葛洲壩電廠水輪機過流部件磨蝕與防護回顧

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 王建忠 塗陽文 王茂
上傳時間:2006/2/16 11:49:00

摘要:葛洲壩電廠水輪機過流部件的磨蝕是泥沙磨損和空蝕聯合作用結果。從1989年開始篩選出適宜葛洲壩電廠水輪機過流部件的抗磨蝕塗層——環氧金剛砂,塗後在葛洲壩電廠水輪機過流部件上的應用是成功的,同時也要認識到還要進一步探索和研究,解決水電廠的這個老大難問題。

關鍵詞:水輪機 過流部件 磨蝕 環氧金剛砂 塗料 防護

1 前言

  葛洲壩樞紐是1970年代在長江幹流上興建的第一座集航運、發電、於一體的綜合性大型水利樞紐工程,葛洲壩水電站是樞紐的主要組成部分,是三峽水電站的反調節電站,設計裝機21臺,總裝機容量2715MW。從1981年工程開始發揮效益以來,機組已實現安全運行23年。

  電站年平均流量14300m3/s,年平均水量4529m3,最小入庫流量2900 m3/s,多年平均含沙量為1.2 kg/m3,最大含沙量10.5kg/m3,年輸沙量5.26億噸,總庫容15.7m3。大江電站裝機14臺,裝機容量1750MW;二江電站裝機7臺,裝機容量965MW,分別由原哈爾濱電機廠與東方電機廠設計、制造其水輪機技術參數如表1

葛洲坝电厂水轮机过流部件磨蚀与防护回顾
  葛洲壩樞紐大壩的壩軸線中部布置泄水閘兩測是大江和二江電站電站的兩外側為大江和二江船閘。由於葛洲壩電站位於南津關彎道的下段,在彎道環流作用下,泥沙產生橫向位移,底層含沙量大、粒徑粗的泥沙向凸岸右側運動,表層清水向凹岸二江一側運動,過機泥沙粒徑大小的分布與過機泥沙含量的分布成正比,愈靠右岸的機組,過流部件的磨蝕愈嚴重,過機含沙量和粒徑分布規律是:二江小而細大江大而粗二江電站的含沙量為斷面(宜昌)平均值的0.94~0.98,18#1.37,21#1.6倍。過機泥沙粒徑18#為二江的1.2~2.0,21#1.2~2.9倍。最大粒徑達0.62mm,單機年過沙量在1500萬噸左右。為了提高水輪機過流部件的抗氣蝕性能和抗磨損能力,葉片材料采用0Cr13Ni4-6Mo不銹鋼鑄造,中環采用不銹鋼材料,8#~21#機下環還增設900mm的不銹鋼段。

2
過流部件的磨蝕情況

  葛洲壩電廠水輪機的磨蝕與國內多泥沙河流水電廠同類機組具有共同的特點,即含沙量愈大,硬度愈硬,沙粒愈粗運行時間愈長,磨蝕愈嚴重。過流部件的磨蝕是泥沙磨損和空蝕聯合作用的結果,具體情況如下:

2.1
轉動部件的磨蝕

2.1.1
葉片的磨蝕

  葛洲壩電廠水輪機葉片材質選用抗磨蝕性能優良的OCr13Ni4-5Mo(125MW機組)OCr13Ni6Mo(170MW機組)鑄造而成但磨蝕依然存在。其進水邊愈靠外緣磨損愈重,頭部外緣磨損十分驚人,曾在15#機葉片上鉆孔試驗,運行近40000小時,頭部外緣磨損不小於16mm,厚度僅正面就磨損2.4mm。葉片出水邊的磨損狀況與進水邊相似也是愈靠外緣磨損愈重,出水邊外緣磨損特別嚴重,3#機運行60000小時後出水邊厚度減少不小於的13 mm20#機運行24000的小時厚度減少21mm運行近38000小時葉片與轉室的間隙難以測量,葉片外緣端面200mm×70mm×60mm穿透性磨蝕坑幾乎連成片被迫利用中環進人孔盤車補焊磨蝕破壞部位。19#~21#運行80000小時葉片外緣磨蝕和背面啃邊十分嚴重,在葉片采取了防護措施的條件下,其出水邊外緣圓角已不復存在外緣形同狼牙狀的利刃”,部分已穿孔。1999年底,20#機擴大性大修,更換了五個帶裙邊的不銹鋼新葉片,葉片與裙邊是整鑄經機加工而成,運行不到20000小時,裙邊磨蝕嚴重,下端厚度由原來的15mm成為利刃,根部厚度40mm局部蝕穿不得已對部分裙邊修型。葉片與轉輪室單邊間隙逐年增大,1#~7#機以0.3mm/年增加,8#~21#機以0.76~1.12 mm/年增加,且背面吊孔處1000mm×250mm是其強氣蝕區,磨蝕嚴重;葉片外緣背面啃邊在其轉動中心線處最嚴重離中心線愈遠啃邊相對較輕。

