顧四行 賈瑞旗 張弋揚(yáng) 姚 光
我國是多泥沙河流國家,水輪機(jī)泥沙磨蝕破壞是我國水電站的特殊問題。過機(jī)泥沙是產(chǎn)生水輪機(jī)磨蝕的根源,泥沙來自水土流失。我國黃河、長江等七大流域和新疆等地的內(nèi)陸河流都有不同程度的水土流失。據(jù)統(tǒng)計,我國年平均輸沙量在14萬t以上的河流有42條[1]。其中黃河流域是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū),其水土流失面積達(dá)43萬km2,每年輸入黃河中游三門峽以下的泥沙達(dá)16億t。黃河的含沙量居世界之冠,中游年平均含沙量達(dá)37.5 kg/m3。長江流域上游每年水土流失區(qū)的土壤流失量也達(dá)15.6億t。
據(jù)估計,我國有3000萬~4000萬kW裝機(jī)容量的各類水輪機(jī)存在比較嚴(yán)重的泥沙磨蝕問題。它是影響水電廠(站)安全運(yùn)行的重大問題之一。多泥沙河流上的水輪機(jī)運(yùn)行時,往往泥沙磨損和空蝕(以前稱作氣蝕)同時存在(也有單獨(dú)存在之處),而且互相促進(jìn),破壞疊加,大大加速了水輪機(jī)過流部件金屬表面的破壞進(jìn)程,這種磨損和空蝕的聯(lián)合作用,通常稱為磨蝕破壞。實驗室模擬試驗和水電站現(xiàn)場真機(jī)破壞痕跡觀察都表明,磨蝕破壞要比單純磨損或單純空蝕要嚴(yán)重得多,一般相差幾倍。
水輪機(jī)空蝕、磨損和磨蝕破壞是漸進(jìn)的,有個逐漸積累的過程。嚴(yán)重的磨蝕破壞將導(dǎo)致水輪機(jī)的使用壽命大大減少(有的小型水輪機(jī)僅為正常使用年限的1/3~1/2),大修周期縮短(中小型水輪機(jī)有的大修周期只有1年甚至不到1年),檢修工期延長(20世紀(jì)70年代黃河三門峽水電廠4#機(jī)擴(kuò)修工期長達(dá)1年),材料消耗和備品備件增加(不少中小水電站轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉等備品為1∶1),經(jīng)濟(jì)損失巨大;因此,各級領(lǐng)導(dǎo)都非常重視水輪機(jī)泥沙磨蝕問題的研究。1988年成立了全國水機(jī)磨蝕試驗研究中心,水利部水電局領(lǐng)導(dǎo)任理事長至今。
我國對水輪機(jī)泥沙磨蝕問題的研究已有50多年歷史,早在20世紀(jì)50年代,在修建北京官廳水庫和黃河三門峽等水利樞紐工程以及1956年編制國家12年科技發(fā)展規(guī)劃時,就提出水輪機(jī)泥沙磨損的問題。經(jīng)過幾代科技工作者和水電廠運(yùn)行與檢修人員的共同研究與實踐,已經(jīng)取得了減緩水輪機(jī)磨蝕破壞的不少綜合治理成果,但綜觀全局,我國水輪機(jī)磨蝕問題還很嚴(yán)重,尚未取得突破性進(jìn)展,許多問題還有待深入研究。
在清水和少量泥沙水中運(yùn)行的水輪機(jī),其過流部件金屬表面一般僅出現(xiàn)麻點(diǎn)、針孔、海綿狀或蜂窩狀的破壞稱為空蝕。在初期(或稱空蝕潛伏期),有時在不銹鋼表面可看到灰色區(qū)??瘴g破壞的特點(diǎn)是部位比較固定,常見于轉(zhuǎn)輪葉片的負(fù)壓面等處;泥沙磨損可分為平面磨損和局部磨損兩種。在多泥沙水中運(yùn)行的水輪機(jī),其過流部件金屬表面產(chǎn)生大面積波紋、魚鱗坑及溝槽稱為磨損,常見于正壓面,如葉片和導(dǎo)葉的正面等處,清水電站則沒有;由于水輪機(jī)過流部件金屬表面的局部區(qū)域受材質(zhì)疏松、縮孔等凹凸不平或設(shè)計加工不合理(如軸流式水輪機(jī)葉片吊孔)等原因引起的較深的沖溝和坑穴等破壞稱為局部磨損。有時局部磨損比平面磨損危害還要大,應(yīng)引起足夠重視。
