水電站發電機空冷器泄漏原因分析及預防措施

陳 嵩，趙棟棟，張 義

（四川華能太平驛水電有限責任公司，四川 都江堰 611830）

1 研究背景

空冷器作為一種常見的冷凝換熱設備，具有結構簡單、操作壓力低、節能、節水的特色，在水輪發電機中得到了廣泛應用，其穩定性、可靠性、換熱高效性得到一致認可[1]?？绽淦饔卸喾N分類辦法，按管制布置方法分為四類：水平式、立式、圓環式、斜頂式空冷器；按空氣的通風方法分有三類：自然通風式、引風式、鼓風式空冷器；按冷卻方法分有三類：濕式、干式、干濕聯合式空冷器。慣例空冷式換熱器、板式空冷器、復合型蒸發式空冷器是三種常見空冷器。

華能太平驛電站地處岷江上游，年雨量為1 000~1 600 mm，多年平均流量為363 m3/s，相應年徑流量為114.48 億m3。洪水由暴雨形成，最大洪水多出現在6~9 月，壩址處最大歷史洪水流量為3 870 m3/s。壩址處多年平均懸移質輸沙量為642 萬t，多年平均含沙量為0.576 kg/m3；推移質輸沙量為65 萬t。粒徑≥0.25 mm 的含量占12%，泥沙硬礦物（莫氏硬度大于7）占總沙量的30%~40%，莫氏硬度≥5 的約占60%。太平驛水電站系岷江上游河段（灌縣—汶川）規劃中的第二個梯級電站，距成都市約97 km。現裝機容量280 MW，裝設 4 臺單機容量為70 MW 的機組，發電引用流量280 m3/s，額定水頭111.5 m。電站以發電為主，在系統中承擔基荷和根據需要參與調峰運行。太平驛水電站按“無人值班少人值守，遠程集控”原則設計，采用計算機監控系統。太平驛水電站自1994 年投產以來，發電機空冷器運行20 多年從未出現漏水現象，機組運行狀況良好，從2017 年開始，太平驛電站開始對4 臺機組技術改造，更換所有主輔設備。然而在2020 年1 月，太平驛電站4 號機組技改完成并投入商業運行到108 d 時，檢查發現2 只空冷器銅管出現穿孔、漏水現象，其銅管材質為BFe10-1-1，空冷器冷卻水壓約0.4 MPa。據統計，從2018 年5月第1 臺機組技改完成后投運，至2021 年6 月，太平驛電站4 臺機組配置的26 只空冷器（4×6+2）中已有10 余只發生漏水現象，漏水率超40%，屬于批量事故。嚴重影響了太平驛電站的安全運行，給電站帶來加大安全隱患。

本文研究的空冷器為板式空冷器，板式空冷用具有以下特色：①節能作用明顯。板式空冷器換熱板束單板換熱面積大，傳熱功率高。另外換熱板之間介質的流通面積大，管系壓降減小。這兩點使得板式空冷器節能作用明顯。②板式空冷器的換熱板束可以進行機械清洗。③在相同換熱使命情況下，板式空冷器比慣例空冷器體積更小、分量更輕。④在濕式空冷情況下傳熱部件易結垢，當板式空冷器選用全焊式板束時，一旦局部損壞或阻塞，換熱板束不行拆卸，需求替換整臺空冷器，會因而造成設備浪費[2-4]。

相關研究表明，空冷器冷卻管常見的失效形式有腐蝕、磨損、變形等。本文通過現場調研、解剖前檢查、尺寸測量、本體解剖試驗、理化分析等，對泄漏原因進行了綜合分析，為同類型空冷器漏水問題提供解決思路。

2 空冷器宏觀檢查

太平驛電站的冷卻器結構如圖1 所示?？绽淦靼ɡ鋮s管及與之脹緊的承管板、密封墊，可拆卸的上，下水箱蓋，進出口水管及法蘭等。冷卻器的結構要求不影響水管連接就能拆去上、下水箱蓋對管子進行檢查和清洗。冷卻器的設計應防止由于沉淀物的 聚積堵塞冷卻水管。冷卻器應可雙向換向運行，便于沖洗。 為便于冷卻器排水和排氣，每臺冷卻器下方裝設排水閥，頂部裝設排氣閥。

