水輪發電機組推力冷卻器銹蝕穿孔分析及治理

尹 寧

（中國華電集團貴州烏江水電開發有限責任公司構皮灘發電廠，貴州 余慶 564408）

0 引言

推力軸承油冷卻器是水輪發電機的重要部件之一，其作用是：軸承摩擦熱通過與冷卻器之間的熱交換，建立熱動態平衡[1]，使軸瓦溫度穩定在正常運行的范圍。

構皮灘發電廠1 號~3 號發電機組于2009 年正式投運，型號SF 6-48/13920，結構為半傘式。推力軸承采用外加泵外循環冷卻系統，在下機架支腿之間布置有高效列管式冷卻器，共有推力外循環水冷卻器8 臺，型號為SYFZ-100，推力外循環油泵將推力油箱內的透平油強制經過水冷卻器進行冷卻后送回推力油槽。

1 存在問題及安全隱患

2020 年構皮灘發電廠2 號機6 號冷卻器底部破損，造成6 號冷卻器底部大量漏水及6 號冷卻器停運，使得2 號機推力瓦溫因6 號冷卻器停運平均溫度上升3 ℃，最高溫度53.1 ℃，已接近55 ℃的報警值。并且2021 年12 月1 號機8 號冷卻器同樣發生推力冷卻器底座底板大量漏水事件。

推力冷卻器底座銹蝕存在以下2 點安全隱患：

（1）底座銹蝕穿孔將導致機組在運行過程中出現大量漏水，冷卻器退出運行，降低了推力外循環冷卻器系統冷卻效率，導致推力軸承油槽油溫、瓦溫升高甚至是“燒瓦”的風險，不能有力完成能源保供工作。

（2）機組運行時出現大范圍漏水，會導致機組出現非計劃性停運風險，大量漏水將下機架鐵板上的油污沖刷至水車室后流入下游，會導致水資源環境污染的風險。

2 銹蝕穿孔原因分析與判斷

（1）對冷卻器底板進行超聲波壁厚測量，得到如下結果。

通過對2 號機組、4 號機組冷卻器底板厚度測量數據分析，發現冷卻器底板減薄較大的1 號、2 號機均為偶數號冷卻器，結合6 號冷卻器底座汽蝕位置及兩次冷卻器底座滲漏編號對比，均為偶數號冷卻器，4 號機12 臺推力冷卻器底座厚度測量值均符合設計要求。通過對現場檢查發現，天阿機組二者之間的冷卻器進排水管存在相反現象，東電機組冷卻器管路則是安裝一致。

確定滲漏冷卻器進、排水管存在裝反，進水管處為直接流入16 根銅管中，冷卻水在銅管中有一定的壓力損失，進入冷卻器水箱后將無多大的沖擊力，對冷卻器底板不會造成沖刷。所以進排水管路裝反，是導致冷卻器銹蝕穿孔的主要原因之一。并且通過對冷卻器水箱進排水管路口結構分析可知，冷卻器進排水管路裝反后，水箱里面會沉淀很多淤泥和貝類等；而正裝情況下，淤泥將會在管道里，隨水流沖走，不會留在水箱內部。

圖1 冷卻器底座俯視圖

（2）通過拆除底座，割除底座上的底板檢查漏水原因，發現底座進水口位置存在旋渦狀空腔汽蝕，汽蝕最底部出現穿孔現象，汽蝕面積為12 cm×9.8 cm，汽蝕坑最大深度為16 cm（底板厚度，穿孔）如圖2所示。

圖2 6 號冷卻器底座旋渦狀空腔汽蝕坑

汽蝕是流體在高速流動和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發生洞穴狀腐蝕破壞現象。當高速的水流通過進水管注入冷卻器水箱中時，在冷卻器底座水箱進水管口處產生脫流和旋渦，在其上勢必造成水流的速度發生變化，根據流體動力學，將導致壓力降低。即使一部分流速增大或使另一部分流速減小，當某一點速度小時，則壓力必大，當其另一點速度變大時則壓力必小。當這個壓力降低，即小到某一個臨界值時（此時水流已把該部分的空氣帶走，而使該部分成為真空），水流由于壓力降低而迅速汽化，致使其體積在瞬間急劇膨脹數十或成百倍，形成水分子團劇烈爆破。無數的水流分子團不斷地連續地在這個阻礙部位上進行劇烈爆破。則過流金屬表面逐漸發生疲勞破壞而最終造成機體剝離，使該部分組織疏松成為豆腐渣，進而使強度降低，這樣在水流的沖刷下，導致冷卻器底座水箱進水口附近出現空腔汽蝕。