2.1.2
輪體、連接體、泄水錐的磨蝕

  轉輪體的材質為ZG20MnSi,連接體、泄水錐的材質為碳素鋼焊接而成,由於其相對流速不大因此磨損是其破壞的主要形式。以5#機為例,運行26345小時,發現其表面布滿了魚鱗坑,這些魚鱗坑與相對流速方向相同,多數深度小於0.6mm,少數深度在0.6~1.5mm之間,其4#葉片下轉輪體上原補焊的兩個焊疤,軸向焊疤高出表面2.9mm,周向焊疤高出表面1.5~2.1mm不等。隨著運行小時的增加,魚鱗坑增大加深,磨損加劇。

2.2
固定部件的磨蝕

2.2.1
轉輪室的磨蝕

  葛洲壩電廠水輪機的轉輪室的磨蝕是比較典型的,兩臺170 MW機組中環的材質分別為0Cr131Cr18Ni9Ti,基礎環、下環的材質為碳素鋼,運行21000小時,1#機中環、下環就出現了局部磨蝕,進行了局部補焊打磨處理;運行近120000小時,中環局部材料整塊剝落0.4m2,其混凝土基礎也被掏空,中環局部厚度僅有4mm,只得將脫落部位鑲嵌不銹鋼板,並對中環實施大面積灌漿處理。3#~6#水輪機中環材質為1Cr18Ni9Ti7#機為0Cr13Ni5Mo,下環的材質均為碳素鋼,由於中環與下環的連接不是光滑過渡,而是中環高出下環7~10mm,致使下環出現嚴重的磨蝕破壞,在中環與下環聯接法蘭的圓周表面上,高120~150mm範圍內均出現蜂窩狀氣蝕,最深達55mm,迫使每次機組大修時用不銹鋼焊條向下堆焊200mm左右的過渡層。8#~21#水輪機中環材質與3#~6#機相同,下環汲取了3#~7#機的經驗教訓,向下延伸了900mm的不銹鋼段,其余為碳素鋼,在新機組投產運行8000小時左右鑒定性大修中,中環中上部圓周內有少量魚鱗坑,下環表面均布滿較淺的魚鱗坑。在運行了40000小時左右時,整個過流部件上均布滿了0.5~1.5mm深的魚鱗坑,且在下環的喉管處(球面與錐面的過渡部位)300mm左右的高度內存在一個明顯的磨損帶,形同沖擊出的沙灘帶,磨損十分嚴重。在運行了100000小時左右時,中環的磨損已十分嚴重,20#機中環經鉆孔測量其厚度僅有15mm,比設計加工的25mm減少了10mm,即中環的年磨損量不小於0.71mm

2.2.2
活動導葉的磨蝕

  活動導葉無明顯的磨蝕痕跡;運行60000小時左右時,立面密封下部鴿尾槽磨蝕,高80mm,呈正八字形,下部密封條無法固定,導葉下端面出現蜂窩狀氣蝕破壞,深度達20~30mm,下端面出水角部分缺損;運行大於100000小時,除導葉下端面和出水角磨蝕面積增大外,下軸頸過渡球面局部磨蝕,由於導葉表面已進行抗磨蝕材料保護,因此,表面無明顯的磨蝕痕跡。