眾所周知,多泥沙河流上的水電站有汛期(渾水)和非汛期(清水),水輪機(jī)在一年運(yùn)行中,清、渾水條件同時存在。因為汛期來水量大,水電廠可以多發(fā)電,但汛期水中泥沙含量也多(約占全年輸沙量的90%以上),而且泥沙大都集中在幾次沙峰期。因而汛期尤其是沙峰期水輪機(jī)過流部件金屬表面的磨蝕破壞也就特別嚴(yán)重。國內(nèi)對其破壞的認(rèn)識尚有不同看法,還需通過實踐深入研究探討,以求統(tǒng)一認(rèn)識。
水輪機(jī)磨蝕破壞的機(jī)理十分復(fù)雜,影響因素很多,是一項多學(xué)科的系統(tǒng)工程,必須采取綜合措施,才能取得比較好的抗磨蝕效果。
(1)陜西黃河支流無定河綏德水電站(水輪機(jī)型號ZD661-LH-120,H=12.9m,Q=8m3/s,N=800 kW),每年有500 h在含沙量為150~330 kg/m3(電站實測最大過機(jī)含沙量為960 kg/m3)條件下運(yùn)行(泥沙平均粒徑0.15mm,泥沙顆粒以石英、長石為主),不銹鋼葉片運(yùn)行10161 h后葉片失重達(dá)15%,外緣呈掃帚狀,出力下降40%。
(2)黃河三門峽水電站(水輪機(jī)型號ZZ010-LJ-600,H=30m,Q=197.5m3/s,n=100 r/min,N=5萬kW),水輪機(jī)運(yùn)行15000 h后效率下降8.7%,必須擴(kuò)大性大修。
(3)湖北長江葛洲壩水電廠大江電站(水輪機(jī)型號ZZ500-LH-1020,H=18.6m,Q=826m3/s,n=62.5 r/min,N=12.9萬 kW),17#機(jī) 20mm厚的不銹鋼葉片出水邊其磨蝕速率為3.5mm/10000 h,而15#機(jī)運(yùn)行37000 h后進(jìn)水邊頭部磨蝕量超過16mm,磨蝕速率達(dá)4.3mm/10000 h以上,每年必須有3~4臺機(jī)進(jìn)行非金屬涂層涂敷保護(hù)才能延長擴(kuò)大性大修的周期。
(4)四川大渡河龔嘴水電站,在水庫泥沙淤積趨于平衡后,全廠7臺水輪機(jī)(水輪機(jī)型號HL220-LJ-550,H=48m,Q=241m3/s,n=88.2 r/min,N=10.25萬kW),每年都要大修1~2臺機(jī),并對過流部件進(jìn)行非金屬涂層防護(hù),才能不損壞轉(zhuǎn)輪的母材。
(5)新疆瑪納斯河(內(nèi)陸河流)紅山嘴水電廠,年平均含沙量2.38 kg/m3,最大含沙量達(dá)402 kg/m3,年輸沙量304 t,輸沙量的95%集中在5-9月,泥沙顆粒粗,石英、長石等硬顆粒占 50%,水輪機(jī)過流部件金屬表面磨蝕破壞極為嚴(yán)重,如該廠3級水電站水輪機(jī)(水輪機(jī)型號HL702-LJ-140,H=61m,Q=15.6m3/s,n=428.5 r/min,N=9150 kW),每年都要大修,新轉(zhuǎn)輪在一個汛期內(nèi)還要對轉(zhuǎn)輪葉片焊補(bǔ)數(shù)次才能度過汛期運(yùn)行。
(6)21世紀(jì)新修建的中小型水電站,由于沒有很好吸取上述水電廠的經(jīng)驗教訓(xùn),因而同樣存在嚴(yán)重的泥沙磨蝕問題(當(dāng)然各條河流,各個水電站的具體條件各不相同,不能照搬其他水電站的經(jīng)驗教訓(xùn))。例如,新疆某水電站,裝機(jī)容量2×2.45萬kW(水輪機(jī)型號HLA801-LJ-215,H=74m,Q=37.22m3/s,n=300 r/min,N=2.458 kW),多年平均含沙量為3.178 kg/m3,最大含沙量為49.3 kg/m3,2008年汛期實測最大含沙量達(dá)59.6 kg/m3,石英含量占45%,2臺機(jī)先后于2008年3月31日和4月8日并網(wǎng)發(fā)電。