（3）冷卻器底座在水中可以發生多種腐蝕，如沖刷腐蝕、點腐蝕[2]、硫化物及微生物的腐蝕等。

在汛期，河流中水質含大量泥沙，對冷卻器過流金屬表面磨蝕損害特別大，堅硬而帶有鋒利刃口的泥沙及貝類等，在高速水流的裹夾下以很高的速度和能量作用于過流金屬表面，對表面產生物理和化學綜合作用，使金屬表面不斷加劇產生疲勞和腐蝕性交替作用的磨削破壞。直至一塊又一塊的機體組織連續地周而復始地發生機械性剝離，沖刷磨蝕，如圖3 所示。

圖3 腐蝕的冷卻器底座

在冷卻水中，底板的耐腐蝕性能由材料化學成分、表面狀態、水質條件3 個方面共同決定。冷卻器底座材質為Q235 材質并鍍鋅刷漆防腐處理，在防腐效果上分析未發現明顯異常。導致冷卻器底座在使用中點腐蝕破壞的表面狀態因素主要為運行表面狀態、停用表面狀態方面的影響。

1）運行時表面狀態

運行時，冷卻器水箱底座表面的沉積物，阻滯了水、氧及其他離子的擴散傳遞，導致供氧不足，形成氧濃差電池、金屬濃差電池，誘發沉積物下的腐蝕[3]。沉積物下的腐蝕有如下特征：

①底座表面有疏松的沉積物。

②只有表面有沉積物后，腐蝕才開始孕育發生。

③沉積物下的點蝕，局部密集分布，呈潰瘍狀[3]。

通過對冷卻器水箱檢查，發現冷卻器底座及內部銅管外表面均有沉積物存在及點蝕現象。

2）停用時表面狀態

機組停機時，尤其是在機組“C+D”期間，在停滯的冷卻器底座水箱中，底座會因長期有水存在產生停用腐蝕。水中的微生物、細菌滋生、貝類附著等，會破壞板材的保護膜，誘發局部腐蝕。

通過分析可知，導致冷卻器底座穿孔的主要原因有以下3 方面：

①冷卻器進出水管路裝反；

②空腔汽蝕；

③水中的微生物、細菌滋生、貝類附著等，導致發生沖刷腐蝕及點腐蝕等。

3 冷卻器底座銹蝕穿孔處理措施

3.1 對冷卻器材料及防腐工藝進行改造

（1）原冷卻器底座板材由Q235 改為20 號鋼，通過對二者之間的化學成分分析可知，20 號鋼性能遠優于Q235 鋼。

（2）冷卻器水箱防腐

原冷卻器水箱采用鍍鋅防腐，本次水箱防腐工藝優化為采用非金屬抗蝕( 抗磨) 涂層——即以環氧為基礎材料，加入各種礦石粉或金屬粉的剛性涂層（圖4）。涂層工藝如下：

圖4 防腐處理后的冷卻器底座

1）鋼材表面應無可見的油脂和污垢，并且沒有附著不牢的氧化皮、鐵銹和油漆涂層等異物。磨光機處理后表面清潔度達到GB 8923《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》中的St2 級，補涂冷鍍鋅100 μm。

2）符合噴涂條件后，先噴涂環氧云鐵二道，厚度100 μm。

3）環氧云鐵完全干燥后，噴涂環氧面漆，厚度60~100 μm。

3.2 偶數號冷卻器進排水管路改造

（1）對偶數號冷卻器進排水管路進行配管改造，配管焊縫經PT 探傷檢查無任何缺陷，PT 探傷檢查標準按ASME 第Ⅷ卷附錄8 進行。

（2）對推力外循環冷卻器內部進行除銹清淤處理，并更換冷卻器各部分密封。

（3）對檢修后的推力外循環冷卻器進行單臺嚴密性耐壓試驗，試驗壓力為冷卻器工作壓力的1.25倍（最大耐壓壓力0.75 MPa），打壓時間30 min，檢查冷卻器各冷卻銅管無滲漏，各密封面無滲漏，30 min內推力外循環冷卻器整體無壓降。

3.3 效果

（1）冷卻器經正反向充水檢查各部位無滲漏；

（2）機組開機完成3 h 穩定性溫升試驗，機組運行至溫度穩定后每小時溫升未大于1 ℃，且推力瓦溫、油溫低于冷卻器進排水管路改造前。

4 結語

本文對構皮灘發電廠推力軸承冷卻器底座生產運行中出現銹蝕穿孔問題進行分析及治理，解決了機組主要輔助設備運行中的安全隱患，為機組的安全穩定運行提供了可靠保障，確保了構皮灘發電廠水輪發電機組的長期穩定運行，為企業創造了巨大的經濟效益，為企業的發展做出了貢獻，并且在能源保供工作的重要性和緊迫性下，堅決擔好責，時刻繃緊弦，始終守好底，全力以赴保障能源安全穩定供應。

同時對其他電站同類型機組起到警示作用，嚴格按照《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》制定相應反措，并對該部位進行定期與系統檢查，及時消除隱患，及對其它電站同類型外置列管式冷卻器底座銹蝕穿孔分析及進排水管路安裝方式，具有一定的借鑒作用。