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混流式水輪機(jī)磨蝕與防護(hù)措施研究

文檔作者：陽(yáng)莉李延頻陳德新文檔來(lái)源：華北水利水電學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月14日
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第32卷第12期
2010年12 J】
人民
YELLOW
黃河
RIVER
Vo1．32．No．12
DCC．，2010
【水利水電工程】
混流式水輪機(jī)磨蝕與防護(hù)措施研究
陽(yáng) 莉，李延頻，陳德新
(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450011)
摘要：混流式水輪機(jī)磨蝕嚴(yán)重的部位是葉片背面出口邊靠近下環(huán)處、下環(huán)內(nèi)外表面等。根據(jù)黃河水流的特性和對(duì)磨蝕
規(guī)律的分析，水輪機(jī)的磨蝕防護(hù)一般采取聚氨酯涂層防護(hù)、高速氧燃噴漆碳化鎢防護(hù)、優(yōu)化轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)、減少過(guò)機(jī)泥沙等綜
合措施，取得了一定的效果
關(guān)鍵詞： 混流式水輪機(jī)；水輪機(jī)磨蝕；防護(hù)措施
中圖分類(lèi)號(hào)：TK730．8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B doi：10．3969／j．issn．1000—1379．2010．12．091
黃河是世界上含沙量最大的河流，平均含沙量為37．5 kg／
m ，因此黃河上水電站水輪機(jī)泥沙磨蝕較為嚴(yán)重。較早投產(chǎn)的
龍羊峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤(pán)峽、青銅峽、天橋和三門(mén)峽7座大
中型水電站，有混流式水輪機(jī)18臺(tái)，水頭為38～100 m，水輪機(jī)
比轉(zhuǎn)速為】9O一241 m ·kW，屬于中高比速的混流式水輪機(jī)。
水輪機(jī)的類(lèi)型不同，磨蝕的部位和強(qiáng)度以及相應(yīng)的防護(hù)措施也
不相同，筆者著重分析了混流式水輪機(jī)的泥沙磨蝕及防護(hù)
技術(shù)
1 混流式水輪機(jī)磨蝕的特點(diǎn)
1．1 葉片的磨蝕
混流式水輪機(jī)葉片的磨蝕通常發(fā)生在葉片正面和背面，以
葉片進(jìn)口邊背面靠近下環(huán)轉(zhuǎn)彎處及正面出水邊靠近下環(huán)處最
為嚴(yán)重。鹽鍋峽水輪機(jī)葉片進(jìn)口邊背面靠近下環(huán)轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)
了大而深的凹坑，坑深30～50 mill，連成片。葉片背面均有磨
蝕，表現(xiàn)為上輕下重，下部靠近下環(huán)寬約400 mm范圍內(nèi)嚴(yán)重磨
蝕，原抗磨層已全部磨去，出現(xiàn)大量順?biāo)鞣较虻臏喜?，槽?
10～20 mm，個(gè)別地方已磨穿，葉片出水邊已磨蝕成鋸齒狀缺口。
1．2 下環(huán)的磨蝕
混流式機(jī)組下環(huán)內(nèi)外表面是磨蝕的易發(fā)區(qū)，水頭越高該區(qū)
的磨蝕越嚴(yán)重。劉家峽水電站舊轉(zhuǎn)輪下環(huán)內(nèi)側(cè)表而 現(xiàn)磨蝕
麻面、上端面普遍磨蝕成順?biāo)鞣较虻拇执鬁喜郏裆?0～15
mm；新轉(zhuǎn)輪的下環(huán)，盡管采用了抗磨性能好的不銹鈉材料，但
