻一致，表面光滑、無流掛、皺紋、鼓泡、針孔、裂紋、漏涂等缺陷。

機組蝸殼介紹如下：金屬蝸殼，由若干部分焊接而成，主要結構如圖1，每個斷面厚度不同，詳見圖3；同一截面不同部位厚度也不同，詳見圖1、圖2；其中圖3 內側厚度為靠近座環上下板厚度，中間厚度為蝸殼底部及頂部板厚度，外側厚度為遠離座環立板厚度。

圖1 機組蝸殼結構圖

圖2 蝸殼截面壁厚分布圖

圖3 機組蝸殼壁厚（單位：mm）

2 蝸殼汽蝕特點及原因分析

2.1 蝸殼汽蝕分布及特點

汽蝕部位主要集中在蝸殼內側、上下導流板附近，從蝸殼進水口往鼻端方向，銹蝕情況逐步加重，汽蝕孔深度最大約8 mm，破壞區的金屬表面主要表現為針孔、麻面等輕度癥狀，如圖4、圖5 所示，主要表現為汽蝕孔，汽蝕孔直徑10～15 mm，深度約3～8 mm 不等，汽蝕相對嚴重的部位集中在鼻端。

圖4 被磨損的蝸殼表面

圖5 噴砂、清洗處理后的蝸殼表面

2.2 蝸殼汽蝕成因

綜合上述情況表明，過流部件的破壞主要是汽蝕破壞，泥沙磨損很輕微。這是因為長江水質泥沙含量少，進入水輪機過流部件的水質較好[3]，過流部件磨損較小。

在水輪機流道中經常產生旋渦與遇到脫流現象,由于旋渦中心壓力低所以容易發生汽蝕；導流板附近水流與過流部件表面不再是完全順流而是存在有一定夾角的沖擊流，水流的局部損失加大, 比壓能降低，容易產生汽蝕[4]。

一般認為磨損促進了汽蝕，汽蝕又促進了磨損[5]，圖4 即為三峽電站機組蝸殼過流面典型的磨蝕表面，這種磨蝕表面形貌與純泥沙磨損和純汽蝕破壞得到的磨損表面有明顯的區別；說明水輪機的磨蝕機理既不是簡單的泥沙磨損也不是純粹的空化破壞，而是泥沙磨損和汽蝕聯合作用對水輪機過流部件的破壞作用，不同部位變現特征也不一樣，有的位置汽蝕損壞為主，有的位置泥沙磨損為主。

3 蝸殼汽蝕孔修復研究

目前尚沒有一套非常完整的評判蝸殼汽蝕狀態及修復的詳細標準，對于如何解決水電機組過流部件的磨損問題，國內外同行業者一直都在積極地探索新方案。如采用合金焊方式，但是費用太高，在大面積的過流部件上，綜合應用性不強；也有采用金剛砂膠泥來增加耐磨性，但是由于產品體系簡單，不能很好地起到耐磨的效果；較多采用油漆類產品的方案，但也許是油漆的產品性能無法達到要求，或是產品在施工過程中沒有一套良好的工藝實施方案，迄今為止，國內水電行業采用油漆類產品對水輪機過流部件進行再修復的結果始終沒有達到良好的效果，鼓泡、開裂是使用油漆涂層再修復后運行一個周期后易出現的現象，無法達到理想化的修復和較長時間防護要求，尤其是對于磨損的坑洞，缺乏切實可靠的解決方案。

我們根據組蝸殼實際運行情況并結合其表面汽蝕特征進行了一些實驗及驗證，取得了良好的效果。此次工作未采用常規的金屬材料補焊工藝進行處理，而是創新地采用了修補劑和防腐涂料相結合的工藝對蝸殼汽蝕區域進行修補、防腐。工藝流程如下：先對蝸殼汽蝕部位進行噴砂處理，確保表面漏出蝸殼基材，再采用修補劑進行孔洞修復并涂抹平整，風干，而后涂刷防腐涂料。

此次試驗采用了多種類修補劑，A、B 組份按照相應的比例混合均勻，進行空洞填補，在填補時借用一定的外力，確保空洞100%填充，刮平、風干4 h，為后續涂刷防腐涂料做好準備，防腐涂料采取了3 種不同的材料，涂料厚度如表1 所示，厚度均滿足現場要求。

表1 防腐涂料厚度單位：mm

經過近3 年驗證，新型刷涂陶瓷效果最好，環氧樹脂涂料次之，彈性噴涂材料最差，如圖6 所示，新型刷涂陶瓷完好無損，表面無氣泡，無脫落；環氧樹脂涂料部分出現氣泡；彈性噴涂材料直接出現脫落情況。

