淺談龍羊峽水電站水輪機(jī)汽蝕狀況及處理措施

彭濤

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司積石峽發(fā)電分公司 青海省 810800）

淺談龍羊峽水電站水輪機(jī)汽蝕狀況及處理措施

彭濤

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司積石峽發(fā)電分公司 青海省 810800）

“汽蝕”的現(xiàn)象會(huì)在海洋中采用高速的輪船時(shí)，在很短時(shí)間破壞輪船的金屬螺旋槳，其后在水泵和水輪機(jī)中也都發(fā)生了轉(zhuǎn)輪葉片受到損壞的情況。人們對(duì)“汽蝕”現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)完全是從實(shí)踐中來的，是一種客觀存在的現(xiàn)象，如果沒有及時(shí)處理、預(yù)防，有可能會(huì)對(duì)機(jī)械帶來極為嚴(yán)重的破壞。本文結(jié)合龍羊峽水電站的實(shí)際情況，對(duì)四臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組的工作運(yùn)行檢修記錄進(jìn)行分析，找出水輪發(fā)電機(jī)組的汽蝕破壞原因，并在此基礎(chǔ)上提出了汽蝕的解決辦法，為了盡快解決廠水輪機(jī)過流部件存在的缺陷，也為我國(guó)水輪機(jī)過流部件防腐、抗汽蝕工作的發(fā)展提供一點(diǎn)參考資料，現(xiàn)將我廠水輪機(jī)汽蝕問題做一扼要介紹，供大家參考。為今后的工作提供更多的參考資料。

水輪機(jī)；汽蝕；水電站

1 概況

龍羊峽水電站是西北電網(wǎng)的主要調(diào)峰調(diào)頻電廠，擔(dān)負(fù)調(diào)節(jié)電網(wǎng)電能質(zhì)量和事故備用的責(zé)任。全廠裝有四臺(tái)由東方電機(jī)廠制造的當(dāng)時(shí)單機(jī)容量最大的混流、半傘式水輪發(fā)電機(jī)組。截至1998年6月14日，四臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組已經(jīng)相繼投產(chǎn)發(fā)電。由多次機(jī)組檢修記錄不難看出，四臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組均存在不同程度的汽蝕破壞。為了盡快解決我廠水輪機(jī)過流部件存在的缺陷，也為我國(guó)水輪機(jī)過流部件防腐、抗汽蝕工作的發(fā)展提供一點(diǎn)參考資料，現(xiàn)將我廠水輪機(jī)汽蝕問題做一扼要介紹，供大家參考。

2 基本概念

關(guān)于汽蝕問題大約在20世紀(jì)初期，在海洋中采用高速的輪船時(shí)，發(fā)現(xiàn)輪船的金屬螺旋槳在很短時(shí)間內(nèi)就遭到了破壞，其后在水泵和水輪機(jī)中也都發(fā)生了轉(zhuǎn)輪葉片受到損壞的情況。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，這是由于一種叫做“汽蝕”的現(xiàn)象所造成的，人們對(duì)“汽蝕”現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)完全是從實(shí)踐中來的，這是客觀存在的現(xiàn)象。

為什么會(huì)產(chǎn)生汽蝕破壞呢？大家都知道，在大氣壓力下，將水加溫到100℃，水便開始沸騰，變成水蒸氣稱為汽化。但在高山上燒水，溫度不到100℃，水便開始汽化，這是因高山氣壓低于一個(gè)大氣壓的緣故。由此可見，水汽化溫度與壓力變化有關(guān)，會(huì)在壓力的變化的情況而改變。如水在一個(gè)大氣壓力的作用力下到100℃開始出現(xiàn)汽化，如果此時(shí)壓力下降至0.024個(gè)大氣壓，那么水汽化的溫度會(huì)降低到20℃。

因此，在特定溫度的環(huán)境下，水汽化時(shí)的臨界壓力稱之為水汽化壓力。在不同溫度影響下水汽化壓力不一樣。對(duì)于某一溫度的水當(dāng)壓力下降至某個(gè)汽化壓力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生所謂的汽化。通過水輪機(jī)的水流，如果在某些地方流速增高了，根據(jù)水力學(xué)的能量方程知道，必然引起該處的局部壓力下降，如果該處水流速度增加很大，以致使壓力降低到該水溫下的汽化壓力時(shí)，則在低壓區(qū)的水就會(huì)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，既水開始汽化，產(chǎn)生汽蝕。

凡是水流因局部地區(qū)流速增高，使壓力將低而產(chǎn)生汽化，并由此形成的破壞現(xiàn)象，就叫做汽蝕。應(yīng)當(dāng)指出，水沸騰時(shí)，會(huì)使水變成蒸汽。同時(shí)，由于水中是含有一定氣體的，當(dāng)壓力降低時(shí)，溶解在水中的氣體也會(huì)分離出來，所以在水的汽化過程中所產(chǎn)生的汽泡是一種水蒸氣和空氣的混合體。