還是有磨蝕現(xiàn)象產(chǎn)生。
1．3 導(dǎo)葉的磨蝕
}昆流式機(jī)組由于應(yīng)用水頭較高，導(dǎo)水葉區(qū)流速較大，因此
往往會(huì)發(fā)生空蝕。在多泥沙河流，導(dǎo)葉上也經(jīng)常有磨蝕發(fā)生，
尤其以導(dǎo)葉的立面密封、端面的磨蝕最為嚴(yán)重。一般情況下，
機(jī)組水頭越高、含沙量越大，導(dǎo)葉的磨蝕越嚴(yán)重。嚴(yán)重磨蝕的
活動(dòng)導(dǎo)葉立面密封及端面，使導(dǎo)水葉關(guān)閉時(shí)漏水量增大，易導(dǎo)
致機(jī)組無(wú)法停機(jī)。
1．4 抗磨板的磨蝕
混流式機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)上下抗磨板間隙空化易受到泥沙的
磨蝕破壞?？鼓グ迨莿⒓覎{水輪機(jī)磨蝕較為嚴(yán)重的過(guò)流部件，
一般上抗磨板磨蝕較輕、下抗磨板磨蝕嚴(yán)重。主要表現(xiàn)：在導(dǎo)
葉全關(guān)位置，因間隙空蝕而造成上抗磨板表面呈導(dǎo)葉關(guān)閉狀態(tài)
的槽狀深坑；下抗磨板接縫處以及與底環(huán)蝶形邊搭接處因過(guò)流
而沖刷成深坑。
2 水輪機(jī)磨蝕原因分析
2．1 過(guò)機(jī)沙量大是磨蝕的主要原因
含沙河流對(duì)水輪機(jī)的破壞常常是奪蝕和泥沙磨損造成的，
泥沙的存在給空化侵蝕創(chuàng)造了一定的條件，反過(guò)來(lái)，磨損的粗
糙過(guò)流表面又促進(jìn)了空蝕。以劉家峽水電站為例，1978年汛期
以前，水輪機(jī)基本在清水中運(yùn)行，以?shī)Z蝕破壞為主，僅出現(xiàn)過(guò)泥
沙磨損的痕跡。1978年5—7月的過(guò)機(jī)沙量是前43個(gè)月過(guò)機(jī)
沙量的2．6倍，此時(shí)，水輪機(jī)的破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅p為主，并且出
現(xiàn)了空蝕和磨損同時(shí)存在的情況。當(dāng)過(guò)流表面出現(xiàn)大量的魚(yú)
鱗坑以后，水流條件惡化，產(chǎn)生脫流或旋渦，從而使空蝕得以發(fā)
生，而空蝕破壞又使材料晶體組織疏松，加快了磨損速度，接著
出現(xiàn)的溝槽更易產(chǎn)生空蝕。因此，必須減少過(guò)機(jī)沙量，以減輕
水輪機(jī)的磨蝕。
2．2 葉片工藝是磨蝕的重要原因
據(jù)觀察與試驗(yàn)，水輪機(jī)葉片的好壞直接影響水輪機(jī)的抗空
蝕性能。根據(jù)空蝕破壞機(jī)理，旋渦空蝕發(fā)生的原因是轉(zhuǎn)輪葉片
表面糙度過(guò)大或凸凹不平誘發(fā)局部脫流產(chǎn)生的。葉片表面越
光，在相同的大修周期內(nèi)，空蝕越輕。鹽鍋峽水輪機(jī)是我國(guó)20
世紀(jì)60—70年代生產(chǎn)的產(chǎn)品，制造質(zhì)量不高，葉片靠手工打
磨，葉片表面糙度大，波浪度大，而且有鼓包，這些原因使轉(zhuǎn)輪
內(nèi)部流態(tài)不好，產(chǎn)生局部速度過(guò)高或脫流，促使空蝕和磨損的
產(chǎn)生。該電站對(duì)不合理的流道及葉片進(jìn)行修型改造后磨蝕明
顯減輕。
收稿日期：2010—03—19
基金項(xiàng)目：水利部“948”計(jì)劃技術(shù)創(chuàng)新推廣轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(CT200207)。
作者簡(jiǎn)介：陽(yáng)莉(1985一)，女，貴州六盤(pán)水人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗娬?
