水輪機過流部件抗磨蝕新技術

1、水輪機過流部件抗磨蝕新技術    摘要：針對河北省引水式電站水輪機磨蝕嚴重問題，應用非金屬抗磨材料涂層防護水輪機過流部件效果明顯，并推廣應用取得了顯著經濟效益。 關鍵詞：水輪機抗磨蝕過流部件   河北省小水電站基本分兩種類型：一類為原有水利工程配套而建設的壩后式電站和灌渠上的電站；第二類是河道引水式電站。第一類電站水質好、水流清澈；第二類引水式電站存在水質差、雜物多、泥沙含量大等問題。加上近年來生態(tài)環(huán)境惡化，水土流失加劇及建設初期考慮泥沙磨蝕問題不夠充分，所以引水式電站水輪機泥沙磨蝕問題愈演愈烈。這個嚴重的問題就擺在了我們面前。 1河北省引水式

2、電站磨蝕現(xiàn)狀 1.1引水式電站分布情況 河北省水利系統(tǒng)單機500kW及以上電站51座，水輪發(fā)電機組總臺數(shù)130臺，裝機161.862MW，2000年發(fā)電量20.844GWh，其中河道引水式電站26座，占50.9%，水輪發(fā)電機組總臺數(shù)70臺，占53.8%，總裝機60.202MW，占37%，2000年發(fā)電量114.80GWh，占55%。分布在漳河、滹沱河、唐河、沙河、拒馬河、潮白河、灤河干流及主要支流上。 這些電站所處河流均是河北省挾帶泥沙較嚴重的河流，如漳河多年平均輸沙量為2580萬噸，唐河多年平均輸沙量為180萬噸，這些河流上的水電站無一例外地存在著水輪機磨蝕問題。 隨著小水電建設步伐的加快，

3、全省500kW及以上電站中引水式電站所占比例越來越大，見表1。 表1河北省500kW及以上引水式電站發(fā)電量簡況    年份    1989    1990    1993    1997    500kW及以上電站發(fā)電量(GWh)    192.856    204.449

4、60;   161.637    362.52    引水式電站發(fā)電量(GWh)    59.524    83.2939    71.02    164.07    引水式電站發(fā)電量所占比重(%)    30.86   

5、; 40.74    43.97    55.26 因此，解決水輪機磨蝕問題更成為當務之急。 1.2紫荊關梯級水電站磨蝕現(xiàn)狀 紫荊關梯級水電站位于河北省易縣城西40km的紫荊關鎮(zhèn)，建設在跨流域引水的紫荊關五一引水渠道上，五一引水渠是將拒馬河水引入建在中易水河上游的安格莊水庫中。渠首建一座橡膠壩，在春夏秋三季為無壩引水，冬季用橡膠壩蓄水，以防止冰凌阻水影響發(fā)電。五一引水渠長度8.5km，設計最大引水能力25m3/s，總落差354m，規(guī)劃分六級開發(fā)，已投入運行的電站有四座，總裝機11.140MW，設計年發(fā)電量

6、47.09GWh。 拒馬河多年平均挾沙量為2.92kg/m3，多年平均輸沙量91.3×108萬噸，多為推移質、顆粒粗，粒徑d50=1mm，硬度大，大部分為石英，磨損力強。因近年來天旱少雨，汛期引水流量也達不到電站滿發(fā)，用水流量小，影響渠首沉沙池及各站沉沙池排沙效果，因此造成污期過機泥沙量大，加上各站機組安裝高程均為+Hs，造成空蝕、磨損聯(lián)合作用；機組轉速高，水流流速大，加劇了水輪機過流部件的磨蝕破壞。 水輪機轉輪磨損嚴重，出力降低，各站水輪機均按清水河流條件設計，Hs選擇均為正值，在泥沙河流中易產生空蝕、磨損聯(lián)合作用，轉輪破壞形成魚鱗坑，葉片背面呈海錦狀蜂窩麻面，葉片厚度變薄，出水邊

7、成鋸齒狀破壞，每年至少修補12次，因修型不佳，葉片變型，使水輪機水能效率降低，達不到額定出力，直至轉輪報廢。以紫荊關一級水電站為例：1994年10月投產至1998年底，三年多時間更換了9個轉輪，平均一年一臺機組用一個轉輪。磨損使水輪機水力效率降低，出力不足，檢修工作量加大，檢修周期縮短，檢修時間延長。 水輪機前后抗磨板磨損嚴重，泥沙磨蝕使水輪機迷宮間隙增大，容積效率降低。紫荊關五級水電站1993年投產1#機兩年后拆開檢修，下抗磨板迷宮間隙由原0.50.7mm，變?yōu)?214mm，容積效率大大降低，且導葉軸孔處有磨蝕溝槽，上抗磨板雖比下抗磨板略輕，但水輪機頂蓋磨損嚴重，主軸密封漏水量增大。紫荊關五

