水轮机过流部件抗磨蚀的新技术

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简介： 针对河北省引水式电站水轮机磨蚀严重问题，应用非金属抗磨材料涂层防护水轮机过流部件效果明显，并推广应用取得了显著经济效益。
关键字：水轮机　抗磨蚀　过流部件

　　河北省小水电站基本分两种类型：一类为原有水利工程配套而建设的坝后式电站和灌渠上的电站；第二类是河道引水式电站。第一类电站水质好、水流清澈；第二类引水式电站存在水质差、杂物多、泥沙含量大等问题。加上近年来生态环境恶化，水土流失加剧及建设初期考虑泥沙磨蚀问题不够充分，所以引水式电站水轮机泥沙磨蚀问题愈演愈烈。这个严重的问题就摆在了我们面前。 

　　1　河北省引水式电站磨蚀现状 

　　1.1　引水式电站分布情况 

　　河北省水利系统单机500kW及以上电站51座，水轮发电机组总台数130台，装机161.862MW，2000年发电量20.844GWh，其中河道引水式电站26座，占50.9%，水轮发电机组总台数70台，占53.8%，总装机60.202MW，占37%，2000年发电量114.80GWh，占55%。分布在漳河、滹沱河、唐河、沙河、拒马河、潮白河、滦河干流及主要支流上。 

　　　　这些电站所处河流均是河北省挟带泥沙较严重的河流，如漳河多年平均输沙量为2580万吨，唐河多年平均输沙量为180万吨，这些河流上的水电站无一例外地存在着水轮机磨蚀问题。 

随着小水电建设步伐的加快，全省500kW及以上电站中引水式电站所占比例越来越大，见表1。 

表1　河北省500kW及以上引水式电站发电量简况

年份

1989

1990

1993

1997

500kW及以上电站发电量(GWh)

192.856

204.449

161.637

362.52

引水式电站发电量(GWh)

59.524

83.2939

71.02

164.07

引水式电站发电量所占比重(%)

30.86

40.74

43.97

55.26

　　因此，解决水轮机磨蚀问题更成为当务之急。 

　　1.2　紫荆关梯级水电站磨蚀现状 

　　紫荆关梯级水电站位于河北省易县城西40km的紫荆关镇，建设在跨流域引水的紫荆关五一引水渠道上，五一引水渠是将拒马河水引入建在中易水河上游的安格庄水库中。渠首建一座橡胶坝，在春夏秋三季为无坝引水，冬季用橡胶坝蓄水，以防止冰凌阻水影响发电。五一引水渠长度8.5km，设计最大引水能力25m3/s，总落差354m，规划分六级开发，已投入运行的电站有四座，总装机11.140MW，设计年发电量47.09GWh。 

　　拒马河多年平均挟沙量为2.92kg/m3，多年平均输沙量91.3×108万吨，多为推移质、颗粒粗，粒径d50=1mm，硬度大，大部分为石英，磨损力强。因近年来天旱少雨，汛期引水流量也达不到电站满发，用水流量小，影响渠首沉沙池及各站沉沙池排沙效果，因此造成污期过机泥沙量大，加上各站机组安装高程均为+Hs，造成空蚀、磨损联合作用；机组转速高，水流流速大，加剧了水轮机过流部件的磨蚀破坏。 

　　水轮机转轮磨损严重，出力降低，各站水轮机均按清水河流条件设计，Hs选择均为正值，在泥沙河流中易产生空蚀、磨损联合作用，转轮破坏形成鱼鳞坑，叶片背面呈海锦状蜂窝麻面，叶片厚度变薄，出水边成锯齿状破坏，每年至少修补1～2次，因修型不佳，叶片变型，使水轮机水能效率降低，达不到额定出力，直至转轮报废。以紫荆关一级水电站为例：1994年10月投产至1998年底，三年多时间更换了9个转轮，平均一年一台机组用一个转轮。磨损使水轮机水力效率降低，出力不足，检修工作量加大，检修周期缩短，检修时间延长。 

　　水轮机前后抗磨板磨损严重，泥沙磨蚀使水轮机迷宫间隙增大，容积效率降低。紫荆关五级水电站1993年投产1#机两年后拆开检修，下抗磨板迷宫间隙由原0.5～0.7mm，变为12～14mm，容积效率大大降低，且导叶轴孔处有磨蚀沟槽，上抗磨板虽比下抗磨板略轻，但水轮机顶盖磨损严重，主轴密封漏水量增大。紫荆关五级水电站投运5年后，1#、2#机更换下抗磨板各一套，三台机顶盖磨损得都近乎穿孔，难以用常规方法修复。紫荆关一级水电站1994年投产，1997年汛期曾发生顶盖穿孔。 