1#機(jī)累計共運(yùn)行2784 h(汛期運(yùn)行1504 h),2#機(jī)累計共運(yùn)行2957 h(汛期運(yùn)行1517 h)后,水輪機(jī)即遭嚴(yán)重磨蝕破壞,2#機(jī)下止漏環(huán)單邊間隙最大達(dá)21mm(設(shè)計值1.1~1.4mm),固定導(dǎo)葉進(jìn)水邊出現(xiàn)深約5mm的磨損凹坑,主軸密封端蓋(鑄鋁結(jié)構(gòu))磨穿,密封環(huán)嚴(yán)重磨壞漏水,水導(dǎo)軸承座緊固螺栓全部斷裂,水導(dǎo)油盆進(jìn)水,不得不停機(jī)檢修。又如陜西某水電站,裝機(jī)容量3×1.6萬kW,最大水頭110m,多年平均含沙量為145.9 kg/m3,2009年汛期實測最大含沙量達(dá)647 kg/m3。2009年8月3臺機(jī)在72 h試運(yùn)行期間,水輪機(jī)即遭嚴(yán)重磨損破壞(導(dǎo)葉、頂蓋、座環(huán)以及蝶閥、旁通閥、電磁閥和主軸密封等),被迫停機(jī)處理。
根據(jù)國內(nèi)外試驗研究,水輪機(jī)的泥沙磨損量和水流相對流速、水中泥沙含量、泥沙成分與特性、機(jī)組實際運(yùn)行時間、水輪機(jī)制造材質(zhì)的耐磨系數(shù)等諸多因素有關(guān),可用以下公式表示:
式中 δ——磨損量,計算部位的平均磨損深度,mm;
s——過機(jī)平均含沙量,kg/m3;
ε——材料的耐磨系數(shù),與磨損量成反比,和水輪機(jī)材質(zhì)的硬度,設(shè)計型線,表面加工光潔度等因素有關(guān);
β——泥沙的磨損能力綜合系數(shù),與泥沙成分、粒徑大小、顆粒形狀及硬度等有關(guān),可由試驗裝置試驗確定或由試驗曲線近似估算;
w——水流相對流速,m/s,平順流動時指數(shù)m=2.3~2.7,沖擊表面時指數(shù)m=3.0~3.3或更大,近似計算時,可用指數(shù)m=3.0計;
t——累計運(yùn)行時間,h。
以上諸因素中,流速是最主要的因素,因為它與磨損量成3次方關(guān)系。
各個水電站由于水流條件(如過機(jī)含沙量和泥沙特性等)、水頭高低、機(jī)型(如混流式、軸流式、沖擊式、貫流式等)、設(shè)計、加工制造水平以及運(yùn)行方式等等情況的不同,因此,相同型號的水輪機(jī),在不同水電站的磨蝕破壞程度有很大差異,甚至同一個電站相同型號的水輪機(jī)由于布置位置不同,實際過機(jī)含沙量也有差異,因而破壞程度也會有量級上的差異。只有根據(jù)現(xiàn)場實際情況,具體問題具體分析,在諸多因素中,找出主要因素采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。
關(guān)于多泥沙的定義,有人認(rèn)為以年平均含沙量(如10 kg/m3)為界定,我們認(rèn)為欠妥,因為有的河流年平均含沙量很小,但汛期平均含沙量遠(yuǎn)大于年平均含沙量,所以應(yīng)以汛期平均含沙量來衡量比較恰當(dāng)。至于含沙量多少為界,目前尚無定論。我們認(rèn)為應(yīng)以實際過機(jī)平均含沙量并結(jié)合水輪機(jī)過流部件磨蝕破壞情況來考評。因為同樣的含沙量,泥沙特性(粒徑、硬度、形狀等)不同,磨蝕破壞程度差異很大。對于中低水頭水電站,含沙量值可定得大些,水頭在100m以上的高水頭電站,含沙量值應(yīng)該定得小些。例如,四川漁子溪二級水電站,設(shè)計水頭249m,最大水頭302.2m,河流年平均含沙量僅0.6 kg/m3,很小。有人認(rèn)為不應(yīng)該有磨損,而實際并非如此,該站7,8兩個月的平均含沙量為7.8 kg/m3,占全年含沙量的86.2%,日平均最大含沙量54.7 kg/m3,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)過流表面快速磨蝕破壞。