狀態(tài)控制。
E—mail：luIu19850715@ 163．corn
· 213 ·
人民黃河2010年第l2期
2．3 葉片材質(zhì)是磨蝕的本質(zhì)原因
根據(jù)黃河泥沙【fl礦物質(zhì)成分分析可知，黃河泥沙物質(zhì)成分
多為 英、K 等，其硬度值為莫氏硬度7左右，而制造水輪機(jī)
葉片的金屬材料硬嚏一般為莫氏硬度4．5左右，遠(yuǎn)小于沙粒硬
度。根據(jù)沙粒磨損機(jī)珥，泥沙顆粒的硬度高于水輪機(jī)過(guò)流面硬
度時(shí)，沙粒與過(guò)溉 沖撞再．硬度離的沙粒將壓入較軟的水輪
機(jī)過(guò)流表面，他之產(chǎn) 塑性變形，給微切削過(guò)程創(chuàng)造條件。閑
此，金屬材質(zhì)的抗 蝕性能取決于金屬材料的耐磨性，而金屬
卡于料的耐磨性不儀取決于其硬度，還 金屬組織有很大的關(guān)
系。對(duì)于均勻組織的材料．影響抗磨蝕的因素主要是硬度，而
對(duì)于非均勻組織的金屬，影響抗磨性的因素主要是顯微組織。
對(duì)于金屬材料， 抗磨性能的好壞，不僅取決于材料的硬度，還
取決于材料的韌性和脆性 以劉家峽水利站為例，運(yùn)行前期5
俞轉(zhuǎn)輪均為ZG20SiMn(備用轉(zhuǎn)輪為不銹刑結(jié)構(gòu))，導(dǎo)葉和底環(huán)
為ZG30，從運(yùn)行結(jié)果看，ZG20SiMn的抗空蝕性能和抗磨損性
能都很差，因此水輪機(jī)的空蝕lj磨損都比較嚴(yán)重。后經(jīng)過(guò)機(jī)組
改造，更換為材質(zhì)為0Crl3Ni4Mo的不銹鋼轉(zhuǎn)輪后，抗磨蝕狀況
有r較大改善。在后續(xù)的機(jī)組增容改造中，水輪機(jī)主要過(guò)流部
件采片】了優(yōu)質(zhì)抗磨不銹鋼材料OCrl3—16Ni4—5Mo，使機(jī)組的
抗廉能力大幅度提高．．
2．4 磨蝕區(qū)處理質(zhì)量是磨蝕的關(guān)鍵原因
對(duì)磨蝕區(qū)的處理，日前仍采用電弧氣刨后堆焊抗磨不銹鋼
層，最后打磨成型的辦法 但是有時(shí)電弧氣刨不徹底，存在堆
焊質(zhì)量差，有夾渣、氣孔、咬邊、未焊透、焊道缺陷或焊后打磨不
理想，表而高低不平、小成流線型，流場(chǎng)紊亂，加重磨蝕程度等
問(wèn)題?，F(xiàn)在采J}J專(zhuān)用儀器同時(shí)對(duì)葉片進(jìn)行保型修復(fù)，不但可保
證水輪機(jī)的效率與出 ，而且還町減輕磨損。
3 混流式水輪機(jī)磨蝕防護(hù)措施
我國(guó)多泥沙河流水電站水輪機(jī)的防護(hù)一般采用涂層防護(hù)、
優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)、減少過(guò)機(jī)泥沙等綜合措施 。
3．1 聚氨酯涂層防護(hù)措施
聚氨酯為有機(jī)高分子化合物，聚氨酯材料中問(wèn)帶鋼骨架的
抗磨板，可以吸收泥沙顆粒的沖擊，且具有良好的彈性和韌性，
抗磨效果很好。
小浪底水電站采用水輪機(jī)固定導(dǎo)葉、尾水管錐管實(shí)行聚氨
酯涂層防護(hù)，從運(yùn)行情況看，運(yùn)行l(wèi) 330 h內(nèi)涂層完好，運(yùn)行
8 075 h后各機(jī)組軟涂層的情況差異較大，1 、2 機(jī)涂層完好，3
機(jī)尾水管錐管進(jìn)口處產(chǎn)生局部層間剝落，4 機(jī)涂層面積的
13．7％ 出現(xiàn)剝落，5 、6 機(jī)涂層脫落較少?？傮w來(lái)看，小浪底水
電站使用聚氨酯涂層在固定導(dǎo)葉上的防護(hù)效果較明顯。
3．2 高速氧燃噴漆碳化鎢(HVOF—WC)防護(hù)措施
高壓氧燃噴涂HVOF是20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的一種噴
涂方法．該方法采用超音速火焰噴涂槍?zhuān)瑢⒈?、丙稀或氫和?