　　磨蚀不但使水轮机导水叶端面与上下抗磨板漏水严重，同时呈沟槽锯齿状立面磨损，使导水叶变薄，间隙增大，也导致了严重漏水，使水轮发电机组关机时间延长不能正常停机。紫荆关五级水电站1#机运行两年后，关机时间是正常关机时间的3倍，以至于运行人员不得不外加磨擦力帮助机组停机。再者水轮机主轴密封漏水沿主轴喷向水轮机推力轴承，致使推力轴瓦进水，引起烧瓦事故。水轮机锥管、补气架、固定导叶等过流部件也有不同程度鱼鳞坑状磨损。 

　　2　磨蚀引起的问题及造成的损失 

　　2.1　磨蚀破坏造成水轮机效率降低，发电量减少 

　　水轮机磨蚀破坏后水轮机水能效率、容积效率及机械效率大幅度降低，紫荆关三级水电站，经喷涂保护后水轮机效率提高10%左右，以1999年为例，由于泥沙磨蚀造成的直接电量损失就有1.28GWh之多。全省达17.18GWh。直接经济损失1169.75万元(包括配件开支及材料、人工费等)。 

　　2.2　磨蚀破坏威胁水轮机组安全运行 

　　水轮机磨蚀破坏使水轮机组振动加剧，关机时间延长，漏水严重等问题都直接威胁水轮机组的安全运行，紫荆关一级水电站1997年污期发生顶盖穿孔故障，如不及时处理将会发展成水淹厂房事故，水轮机磨蚀问题必须解决以保障水电站安全运行。 

　　2.3　磨蚀破坏造成运行成本增加，电站经济效益下降 

　　水轮机磨蚀破坏除了使电站发电量下降、安全性能降低外还增加电站检修工作量，检修次数增加，检修时间延长，缩短了检修周期，使电站运行维护成本增加，电站经济效益下降。 

　　3　过去采取水轮机抗磨蚀措施效果不明显 

　　由于水轮机过水部件的磨蚀给水电站的安全运行及经济效益带来巨大损害，如何防治水轮机空蚀一直是水电站运行中的一个重要技术难题。近年来，我们采取了各种抗磨蚀的技术措施，但效果都不十分理想。 

　　(1)　采用更换母体材料，提高抗磨蚀能力，效果不明显，而且费用较高，紫荆关一级水电站由低碳钢转轮改换为镍铬不锈铸钢叶片转轮，运行时间比原低碳钢转轮延长半年，但费用是原转轮费用的2倍。 

　　(2)　采用金属喷焊技术，提高了转轮叶片出水边背面抗空蚀能力，由于工具限制，只能保护叶片背面，不能将整个转轮保护，且加工过程中叶片热变形和龟裂不易克服，加工难度大，工艺不好掌握，推广应用困难。 

　　(3)　镶衬辉绿岩铸石技术，虽能增加固定的抗磨蚀能力，但由于加工工作量及镶衬工作量大，受加工工具限制不易施工，应用困难。 

　　(4)　除上述措施外，还采用过加装扰流板、加高尾水水位等抗磨蚀方法，但都是解决局部磨蚀问题，不能彻底解决水轮机磨蚀问题。 

　　4　采用水轮机过流部件抗磨蚀新技术的优点 

　　近年来与全国水轮机磨蚀试验研究中心合作、试验和应用推广了几种非金属抗磨蚀新技术，其优点与创新点在于：①整体加工、消除局部变形；②可在复杂、窄小的转轮流道中全方位的涂抹保护；③在工件表层形成包衣替代过流部件的更换，延长过流部件使用时间；④工艺简单，易操作、费用低、易推广。 

　　5　水轮机过流部件抗磨蚀新技术实验过程 

　　5.1　水轮机过流部件抗磨蚀技术抗磨材料的筛选 

　　根据五一渠输沙量颗粒分析，见表2。对固定部件采用环氧金刚砂修补，常温修补经过三级电站3#机组及五级电站4#机组实验，发现抗磨蚀性能良好。但与水轮机母体材料粘接强度差、易剥落，一般运行3～6个月发生60%左右的剥落。根据现场实际，课题组决定采取加温至50℃时施工，得到了良好效果。对转动部件根据拒马河挟沙情况，最先使用弹性橡胶涂层，经过实验发现弹性橡胶在转轮叶片负压区粘接力弱，出现大片剥离脱落，而此处正是空蚀最严重区域，随后课题组经过研究决定改用复合尼龙保护。最后课题组经过反复实验、研究、比较、筛选最后确定对水轮机固定部件采用中温环氧金刚砂修补，转动部件使用复合尼龙喷涂粉末保护。 