水輪機(jī)磨蝕破壞的防治,必須采取綜合治理措施。
我國已在實行退耕還林、退牧還草、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和小流域治理工作,以盡量減少水土流失,降低河流的輸沙量和含沙量。雖然取得一些成效,但由于植被嚴(yán)重破壞后,生態(tài)較難恢復(fù),需要有一段時期的恢復(fù)過程。有的地方還在產(chǎn)生新的水土流失,因此,水土流失情況將會在比較長的時期內(nèi)存在,河流水中泥沙對水輪機(jī)的磨蝕破壞還將長期存在。
要加強(qiáng)對已建水利水電工程水工建筑物運(yùn)行情況的調(diào)研與總結(jié),水工建筑物一定要考慮導(dǎo)沙、沉沙、排沙設(shè)施,盡量減少粗顆粒泥沙通過水輪機(jī)流道。例如,四川漁子溪一、二級、楠亞河三級和耿達(dá)等水電站,針對西南山區(qū)徑流引水式電站的地形特點(diǎn),設(shè)置了一定容量的沉沙池,以減少粗顆粒泥沙過機(jī),一定程度上減輕了水輪機(jī)過流部件的磨蝕破壞;又如黃河干流的劉家峽、青銅峽、萬家寨、小浪底等水電站,樞紐工程設(shè)計了排沙洞等設(shè)施,運(yùn)行實踐表明,對減小過機(jī)泥沙和壩前泥沙淤積起到了很好的作用;再如新疆瑪納斯紅山嘴、喀什疏附縣音薩克等水電廠,根據(jù)新疆泥沙粗的特點(diǎn),在引水渠道增設(shè)了漏斗式排沙設(shè)施,將0.5mm以上的粗顆粒泥沙基本排除,減少了水輪機(jī)過機(jī)泥沙,從而減輕了水輪機(jī)過流部件的磨蝕破壞。
黃河上有水庫的水電站,如劉家峽等都采取水庫“蓄清排渾”運(yùn)行方式,盡量減少泥沙淤積。小浪底水庫則每年適當(dāng)時間進(jìn)行排沙試驗,對水庫壩前減淤起到良好效果。
由于磨損與流速的3次方成正比,因此,為減輕水輪機(jī)磨蝕破壞,多泥沙河流水電站在水輪機(jī)選型和水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造中可以采取以下措施。
(1)選用相對速度偏低的機(jī)型,如黃河西霞院水電站,最高水頭13.5m。技術(shù)上可以選擇最高水頭達(dá)25m的燈泡貫流式水輪機(jī),但考慮到泥沙磨損問題,最終選用了軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。
(2)選擇較低的比轉(zhuǎn)速(即低轉(zhuǎn)速)。
(3)控制高水頭混流式水輪機(jī)出口圓周速度不大于38m/s,軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)和中、低水頭混流式水輪機(jī)控制在35m/s以內(nèi)。
(4)適當(dāng)擴(kuò)大導(dǎo)葉分布圓直徑。
(5)適當(dāng)增大導(dǎo)葉相對高度,轉(zhuǎn)輪葉片出水邊厚度適當(dāng)加厚。
(6)固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉數(shù)相等,以均化水流。
(7)用全流道計算流體動力學(xué)分布確定導(dǎo)葉最佳安放角。