氣以0．3 MPa以E的壓力送人噴涂槍的燃燒室，經(jīng)過(guò)混合燃
燒，形成1 500 m／s以上的高速氣流，在噴嘴處與高壓空氣送人
的噴涂材料粉末混合，使噴涂粉末熔融和加速到500 m／s左右
形成高速射流，而射流在噴嘴出口后進(jìn)一步膨脹加速，產(chǎn)生2
· 214 ·
倍音速的噴涂火焰，使粉末噴涂在基材上形成致密的涂層0。。
噴涂材料町用抗磨金屬粉末、碳化物金屬陶瓷，其中碳化鎢
(WC)粉末在抗泥沙磨蝕方面表現(xiàn)出突出的優(yōu)越性 ．小浪底6
臺(tái)水輪機(jī)葉片和部分機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉上采用了HVOF—WC涂
層，自2000年1月首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)到2003年底檢 時(shí)，機(jī)紐最多
運(yùn)行時(shí)問(wèn)為17 320 h，各機(jī)組涂層均有不同程度的脫落，但脫落
面積不大，涂層大部分完好，總的看來(lái)，碳化鎢涂層具有較好的
抗磨性能。
3．3 優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)
水輪機(jī)磨蝕的機(jī)理表明，流速高、脫流、旋渦均會(huì)加重磨
蝕。轉(zhuǎn)輪流道設(shè)計(jì)不合理造成局部流速過(guò)高及脫流，會(huì)加重水
輪機(jī)的磨蝕。鹽鍋峽水電站第一臺(tái)機(jī)組在2004年改造中，轉(zhuǎn)
輪為高效不銹鋼轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪葉片由l4片增加至15片，改造后
的水輪機(jī)流量由原來(lái)的138 Ill ／s增加到149．8 In ／s，水輪機(jī)效
率由原來(lái)的87．6％提高到92．7％ ，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一一步優(yōu)化導(dǎo)
水葉、頂蓋結(jié)構(gòu)，使水輪機(jī)出力由原來(lái)的4．4萬(wàn)kW 提高到5．
12萬(wàn)kW，水輪機(jī)的磨蝕也得到了較好控制。另外，合理優(yōu)化
母體材料也是防護(hù)軸流式水輪機(jī)磨蝕的一種方法，水輪機(jī)的材
料應(yīng)選用質(zhì)量均一、結(jié)構(gòu)致密、硬度高、韌性和抗拉力強(qiáng)、抗疲
勞性能好且便于加工的材料。
3．4 減少過(guò)機(jī)泥沙
減少過(guò)機(jī)泥沙是防磨蝕的一種有效措施。從1974年開(kāi)
始，劉家峽水電站對(duì)洮河異重流排沙的特性、傳播時(shí)間、潛入條
件、壩前渾水面高程的變化以及泄水建筑物排沙情況進(jìn)行觀測(cè)
分析，當(dāng)洮河紅旗水文站沙峰含沙量達(dá)20 kg／1／1 時(shí)，就可能產(chǎn)
生異重流。只要掌握異重流到達(dá)壩前的時(shí)間并及時(shí)開(kāi)啟泄水
排沙建筑物閘門(mén)，就能大量排沙。根據(jù)1976年汛期實(shí)測(cè)資料，
洮河入庫(kù)總沙量為1 800多萬(wàn)t，共排出泥沙1 500多t，占入庫(kù)
沙量的83．3％ ，對(duì)保證電站運(yùn)行起到了顯著作用，至1996年
底，異重流排沙共133次，排沙量達(dá)2．51億t，排沙比在50％
以上
3．5 改造檢修工具。引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)【3j
隨著科技的不斷發(fā)展，新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備和新材料大
量應(yīng)用到水電站機(jī)組抗磨蝕中。劉家峽水電站采用了大型混
流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪檢修用磨削機(jī)，工業(yè)試驗(yàn)證明該設(shè)備可靈活磨
削89％以上的轉(zhuǎn)輪流道面積，功效是人工磨削的11．8倍，磨削
精度是人工的2倍。同時(shí)，該電站引進(jìn)Scompi機(jī)器人完成水輪
機(jī)大修、擴(kuò)修中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕區(qū)的補(bǔ)焊和修復(fù)工作，提高了
功效，保證了轉(zhuǎn)輪的修復(fù)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
[I] 邢廣彥，張?zhí)m．多泥沙河流水輪機(jī)的磨蝕與防護(hù)措施[J]．黃河水利職業(yè)技
術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(4)：l6一l7．
[2] 陳德新，楊建設(shè)．多泥沙河流水輪機(jī)的抗磨蝕對(duì)策[J]．人民黃河，2003，25
(5)：43-45．
[3] 孟安波，顏廷松，陳德新．多泥沙河流水電站機(jī)組檢修策略的探討[J]．水力
發(fā)電，2007，33(12)：47—49．
【責(zé)任編輯呂艷梅】

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