汽蝕對(duì)過流表面產(chǎn)生破壞的原因，目前有三種說法：

2.1 機(jī)械破壞作用

水汽化所產(chǎn)生的汽泡，隨著水流往前運(yùn)動(dòng)，如進(jìn)入高壓區(qū)，因壓力有變化，氣泡內(nèi)蒸汽重新凝結(jié)為水。因體積突然收縮氣泡原占有空間形成真空，因此周圍高壓力流質(zhì)點(diǎn)調(diào)整沖進(jìn)此空間而形成極為強(qiáng)大的水的積壓力量，這是一種瞬間的脈沖壓力，有時(shí)可達(dá)幾百—上千個(gè)大氣壓力。另外，水中所分解的小氣泡在水擊壓力作用下快速被壓縮，直至氣泡彈性壓力加大水擊壓力時(shí)，泡彈不會(huì)再壓縮而變成了瞬間的膨脹，因此過流的表面也會(huì)形成另外一種水擊的壓力。

在過渡表面的某個(gè)區(qū)域內(nèi)，伴隨著水流不斷的經(jīng)過，會(huì)重復(fù)氣泡形成-破裂-壓縮-膨脹的過程，并且產(chǎn)生高速上海話的脈沖壓力，而機(jī)件在這樣的作用力下表面的金屬晶粒被破壞。高壓區(qū)水流壓力下滲入金屬裂縫中，而當(dāng)水流局部壓力突然降低時(shí)，所滲進(jìn)的金屬裂縫水流由縫中吸出，而這樣的作用在不斷反復(fù)中，使金屬表面的晶粒有被吸附而脫離金屬表面的傾向。這些作用力讓金屬承受重復(fù)載茶，當(dāng)疲勞應(yīng)力過了材料的疲勞度后金屬表面會(huì)受到破壞，并且在破壞的地方容易產(chǎn)生應(yīng)力的集中表現(xiàn)。

2.2 化學(xué)作用

汽泡在高壓區(qū)壓縮時(shí)，需要放出熱量，再加上因?yàn)樗畵魤毫Γ瑢?duì)金屬表面的沖擊同樣也會(huì)產(chǎn)生局部高溫，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定在汽泡凝結(jié)的時(shí)候局部溫生可達(dá)幾百度。而也正是在這樣的高壓、高溫作用下，汽泡對(duì)金屬表面氧化作用會(huì)不斷促進(jìn)。

2.3 電化作用

汽泡如果在一個(gè)高溫度、高壓力的作用力之下，會(huì)產(chǎn)生電化作用，即放電現(xiàn)象。同時(shí)，因?yàn)榻饘俦砻嬗兄植康臏夭罘从常诰ЯＶ幸矔?huì)形成熱電偶，在溫度的低的一方會(huì)有電位差的存在，因此會(huì)對(duì)金屬的表面產(chǎn)生一定的電解作用。金屬表面也會(huì)因?yàn)殡娊庾饔枚兓?、發(fā)暗，這樣機(jī)械的浸蝕速度會(huì)不斷加快。

根據(jù)對(duì)汽蝕現(xiàn)象這些年的觀察，汽蝕破壞主要是對(duì)機(jī)械產(chǎn)生破壞，化學(xué)、電化破壞排在其后。

在水電站通常用汽蝕的面積和深度來比較不同水輪機(jī)產(chǎn)生的汽蝕程度，但這在實(shí)際應(yīng)用上很不方便。目前一般是采用補(bǔ)焊焊條的重量來衡量，用汽蝕指數(shù)K1[kg/（m2·h）]來表示，分類級(jí)別見表1。K1值由下式來計(jì)算。

K1=W/FT

式中：W——補(bǔ)焊焊條重量（kg）；

F——葉片背面總面積（m2）；

T——有效運(yùn)行時(shí)間（h）。

表1 水輪機(jī)汽蝕級(jí)別分類表（按K1值）

3 龍羊峽電站四臺(tái)水輪機(jī)過流部件汽蝕情況

龍羊峽四臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組分別于1987年10月4日、1987年12月29日、1988年7月3日、1989年6月14日正式移交我廠投產(chǎn)發(fā)電，其中投產(chǎn)最晚的4#機(jī)也已經(jīng)運(yùn)行了近13年。四臺(tái)機(jī)組中，也只有2#水輪發(fā)電機(jī)組在1995年進(jìn)行了一次擴(kuò)大型大修。1#機(jī)組運(yùn)行初期由于庫(kù)水位限制（上游：2531m；下游：2450m；毛水頭81m），在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里處在低水頭下運(yùn)行。最近這些年黃河上游的水量一直比較低，而四臺(tái)機(jī)組的大部分工作時(shí)間時(shí)，均無法達(dá)到設(shè)計(jì)的水頭。而這也是機(jī)組汽蝕破壞的另一個(gè)重要原因。