(8)用CFD計算均化轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)速度分布,避免葉片間產(chǎn)生渦流,改善轉(zhuǎn)輪空蝕性能。
(9)汛期開停機(jī)頻繁的高水頭混流式機(jī)組,可裝設(shè)筒形閥或球閥。
(10)流道應(yīng)平整光滑,無局部凸起或凹坑以及鑄造縮孔、氣孔等。
(11)加工制造型線要準(zhǔn)確,表面光潔度要高,水流拐彎處要有一定尺寸的圓角,避免流道斷面突然變化。
(12)關(guān)鍵部件(部位)可利用高耐磨材料。
(13)應(yīng)有足夠的備品備件。
(14)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮易損部件在機(jī)坑內(nèi)拆卸更換方便等。
要優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式,水輪機(jī)應(yīng)在制造廠保證范圍內(nèi)運(yùn)行,盡量避免在低負(fù)荷或超負(fù)荷區(qū)運(yùn)行,以減少因水壓脈動引起的機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行造成磨損和空蝕破壞的加劇。
要加強(qiáng)水庫泥沙監(jiān)測預(yù)報,汛期沙峰到來前可向電網(wǎng)申請機(jī)組短暫停運(yùn),寧可損失部分電量,避免大量泥沙過機(jī)而造成水輪機(jī)過流部件的快速磨蝕破壞而導(dǎo)致機(jī)組被迫停運(yùn)甚至提前大修。例如前面提到的陜西某水電站,2010年汛期沙峰時停運(yùn)11 d,保證了機(jī)組汛期安全運(yùn)行。
要科學(xué)合理地安排機(jī)組檢修,一定要高度重視檢修質(zhì)量,過流部件焊補(bǔ)打磨工作要責(zé)任落實到人。做到該修必修,修必修好,并做好檢修記錄。
由于水輪機(jī)磨蝕都發(fā)生在過流部件的金屬表面,因此,對其表面采取防護(hù)減緩磨蝕破壞是比較經(jīng)濟(jì)適用的措施之一。目前常用而比較成熟的金屬防護(hù)材料如下。
(1)焊條堆焊。主要有打底用的普通結(jié)構(gòu)鋼焊條和抗空蝕好的不銹鋼焊條以及多種耐磨蝕焊條(如GB1、堆277)等。
(2)氧乙炔火焰合金粉末噴焊。此工藝在甘肅、新疆、云南、四川等省區(qū)中小型水輪機(jī)上應(yīng)用較多,也取得了比較好的抗磨蝕效果。
(3)高速燃氧WC噴涂(HVOF)。這是目前國內(nèi)外用于大型水輪機(jī)過流部件金屬表面防護(hù)的新技術(shù)、新工藝。小浪底、萬家寨(5#、6#機(jī))、三門峽增容改造1#機(jī)、青銅峽(5#、6#機(jī))、劉家峽(4萬kW小機(jī))以及沙坡頭燈泡貫流機(jī)等都應(yīng)用了WC噴涂。試驗室內(nèi)圓盤模擬試驗表明,WC涂層的抗磨損性能很好,但抗空蝕性能較差[2],由于該工藝在國內(nèi)水電廠水輪機(jī)上應(yīng)用的時間還不長,故真機(jī)應(yīng)用于強(qiáng)空蝕區(qū)的效果還有待進(jìn)一步觀察總結(jié)。
(4)其他金屬防護(hù)涂層。如等離子噴涂、滲鋁、電鍍Cr、金屬陶瓷焊片、激光強(qiáng)化、氧化鋁復(fù)合鍍層等,由于存在這樣或那樣的問題或受條件的限制,目前在水電廠尚未得到推廣應(yīng)用。
非金屬材料(涂層)方面,應(yīng)用較多的有:
(1)超高分子量聚乙烯抗磨板。已在劉家峽、三門峽、萬家寨、大峽等許多水電廠水輪機(jī)上得到應(yīng)用,抗磨效果良好。