2.2.3
其它部位的磨蝕

  底環、固定導葉與下部護板,支持蓋中、下段外側,在機組運行的初期,磨損不明顯,僅局部有較淺的魚鱗坑。隨著運行時間的延長,底環上止漏密封內側至圓弧表面磨蝕嚴重,出現溝槽,底環外圓與座環基礎內圓接縫處間隙隨運行時間的增加越來越大,以1#2#機最為明顯,已達20~45mm。固定導葉與基礎護板,支持蓋中、下段外側,蝸殼進人門內側已布滿了魚鱗坑,深淺不一,磨損已相當嚴重,均在運行大於60000小時後的機組大修中采用抗磨蝕材料進行了保護。

免費論文下載中心 http://www.hi138.com 3 過流部件防護情況

  葛洲壩電廠運行初期,水輪機過流部件的磨蝕研究大多是試驗室結論,需要通過實踐來檢驗。因此,從第一臺機組投運開始,對水輪機過流部件的磨蝕破壞問題就十分重視在科研院所的支持下,尋找防護水輪機過流部件的金屬與非金屬材料,以減緩其磨蝕破壞的速度,延長機組的檢修期,縮短檢修時間。

  (1)19833月,在3#機轉輪體和中環上塗刷兩塊環氧砂漿進行抗磨試驗,經30000小時運行,塗層被沖掉;同年7月,在2#2#葉片上進行0Cr18Ni6Mo三相焊條和0Cr13Ni6Mo母材焊條進行補焊試驗,19842月檢查,0Cr13Ni6Mo母材焊條效果良好。

  (2)19848月,在7#機葉片正面吊孔蓋板上塗刷鎳保護層運行20000小時,停機檢查,已無蹤跡。

  (3)19862月,在5#機轉輪體、葉片、中環部位分別噴焊一小塊鎳基Ni1Ni2Ni3金屬粉末保護層,在進水邊塗刷蓖麻油型互穿網絡高分子保護層,運行22000小時,經檢查轉輪體上殘存部分Ni3噴焊層,2#葉片正面進口外緣噴焊的650×180Ni1已龜裂,用錘子敲擊可使其脫落,中環上噴焊的Ni2已無痕跡;塗刷的蓖麻油型互穿網絡高分子保護層被沖掉;1987年在3#機和2#機過流部件上大面積塗刷該保護層,厚度0.1~0.2mm,運行8000小時在底環和導葉上還存在薄膜痕跡,運行20000多小時後被沖掉。

  (4)19872月,長委會科研所在9#機葉片上用抗磨塗層冷態環氧8021塗在葉片吊孔及出水邊外緣正面機組運行20000多小時塗層全部沖掉,保護作用不明顯。

  (5)19884月,在1#機葉片正面、輪轂、連接體、泄水錐、活動導葉、底環、基礎環、下環等過流部件塗了環氧金剛砂塗料保護層,分別運行4600小時、12300小時、15000小時檢查,除葉片正面進水邊頭部、出水邊外緣和基礎環上部連接縫一周高100mm脫落外,其余均起到了保護過流部件的作用。

  (6)19893月,國內七個科研院所,在20#機過流部件上進行多種抗磨蝕材料的對比試驗。天津勘測設計院水科所的雙層次尼龍、聚氨脂橡膠片、復合樹脂砂漿;西安黃河機器廠的HH896-1環氧砂漿;黃委會水科所的S-80美國聚氨脂橡膠;蘭州電力修造廠的Ni57Ni50A金屬粉沫噴焊;冶金部鋼鐵研究總院的金屬陶瓷帖片;中科院金屬研究院的不銹鋼焊條、鈦合金帖片等。運行17919小時後,1992年初停機檢查,發現過流部件遭受到最為嚴重的破壞,對比試驗的抗磨蝕材料幾乎全部剝落。由於多種抗磨蝕材料的附著力不同,在運行中剝落的時間有差異,葉片正、背面從進水邊至出水邊,從葉片根部至外緣,大大小小的蝕坑形同梯田,局部蝕坑60mm×35mm;轉輪體上同時出現了一些蝕坑,局部40mm×20mm,迫使對其過流部件進行全面地環氧金剛砂修復與防護,並在1999年將五個葉片全部更換。

  (719923月,北京中山公司在20#3#葉片背面和9#4#葉片正面進行了美國超能強化DP.DL抗磨塗層試驗,其它八個葉片全部塗敷黃委會水科院的環氧金剛砂塗層,運行約6000小時檢查,20#機的美國塗層全部剝落環氧金剛砂塗層保留90%以上;9#機美國塗層保留近90%,環氧金剛砂塗層完好無損。