8、級水電站投運5年后，1#、2#機更換下抗磨板各一套，三臺機頂蓋磨損得都近乎穿孔，難以用常規(guī)方法修復。紫荊關一級水電站1994年投產，1997年汛期曾發(fā)生頂蓋穿孔。 磨蝕不但使水輪機導水葉端面與上下抗磨板漏水嚴重，同時呈溝槽鋸齒狀立面磨損，使導水葉變薄，間隙增大，也導致了嚴重漏水，使水輪發(fā)電機組關機時間延長不能正常停機。紫荊關五級水電站1#機運行兩年后，關機時間是正常關機時間的3倍，以至于運行人員不得不外加磨擦力幫助機組停機。再者水輪機主軸密封漏水沿主軸噴向水輪機推力軸承，致使推力軸瓦進水，引起燒瓦事故。水輪機錐管、補氣架、固定導葉等過流部件也有不同程度魚鱗坑狀磨損。 2磨蝕引起的問題及造成的損

9、失 2.1磨蝕破壞造成水輪機效率降低，發(fā)電量減少 水輪機磨蝕破壞后水輪機水能效率、容積效率及機械效率大幅度降低，紫荊關三級水電站，經噴涂保護后水輪機效率提高10%左右，以1999年為例，由于泥沙磨蝕造成的直接電量損失就有1.28GWh之多。全省達17.18GWh。直接經濟損失1169.75萬元(包括配件開支及材料、人工費等)。 2.2磨蝕破壞威脅水輪機組安全運行 水輪機磨蝕破壞使水輪機組振動加劇，關機時間延長，漏水嚴重等問題都直接威脅水輪機組的安全運行，紫荊關一級水電站1997年污期發(fā)生頂蓋穿孔故障，如不及時處理將會發(fā)展成水淹廠房事故，水輪機磨蝕問題必須解決以保障水電站安全運行。 2.3磨蝕破

10、壞造成運行成本增加，電站經濟效益下降 水輪機磨蝕破壞除了使電站發(fā)電量下降、安全性能降低外還增加電站檢修工作量，檢修次數(shù)增加，檢修時間延長，縮短了檢修周期，使電站運行維護成本增加，電站經濟效益下降。 3過去采取水輪機抗磨蝕措施效果不明顯 由于水輪機過水部件的磨蝕給水電站的安全運行及經濟效益帶來巨大損害，如何防治水輪機空蝕一直是水電站運行中的一個重要技術難題。近年來，我們采取了各種抗磨蝕的技術措施，但效果都不十分理想。 (1)采用更換母體材料，提高抗磨蝕能力，效果不明顯，而且費用較高，紫荊關一級水電站由低碳鋼轉輪改換為鎳鉻不銹鑄鋼葉片轉輪，運行時間比原低碳鋼轉輪延長半年，但費用是原轉輪費用的2倍。

11、 (2)采用金屬噴焊技術，提高了轉輪葉片出水邊背面抗空蝕能力，由于工具限制，只能保護葉片背面，不能將整個轉輪保護，且加工過程中葉片熱變形和龜裂不易克服，加工難度大，工藝不好掌握，推廣應用困難。 (3)鑲襯輝綠巖鑄石技術，雖能增加固定的抗磨蝕能力，但由于加工工作量及鑲襯工作量大，受加工工具限制不易施工，應用困難。 (4)除上述措施外，還采用過加裝擾流板、加高尾水水位等抗磨蝕方法，但都是解決局部磨蝕問題，不能徹底解決水輪機磨蝕問題。 4采用水輪機過流部件抗磨蝕新技術的優(yōu)點 近年來與全國水輪機磨蝕試驗研究中心合作、試驗和應用推廣了幾種非金屬抗磨蝕新技術，其優(yōu)點與創(chuàng)新點在于：整體加工、消除局部變形；可

12、在復雜、窄小的轉輪流道中全方位的涂抹保護；在工件表層形成包衣替代過流部件的更換，延長過流部件使用時間；工藝簡單，易操作、費用低、易推廣。 5水輪機過流部件抗磨蝕新技術實驗過程 5.1水輪機過流部件抗磨蝕技術抗磨材料的篩選 根據(jù)五一渠輸沙量顆粒分析，見表2。對固定部件采用環(huán)氧金剛砂修補，常溫修補經過三級電站3#機組及五級電站4#機組實驗，發(fā)現(xiàn)抗磨蝕性能良好。但與水輪機母體材料粘接強度差、易剝落，一般運行36個月發(fā)生60%左右的剝落。根據(jù)現(xiàn)場實際，課題組決定采取加溫至50時施工，得到了良好效果。對轉動部件根據(jù)拒馬河挾沙情況，最先使用彈性橡膠涂層，經過實驗發(fā)現(xiàn)彈性橡膠在轉輪葉片負壓區(qū)粘接力弱，出現(xiàn)大