　　5.2　转轮采用复合尼龙粉末喷涂 

　　复合尼龙粉末为灰白色粉末，由高分子材料尼龙、环氧和多种添加剂经复合处理混合而成，既具有尼龙材料的耐磨、耐冲击性能又兼备环氧的优异的粘接性能。粉末喷涂在表面经过喷沙处理加热至200℃左右的转轮上，粉末喷涂就熔融流平形成保护层，经固化成膜，具有优良的耐磨蚀性能，其抗磨系数是30#钢的2～3倍，耐磨蚀性能是30#钢的1.5倍，粘接强度达60MPa以上，剪切强度35MPa，替代工件表面抵御流体中泥沙颗粒及空蚀的破坏，从而使工件使用寿命延长，保证了使用期的效率，其施工工艺也比较简单，首先将转轮去油污后喷沙除锈露出金属本体，并形成 

表2　五一渠沙样筛分试验表

　　一定毛糙度。用表面活性剂刷涂转轮表面，以加强金属与高分子材料的粘接力和界面防水性，然后在烘箱内加温，使温度达到200～220℃后保温30～60分钟，取出后用净化的0.1M～0.2MPa的压缩空气，通过专用喷枪，将装在专用喷粉器内的复合粉末喷涂到转轮表面并熔融流平，若一次喷涂厚度不足，可多次喷涂，最后在烘箱内保持180℃固化45～60分钟取出，完成全部工艺。复合尼龙粉沫喷涂工艺简单、易操作，只要空气能流通之处均能涂复，适合于造型复杂、流道较小的中小水电机组转轮，且施工时间短，10～15分钟即可喷涂一个转轮，但对温度控制要求严格。 

　　5.3　对水轮机固定部件采用环氧金刚砂涂层保护 

　　环氧金刚砂由环氧树脂为主体辅以多元醇缩水甘油醚为活性稀释剂，加固化剂组成，其组成配方见表3。环氧树脂具有优异的粘接力，并且施工工艺简易，可在常温下施工。在加温至50～60℃时与钢铁的粘接抗拉强度为40M～60MPa。剪切强度为20M～35MPa，加入刚性填料金刚砂后抗磨性能优异，抗磨系数是30#钢的2倍，耐磨蚀性能相当于30#钢。其加工工艺是：工件去油污后经喷沙除锈露出金属本体，并形成一定的毛糙度。用表面活性剂刷涂需要涂复的工件表面，以强化粘结界面的粘接力和防水性，然后将工件加热至50℃左右将环氧树脂及活性剂、固化剂按比例搅拌均匀，呈乳棕色胶体状，用刷子或刮板，涂复在所需修复工件的表面上作为基层；再将余下的部分按1∶5重量比例加入金刚砂，充分拌合均匀成沙浆状，用刮板或加热后的抹刀涂复到基层上，充分压平使表面光滑，达到要求的厚度。可采用常温2～3天固化或处于50℃左右范围内3～4小时固化后即可使用。 

表3　环氧金钢砂涂层配方表 

环氧树脂

100%

(与环氧树脂重量比)

664

20%

(与环氧树脂重量比)

偶联剂

1%～2%

(与环氧树脂重量比)

固化剂

18%～20%

(与环氧树脂重量比)

硅粉

30%～40%

(与环氧树脂重量比)

金钢砂

500%左右

(与环氧树脂重量比)

　　5.4　有待改进的问题 

　　通过以上实验使用水轮机过流部件抗磨蚀新技术，推广应用的主要难点是：施工过程中的温度控制，温度控制掌握的好坏直接影响保护效果的优与劣。再有需改进的问题是：转轮保护的复合尼龙保护层，修补技术不易掌握，修补处易剥落，现采取整只转轮全部清除后再重新保护的方式。以上问题有待进一步研究改进。 

　　6　水轮机过流部件防护的效果及经济效益 

　　采用非金属抗磨蚀材料保护转轮工艺简单易操作，可延长转轮使用时间，叶型变化小，保证了转轮高效率，并节省了大量资金，以易县紫荆关一级水电站为例，投产一年报废了3只转轮，直接经济损失3×4＝12万元。为了增强转轮抗磨蚀能力，将转轮叶片材质由低碳钢改为不锈钢，每只造价增加2万元，每年投入3×6＝18万元，且效果也不明显，采用非金属涂层保护后，每年只需1万元投入即可保证转轮母体不磨损不破坏。 

　　固定部件采用环氧金钢砂涂抹简易快捷，效果良好，延长机组顶盖及上、下止漏环使用寿命，基本保证了水轮机迷宫间隙，减少了漏水量，提高了水轮机容积效果10%～20%，极大地降低了检修成本(为一般常规修复的1/100左右)。缩短检修时间2/3左右。 

　　若推广到全省的河道引水式水电站中，每年可增发电量17.18GWh，从而增加直接经济收入1169.7万元。因此，若能将这一新技术得到普遍应用，将能取得十分显著的经济效益。