圖1 太平驛電站空冷器結構

在太平驛電站運行期間，該批次空冷器水壓長期運行在0.2 MPa 左右，水流速度不超過2 m/s，各項運行條件未超過設計要求限值。

2021 年6 月24~25 日，對失效的空冷器進行初步觀察、拍照取證。如圖2 所示，現場失效件編號為4G-4 號和4G-5 號，泄漏側均位于入水口側，蓋板內部焊有兩塊防電偶腐蝕用的陽極材料，無擋板、濾網等裝置，水流自入水口進入后將直接進入各銅管。將空冷器端部三等分劃區，明顯可見兩側區域表面黑膠層已發生多處破損，基體出現銹蝕，中間區域則黑膠層完好，未見異常。

圖2 泄漏側（入水口側）局部宏觀形貌

經進一步檢查，如圖2 所示。兩件空冷器的泄漏點均位于入水口側脹管的過渡臺階附近，屬于穿孔型缺陷。因泄漏均發生于入水口側，故現場未將出水口側拆解觀察，從出水口向內觀察發現膠層完好，無破損、銹蝕現象。

通過檢查發現，入水口側兩邊區域黑膠層存在破損，局部基體發生銹蝕，出水口側正好相反，兩邊區域完好，中間區域膠層出現輕微破損和基體銹蝕。入水口側含缺陷銅管有凹坑和穿孔兩種形態，且二者均發生于脹管過渡臺階處。正常部位黑膠層保存完好，端部可清楚觀察到脹管臺階。

對空冷器切割電鏡和金相試樣發現：缺陷銅管內壁光亮，呈銅黃色，未見氧化、腐蝕，未見磕碰、擦傷，局部粘附黑色異物，具有輕微氧化特征；凹坑缺陷產生于脹管過渡臺階附近，坑內光滑，無肉眼可見的異物殘留，凹坑背面銅管外形完好，無變形、損傷等異常，銅管端面黑膠層脫落，外形較為圓滑；泄漏點處有兩個投影長度達5 mm 的穿孔，孔附近壁厚明顯減薄，減薄區域邊緣呈弧狀，具有流體沖刷特征，穿孔背面區域同樣表現為沖蝕磨損特征。

在檢查中發現，在空冷器銅管與承管板脹管處用手指明顯感覺到臺階，空冷器在承管板厚度附近有明顯的直徑變化。

3 原因分析

3.1 材料成分分析

在空冷器銅管上不同部位取樣進行化學成分分析，得到其化學成分，如表1 所示。

表1 化學成分測試結果（wt%）

該空冷器銅管采用白銅管，材質為BFe10-1-1，表1 顯示測試結果滿足技術要求。

3.2 穿孔漏水位置分析

選取漏水空冷器進行拆解，用以開展全面的觀察、測試、分析工作。拆解固定螺栓后進行宏觀形貌觀察，發現其入水口側兩邊區域黑膠層存在破損，局部基體發生銹蝕，出水口側正好相反，兩邊區域完好，中間區域膠層出現輕微破損和基體銹蝕，包括凹坑和穿孔兩種形態，且二者均發生于脹管過渡臺階處，正常部位黑膠層保存完好，端部可清楚觀察到脹管臺階。孔附近壁厚明顯減薄，減薄區域邊緣呈弧狀，具有流體沖刷特征，穿孔背面區域同樣表現為沖蝕磨損特征。此外，銅管端面黑膠層幾乎全部脫落。

經過對比分析，發現所有空冷器穿孔漏水位置皆在進水口側，其位置如圖3 框所示。

圖3 空冷器漏水位置模擬示意圖

3.3 拉伸性能測試

在圖3 中虛線方框對應的銅管上取樣進行拉伸測試，表2 顯示拉伸強度和斷口伸長率滿足技術要求，規定塑性延伸強度高于技術要求。圖4 和圖5顯示斷裂位置正常，斷口呈韌窩形貌。

表2 拉伸性能測試結果

圖4 拉伸試樣實物照片

圖5 拉伸試樣斷口電鏡形貌

3.4 電鏡形貌和能譜分析

對空冷器坑狀缺陷處電鏡形貌和能譜分析，發現坑內整體較為平滑，坑底和周圍可見微小顆粒嵌入基體。顆粒物多為尖角狀，在基體上產生較長距離的滑擦，造成了基體的劃傷和損失，能譜分析顯示顆粒物成分以O、Si 為主，這與沙粒成分吻合。電鏡形貌分析如圖6、圖7 所示。