  (8199611月,在16#4個葉片的頭部正背面進行兩種彈性體材料(聚氨脂類)的抗磨蝕試驗,運行約25000小時(一個大修期)停機檢查,葉片背面米色彈性體材料剝落,正面雖已剝落,但未磨損,估計剝落時間不長;葉片背面茶色彈性體材料剝落50%,正面完好。

  (91997年,在20#機和21#機中環上用環氧金剛砂塗層作基礎,表面塗敷彈性體材料(聚氨脂類),運行約6000小時(1年)後幾乎全部剝落,僅在中環上部殘存少許。

  (10200112#機更換下來的葉片上進行高速火焰噴塗裙邊和葉片背面外緣300mm的碳化鎢材料2002年安裝在15#機上;2001年底,在18#機進行了相同的試驗,效果待定。

  通過上述試驗,從1989年開始篩選出適宜葛洲壩電廠水輪機過流部件的抗磨蝕塗層,即黃委會水科院、全國水力機械抗磨損研究試驗總站二個單位研制的、獲國家發明獎的環氧金剛砂塗層。該塗層抗磨蝕效果顯著,價格便宜,簡單,可在轉輪室內大面積塗敷,其塗層在固定部件和轉輪體上的四年保留量不小於90%,對葉片背面的保護效果不理想,約80%左右,主要是葉片背面強汽蝕區的四年保留量為零。因此,轉輪室中環和葉片背面外緣的保護是目前需要解決的問題。

4
幾點看法

  隨著三峽水庫2003610蓄水至135m高程,上遊河道加寬,水流速度減慢,含泥沙量已明顯減少,葛洲壩電廠的水輪機運行條件得到改善,過流部件的磨損破壞速度得到緩解。但應清楚地看到:三峽水庫是蓄清排渾,在夏季仍然要將滯留在庫內的泥沙排至葛洲壩水庫,水輪機磨蝕依然存在,其磨蝕特點將會發生發變化,抗磨蝕措施需相應調整。

  (1)葛洲壩電廠的機組已運行二十多年,其過流部件固定部分的壁厚已減薄,更換難度大,需要科研部門研制適應低水頭、大流量、附著力大、現場可操作性強的抗磨蝕材料來延長其使用壽命,尤其是要延長中環的使用壽命。

  (2)葉片外緣端面、背面的啃邊、出水邊外緣圓角除修正翼型以外,應研制轉輪不吊出機坑的有效、實用的處理措施。

  (3)抗磨蝕塗層在真機上試驗應謹慎,不要在同一個部件上進行兩種或兩種以上材料的試驗;沒有經過中間試驗就在大型機組上作大面積的試驗是不可取的,其代價也是昂貴的。

  (4)環氧金剛砂塗層等防護材料的配方、施工工藝、質量標準應科學、規範,有一套完備的標準化體系,即有一套完整的質量保證體系,以保證該工藝措施健康的發展和不斷創新。

  環氧金剛砂塗層在葛洲壩電廠水輪機過流部件上的應用是成功的。15年來,全廠21臺機組在大修中均采用環氧金剛砂塗層對過流部件進行保護,延長了水輪機的使用壽命,縮短了檢修時間。但是,也清楚地認識到:環氧金剛砂塗層不是萬能的,對葉片背面的保護有限,尤其葉片外緣背面強氣蝕區和轉輪室中環最需要防護的部位還不能湊效,需要進一步探索和研究,以完善其抗磨蝕性能,解決水電廠的這個老大難問題。
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參考文獻


[1] 李品炎.葛洲壩二江電廠水輪發電機組運行與維護.葛洲壩電廠發電十周年.

[2] 李品炎.葛洲壩水電廠站水輪機磨蝕與維護.水機磨蝕論文集.1997.

[3] 鄭滿軍.葛洲壩電廠水輪機磨蝕與防護.第十二次中國水電設備學術討論會論文集.

[4] 張慶霞.環氧塗層和美國塗層在葛洲壩應用比較.水機磨蝕論文集.1995.□(編輯:柳向陽)
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