(2)改性環(huán)氧金剛砂涂層。該涂層抗磨性能好,施工簡易,價廉,應(yīng)用較廣。長江葛洲壩水電廠20年來一直應(yīng)用于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片正面檢修。新疆阿克蘇西大橋水電廠軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片的防護(hù)也應(yīng)用此涂層。四川龔嘴水電廠單機(jī)10萬kW混流式水輪機(jī)抗磨也用此涂層。
(3)聚氨酯涂層。該涂層具有很好的抗空蝕磨損性能,因此,國內(nèi)外抗磨研究人員都十分重視。20世紀(jì)90年代以來,許多外國公司如法國阿爾斯通、德國伏依特、英國E.WOOD公司以及美國的DP、DL和S-80涂料,先后將產(chǎn)品推向中國,在葛洲壩、新安江、劉家峽、碧口以及萬家寨和三門峽等大型水輪機(jī)上試驗或試用,結(jié)果卻不盡人意。往往機(jī)組運(yùn)行時間不長涂層大面積或整體脫落,分析其原因,是涂層與金屬底材的粘接強(qiáng)度不夠,它們的粘接強(qiáng)度都在20mPa以下,國內(nèi)一些研究單位研制的聚氨酯涂層的粘接強(qiáng)度也都在20mPa左右。根據(jù)室內(nèi)高速圓盤機(jī)模擬試驗并結(jié)合真機(jī)觀測,有關(guān)專家認(rèn)為,該涂層的粘接強(qiáng)度必須在30mPa以上,才能基本滿足不整體脫落。目前上??颠_(dá)化工有限公司已研制出粘接強(qiáng)度達(dá)30mPa(試驗室測試數(shù)據(jù))的聚氨酯涂層,經(jīng)在三門峽1#機(jī)和河北易縣紫荊關(guān)五級水電站水輪機(jī)上實際對比試驗,其抗磨蝕性能優(yōu)于國內(nèi)同類涂層。擬進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)場真機(jī)試驗、試用和總結(jié)提高。
(1)開展磨蝕機(jī)理、規(guī)律、磨蝕量預(yù)估、磨損和空蝕聯(lián)合作用以及水沙兩相流動等基礎(chǔ)理論的試驗研究。
(2)針對不同地區(qū)、不同泥沙條件、不同機(jī)型,深入開展磨蝕綜合治理經(jīng)驗總結(jié)和專項技術(shù)措施的研究與實踐。
(3)開展磨蝕試驗裝置與方法的標(biāo)準(zhǔn)編制工作,目前國內(nèi)正在編制《反擊式水輪機(jī)泥沙磨損技術(shù)導(dǎo)則》和國際電工委員會(IEC)正在編制《水輪機(jī)泥沙磨損導(dǎo)則》,相信兩個 “導(dǎo)則”將指導(dǎo)水輪機(jī)磨蝕試驗研究向縱深發(fā)展。
(4)進(jìn)一步開展水輪機(jī)抗磨蝕、防裂紋新材料及抗磨蝕涂層配方與施工工藝的研發(fā)。
(5)水電站現(xiàn)場高效、經(jīng)濟(jì)非金屬防護(hù)層涂敷,修補(bǔ)工藝及施工工裝的研制與應(yīng)用。
(6)水輪機(jī)檢修(測繪、修形、焊補(bǔ)、打磨)機(jī)械化、自動化設(shè)備的開發(fā)等。
按照我國水電發(fā)展規(guī)劃,到2020年,將有2億kW水電機(jī)組要開發(fā),其中主要在西南地區(qū),有很多大型或巨型水輪機(jī)將面臨磨蝕問題;因此,水輪機(jī)磨蝕問題的研究將迎來新的壓力與挑戰(zhàn),希望引起各級管理與科研部門領(lǐng)導(dǎo)的重視,希望有關(guān)高等院校,能更多地培養(yǎng)高素質(zhì)人才,更希望有實力的電力公司、電網(wǎng)公司、制造廠(公司)和水電廠能投入更多的人力和財力,支持水輪機(jī)磨蝕試驗研究工作的深入開展,使中國在這一領(lǐng)域為世界作出更多的貢獻(xiàn)。
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