圖6 1 號試樣（坑狀）缺陷及其附近電鏡形貌

圖7 坑狀缺陷及其附近殘留顆粒物能譜分析結果

結合宏、微觀形貌初步判斷，銅管的失效性質為沙子、碎石子造成的沖蝕磨損。

3.5 金相分析

圖8為脹管處（縱截面）示意圖，上述損傷發生于A-B 區域，該處為脹管變徑段。

圖8 脹管處（縱截面）示意圖

圖9 試樣金相

圖10 壁厚測試

對銅管金相檢查發現，銅管坑狀缺陷處坑底圓滑，局部幾乎貫穿壁厚，坑邊緣組織為等軸狀α-Cu，未見變形跡象，說明坑狀缺陷是在長期沖蝕磨損過程中形成的，而非在硬物撞擊作用下產生。測量顯示A、B、C 三個位置壁厚存在差異，一方面說明脹管處由于變形使得壁厚適當減薄，另一方面未脹管處壁厚明顯小于原始壁厚1.25 mm，說明磨損減薄較為顯著。A、B、C 三個位置的組織均為等軸狀，未見變形，晶粒度以7 級為主，局部存在粗晶（高于技術要求0.01~0.05 mm）。

3.6 硬度檢測

對銅管的硬度進行檢測，測試結果見表3，銅管的三個位置硬度變化趨勢為C ＞B ＞A，這與脹管造成的局部加工硬化有關，屬于正?，F象。

4 初步分析結論

根據上述檢查結果可知，空冷器壁厚滿足技術要求，化學成分合格，拉伸強度和斷后伸長率合格，規定塑性延伸強度高于技術要求，空冷器銅管的失效性質為沖蝕磨損，泄漏點和坑狀缺陷均產生于脹管過渡處的臺階位置，周圍殘留有顆粒物，成分與沙子和石子顆粒吻合。引起沖蝕磨損的主要原因是水流通過入水口直接進入銅管，內含沙子或石子顆粒以較快的速度對脹管過渡處形成的臺階進行沖擊，造成銅管材料的損耗（減?。?，直至穿孔發生泄漏。這一方面與流水含沙量有關，另一方面與入水口處無擋板或過濾裝置有關，前者屬環境因素，后者屬設計因素（工況考慮不到位），此外脹管過渡處形成臺階，使得砂石等硬物直接與銅管臺階處發生沖擊，引發其早期失效。

通過上述分析，引起空冷器銅管失效的主要原因為空冷器銅管與承管板處的脹接形成的臺階導致。由于在空冷器銅管脹管時，在該處形成了明顯的臺階，由于水流進口的長期沖擊作用，水流中的泥沙等顆粒物在水流的作用下，長期對臺階處磨蝕，導致其變薄、穿孔。因此，空冷器銅管脹管工藝缺陷為該空冷器銅管漏水的主要原因。

5 空冷器相關探討與建議

根據上述分析檢測結果可知，空冷器冷卻銅管的失效性質為沖蝕磨損，主要原因為銅管脹管工藝存在明顯的缺陷，導致脹管處出現明顯臺階。下面從空冷器的設計、工藝、制造、運維等多個方面進行較為深入的探討。

首先，設計方面，設計階段會根據產品結構和服役工況對部件或系統進行建模和仿真計算，根據計算結果反過來完善結構。空冷器冷卻銅管端部采用脹管成型工藝，這使得脹管處內外徑變大，脹管過渡處形成臺階，原先的直管在局部位置（脹管過渡處）便表現出了彎管的部分特性，當冷卻水泥沙含量增加、泥沙顆粒物在水流的作用下會對臺階處形成直接沖擊磨損[5]，在長期作用下導致穿孔，因此，空冷器銅管的設計、材料、脹管工藝是保證空冷器安全運行的最為關鍵環節。相關研究表明：水平彎管沖蝕嚴重部位主要存在于彎頭與出口直管段連接處的外拱底部以及出口直管段的內拱底部；水平彎管外拱沖蝕速率大于內拱沖蝕速率；水平彎管底部沖蝕速率大于頂部沖蝕速率；彎管出口位置處的沖蝕速率大于入口處沖蝕速率。此外，段塞流條件下水平彎管沖蝕實驗表明：不同流態的沖蝕機理存在差異，沖蝕破壞嚴重區域主要存在于彎頭與彎管出口直管段連接處的外拱中部。當液態流水混雜硬質沙粒在冷卻管內流動時，脹管過渡處作為凸起臺階將直接發生沖撞，沖撞角度與磨損速率密切相關。