13、片剝離脫落，而此處正是空蝕最嚴重區(qū)域，隨后課題組經過研究決定改用復合尼龍保護。最后課題組經過反復實驗、研究、比較、篩選最后確定對水輪機固定部件采用中溫環(huán)氧金剛砂修補，轉動部件使用復合尼龍噴涂粉末保護。 5.2轉輪采用復合尼龍粉末噴涂 復合尼龍粉末為灰白色粉末，由高分子材料尼龍、環(huán)氧和多種添加劑經復合處理混合而成，既具有尼龍材料的耐磨、耐沖擊性能又兼?zhèn)洵h(huán)氧的優(yōu)異的粘接性能。粉末噴涂在表面經過噴沙處理加熱至200左右的轉輪上，粉末噴涂就熔融流平形成保護層，經固化成膜，具有優(yōu)良的耐磨蝕性能，其抗磨系數(shù)是30#鋼的23倍，耐磨蝕性能是30#鋼的1.5倍，粘接強度達60MPa以上，剪切強度35MPa，替

14、代工件表面抵御流體中泥沙顆粒及空蝕的破壞，從而使工件使用壽命延長，保證了使用期的效率，其施工工藝也比較簡單，首先將轉輪去油污后噴沙除銹露出金屬本體，并形成 表2五一渠沙樣篩分試驗表    一定毛糙度。用表面活性劑刷涂轉輪表面，以加強金屬與高分子材料的粘接力和界面防水性，然后在烘箱內加溫，使溫度達到200220后保溫3060分鐘，取出后用凈化的0.1M0.2MPa的壓縮空氣，通過專用噴槍，將裝在專用噴粉器內的復合粉末噴涂到轉輪表面并熔融流平，若一次噴涂厚度不足，可多次噴涂，最后在烘箱內保持180固化4560分鐘取出，完成全部工藝。復合尼龍粉沫噴涂工藝簡單、

15、易操作，只要空氣能流通之處均能涂復，適合于造型復雜、流道較小的中小水電機組轉輪，且施工時間短，1015分鐘即可噴涂一個轉輪，但對溫度控制要求嚴格。 5.3對水輪機固定部件采用環(huán)氧金剛砂涂層保護 環(huán)氧金剛砂由環(huán)氧樹脂為主體輔以多元醇縮水甘油醚為活性稀釋劑，加固化劑組成，其組成配方見表3。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的粘接力，并且施工工藝簡易，可在常溫下施工。在加溫至5060時與鋼鐵的粘接抗拉強度為40M60MPa。剪切強度為20M35MPa，加入剛性填料金剛砂后抗磨性能優(yōu)異，抗磨系數(shù)是30#鋼的2倍，耐磨蝕性能相當于30#鋼。其加工工藝是：工件去油污后經噴沙除銹露出金屬本體，并形成一定的毛糙度。用表面活性劑

16、刷涂需要涂復的工件表面，以強化粘結界面的粘接力和防水性，然后將工件加熱至50左右將環(huán)氧樹脂及活性劑、固化劑按比例攪拌均勻，呈乳棕色膠體狀，用刷子或刮板，涂復在所需修復工件的表面上作為基層；再將余下的部分按15重量比例加入金剛砂，充分拌合均勻成沙漿狀，用刮板或加熱后的抹刀涂復到基層上，充分壓平使表面光滑，達到要求的厚度?？刹捎贸?3天固化或處于50左右范圍內34小時固化后即可使用。 表3環(huán)氧金鋼砂涂層配方表    環(huán)氧樹脂    100%    (與環(huán)氧樹脂重量比) 

17、;   664    20%    (與環(huán)氧樹脂重量比)    偶聯(lián)劑    1%2%    (與環(huán)氧樹脂重量比)    固化劑    18%20%    (與環(huán)氧樹脂重量比)    硅粉  

18、;  30%40%    (與環(huán)氧樹脂重量比)    金鋼砂    500%左右    (與環(huán)氧樹脂重量比) 5.4有待改進的問題 通過以上實驗使用水輪機過流部件抗磨蝕新技術，推廣應用的主要難點是：施工過程中的溫度控制，溫度控制掌握的好壞直接影響保護效果的優(yōu)與劣。再有需改進的問題是：轉輪保護的復合尼龍保護層，修補技術不易掌握，修補處易剝落，現(xiàn)采取整只轉輪全部清除后再重新保護的方式。以上問題有待進一步研究改進。 6水輪機過流部件防護的效果及經濟效益 采用非金屬抗磨蝕材料保護轉輪工藝簡單易操作，可延長轉輪使用時間，葉型變化小，保證了轉輪高效率，并節(jié)省了大量資金，以易縣紫荊關一級水電站為例，投產一年報廢了3只轉輪，直接經濟損失3×412萬元。為了增強轉輪抗磨蝕能力，