圖6 蝸殼汽蝕孔洞修復跟蹤結果（左往右依次是新型刷涂陶瓷、環氧樹脂涂料、彈性噴涂材料）

根據上述試驗結果，針對新型刷涂陶瓷的良好效果，進行了更深層次的優化研究。首先，針對現場較為明顯的坑洞，采用了PC7222 耐磨陶瓷修補劑進行修復，如圖7 所示，其含有陶瓷纖維和細微陶瓷粉末，使這種可涂抹的膩子型材料耐磨性極佳，且表面光滑，摩擦小；其施工后不流掛的特性可以滿足頂部和垂直表面施工；其快速更新磨損表面的特性，可以大幅減少停機時間；其抗細顆粒滑動磨損的特性，可以有效地延長設備壽命，其主要性能參數見表2。當所有坑洞被修復完畢后，由于蝸殼表面仍存在大面積的薄層磨損，這些不規則的表面如果不進行處理，不僅會繼續產生腐蝕和磨損，而且更容易發生汽蝕現象，從而加速了表面的損壞，降低了水輪機組的工作效率。因此，針對這類大面積的表面磨損，采用了每層的平均厚度是0.25 mm 的兩種不同顏色的PC7255 雙組份無溶劑環氧涂層進行表面修復涂刷（表3）。PC7255 其內部同樣填充陶瓷粉末，所形成的涂層表面光滑均勻，可以有效地減少摩擦，減少紊流，提高設備的工作效率，而且，該產品無論噴涂、刷涂或者滾涂，固化后都會與修復金屬表面產生極強的附著力，其主要性能參數見表3。通過采用了兩種不同顏色的方案（圖8），將非常有利于后期檢修時的觀測和再修復：在停機檢修時，如果灰色表層未被磨損，則無需對該部位進行再修復；如果灰色表層已被磨損，露出了綠色底層，則在該部位僅需采用灰色PC7255 噴涂陶瓷修補劑進行再修復；如果灰色表層和綠色底層均已被磨損，露出了過流部件金屬本體或PC7222 耐磨陶瓷修補劑涂層，則該部位需要進行重點再修復，并考慮加厚PC7222 和PC7255的修復涂層。通過1 年多實際應用檢驗，采用陶瓷類耐磨修復的部位完好無損，如圖9 所示。

圖7 填充材料填充后刮平

圖8 涂刷不同顏色防腐涂料

圖9 新型刷涂陶瓷試驗效果

表2 PC 7222 固化后的性能參數

表3 PC 7255 固化后的性能參數

4 結論及應用建議

通過對此次試驗結果進行分析，得出如下結論和建議：

混流式水輪機蝸殼汽蝕現象主要出現在蝸殼內側，沿水流方向分布在上下導流板附近，汽蝕以針孔、麻點為主，往鼻端方向呈加重趨勢。

蝸殼汽蝕是一個復雜的問題，跟機組運行狀況、水含沙量等有關，文中蝸殼汽蝕孔也不是純粹的汽蝕造成的，都是汽蝕和磨蝕聯合作用的結果，主要分析看是汽蝕或者磨蝕哪個起主導作用，并針對性地進行表面處理。

采用修補劑填充和防腐涂料相結合的工藝解決蝸殼汽蝕問題或許是一個新思路，可有效解決蝸殼汽蝕問題，對于汽蝕較嚴重的地方宜采用表面硬度較高的防腐涂層。

5 結語

水輪機蝸殼汽蝕問題是一個普遍存在的問題，影響因素是多方面的，不同的電站、機組會呈現不同的特點，可以通過對過機水流物理指標、蝸殼汽蝕部位、不同部位磨蝕機理和磨蝕強度隨時間的變化規律進行長期監測分析，為水輪機蝸殼檢修提供依據。根據多項資料考證，采用陶瓷類耐磨修復方式對水輪機過流部件進行修復，是目前國內乃至全球范圍的一項新的技術項目。陶瓷類耐磨修復卓越的附著力和耐磨性，可徹底解決多年以來水輪機過流部件汽蝕修復的難題。同時，其可噴涂的特性，也適用于大中型水電機組的大面積、高效率的施工。文中所記錄的試驗結果也表明，這樣的耐磨修復項目完整地實施一次，即可經歷多個檢修周期，中途或許會進行局部的小修小補，但完全不必再像以往采用油漆類產品進行修復的狀況，每年停工檢修都要費工費力地重新翻新涂敷。另外，結合陶瓷類耐磨修復過流部件應用時所額外產生的節能效果，值得更深一步去探討。可以預見采用陶瓷類材料對水輪機過流部件進行非焊接修復的新技術，將會被國內外大中型水電站廣泛推廣使用。