其次，工藝方面，冷卻管材質為銅合金，硬度測試結果約100~130 HV，強度不足300 MPa，強硬度與鋼鐵材料無可比性。耐磨性是指抵抗摩擦作用的能力影響，硬度則是衡量金屬材料軟硬程度的重要指標，它即可理解為材料抵抗彈、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力，材料的硬度越高，耐磨性越好，因此常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。反之，耐磨性最好的材料不一定硬度高，因為耐磨要求的是嵌入性和摩擦順應性，即材料磨過后能最快的形成兩摩擦面的凹凸相配合的摩擦面，因此，不能為了提高耐磨性而單純的追求表面硬度，過高的表面硬度一方面可能降低摩擦面的耐磨性，另一方面因為變脆而容易發生表面剝落等新的失效模式。此外，根據磨損的機理，如果是切入式磨損，提高表面硬度可以較好的提高耐磨性，如果是沖擊性磨損，則提高的效果會相對差一些[6]。文中冷卻器銅管盡管對于銅合金而言硬度滿足材料要求，但對于耐磨件則遠不能滿足。脹管過渡處既伴隨切入式磨損，又有沖擊磨損，因此，提高經常失效部位的表面硬度是空冷器冷卻銅管的必經之路。然而對于單相組織的銅合金來說，不可能通過熱處理提升強、硬度，表面涂鍍層是增加耐磨壽命的最佳選擇。

再次，工況方面，空冷器冷卻管中長期通入未經過濾處理的河水，內部含沙量較高，其隨著流速的變化會對空冷器銅管造成不同現象的破壞。隨著流體速度的增加，壁面的剪切應力也隨之呈指數關系增加。隨著流體流速的增加90°彎管的最大沖蝕速率也增加，沖蝕速率增大的原因是流體攜帶固體顆粒對管壁進行碰撞，流速越大，顆粒對管壁的碰撞力越強，管壁因顆粒切削損失的金屬量也隨之增加，因而管壁的沖蝕增大。另外，冷卻水中顆粒直徑對沖蝕有著直接影響，隨著固體顆粒直徑的增加，彎管的最大沖蝕速率整體是增加的趨勢，當固體顆粒直徑小于300 μm 時，隨著固體顆粒直徑增加，沖蝕速率增加較緩慢；當固體顆粒直徑大于300 μm 時，隨著固體顆粒直徑的增加，沖蝕速率增加速度較快，固體顆粒對壁面的沖蝕作用強度增大，沖蝕速率隨之快速增加。流體流向對銅管也有著沖蝕影響，流體流向主要影響的最大沖蝕影響部位，在相同工況條件下主要原因是重力對固體顆粒作用力造成固體顆粒對管壁的碰撞作用力增強，沖蝕作用加強[7-9]。

最后，運行與維護方面。通常對于承壓設備或者管路系統，都會安裝壓力報警裝置，這樣會在如泄漏導致的壓力不穩情況出現后第一時間反饋故障。該機組運行到3 個月時，便檢查發現2 只空冷器銅管出現穿孔、漏水現象。為了保障機組安全，可考慮在空冷器承管板上設置泄漏槽孔并連通液位報警裝置，將報警信號送至監控系統，當發生泄漏時能第一時間發現并采取有效措施，避免事件進一步擴大。同時，運維人員應重點加強汛期空冷器運行巡視檢查，及時發現設備隱患。另外，空冷器承管板與冷卻銅管采用脹接的方式進行連接，翅片疊片與銅管采用脹接的方式，如需更換受損銅管，銅管不能直接從承管板中抽出，需把承管板、銅管和翅片全部進行拆解，拆解后均不能繼續使用。該類空冷器作為一整體結構，出現故障后不易更換局部零部件，動輒整體更換，維護成本高。

通過上述分析，建議在空冷器設計、運行時應從以下5 個方面進行提升和完善：①設計時通過流體有限元分析軟件fluent 計算冷卻管內流場的分布規律，同時預估是否存在湍流風險，對脹管處結構進行優化，評估過渡位置的應力集中情況；②對脹管附近區域進行表面防護，主要通過涂鍍方式增加其耐磨性能；③運行時降低外來風險，即降低流體含沙量和控制沙粒等硬物的尺寸，可通過增加過濾裝置實現；④在制造過程中，除前述過濾外，考慮在空冷器入水口端增加遮擋裝置，避免流水直接進入冷卻管，對脹管過渡位置形成高速沖擊；⑤在運行維護中，一方面增加泄漏報警裝置，第一時間獲取泄漏信息，避免造成其他設備損壞，影響機組正常運行；另一方面對易出現泄漏問題的區域，可探索局部更換冷卻管的連接方式，避免整體更換造成的資源浪費和成本增加。