3.1 龍羊峽水電站HLD06A-LJ-600水輪機(jī)的部分設(shè)計(jì)參數(shù)

水輪機(jī)型號(hào)：HLD06A-LJ-600

最高水頭：150m 轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑：600cm

最低水頭：99.5m 平均水頭：130m

極限最低水頭：76m 設(shè)計(jì)流量：298m3/s

設(shè)計(jì)水頭：122m 額定轉(zhuǎn)速：125r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：256r/min 吸出高度（HS）：-3.5m

水輪機(jī)額定出力：325600kW 模型汽蝕系數(shù)（δM）：0.06

安裝高程：▼2448m裝置汽蝕系數(shù)（δy）：0.094

轉(zhuǎn)輪上冠下環(huán)材質(zhì)：ZG20SiMn活動(dòng)導(dǎo)葉材質(zhì)：ZG20SiMn

轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)：ZG0Cr13Ni6Mn尾水管里襯材質(zhì)：A3鋼

尾水管補(bǔ)氣短管材質(zhì)：1F、2F 20Cr

3F、4F A3鋼

水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線如圖1所示。

圖1 運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

3.2 龍羊峽四臺(tái)水輪機(jī)因汽蝕造成的破壞

自發(fā)電以來，水輪機(jī)汽蝕破壞問題，一直困擾著我廠。從歷次機(jī)組大小修紀(jì)錄中不難看出，四臺(tái)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片出水邊背面靠近下環(huán)處，均有不同程度的翼形汽蝕區(qū)，面積最大的有500mm×300mm，深度近20mm（圖2中A處所示）。同時(shí)，在轉(zhuǎn)輪上流道進(jìn)出口的上冠處，也均由不同程度的汽蝕區(qū)。其中以出口處的汽蝕區(qū)最為嚴(yán)重，汽蝕區(qū)域最大的有250mm×100mm，深度近10mm（圖2中B處所示）。相比之下，發(fā)生在轉(zhuǎn)輪下流道處的汽蝕比較輕微，但局部也有汽蝕坑，尺寸約φ30，深度達(dá)15mm（圖2中C處所示）。經(jīng)過對(duì)四臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪進(jìn)行檢查，我們也發(fā)現(xiàn)，在每片轉(zhuǎn)輪葉片所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪下環(huán)下平面處，均有約300mm×150mm，深度近10mm的翼形汽蝕區(qū)。因該位置發(fā)生的汽蝕在一般的大小修中難以處理，只有在機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)大性大修中將轉(zhuǎn)輪吊出，方可進(jìn)行處理（圖2中D處所示）。該處的汽蝕情況日趨嚴(yán)重，除蜂窩狀的汽蝕區(qū)外，因該處表面有不銹鋼材料涂層，在涂層與母材接縫處已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的空洞、縫隙。同時(shí)，在轉(zhuǎn)輪泄水錐減壓孔處均有不同程度的汽蝕區(qū)，最大處約有200mm×150mm，深度近5mm（圖2中E處所示）。泄水錐各處的護(hù)板焊縫處也常有裂紋出現(xiàn)，有些裂紋長(zhǎng)度近1000mm，深度有3～5mm（圖2中F處所示）。有個(gè)別機(jī)組的泄水錐及泄水錐護(hù)板，因汽蝕嚴(yán)重，發(fā)生過掉落、撕裂現(xiàn)象。泄水錐下緣內(nèi)側(cè)也有嚴(yán)重汽蝕、掉邊現(xiàn)象（圖2中G處所示）。

圖2 轉(zhuǎn)輪汽蝕部位示意圖

我廠水輪機(jī)采用的是尾水管內(nèi)補(bǔ)氣短管補(bǔ)氣裝置。1#機(jī)、2#機(jī)采用的是4根φ400補(bǔ)氣短管，利用射流補(bǔ)氣于自然補(bǔ)氣相結(jié)合的方式進(jìn)行補(bǔ)氣。3#機(jī)、4#機(jī)采用的是8根補(bǔ)氣短管，利用自然補(bǔ)氣與強(qiáng)迫補(bǔ)氣相結(jié)合的方式。因某種原因，射流補(bǔ)氣系統(tǒng)與強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)一直未能投入運(yùn)行，只能依靠自然補(bǔ)氣系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣。尾水管內(nèi)汽蝕情況較為嚴(yán)重，汽蝕區(qū)域，主要集中在尾水管補(bǔ)氣短管的背水面及其沿伸方向的里襯上。汽蝕區(qū)域面積較大，最大處約有900mm×600mm，最深處達(dá)20mm。該處汽蝕區(qū)內(nèi)裂紋較多，有些地方最長(zhǎng)的裂紋近1800mm，裂紋寬度有3mm，深度有10～15mm。有些裂紋還向其周圍的里襯上延伸。

從檢修記錄分析，每一次機(jī)組的維修時(shí)期中，過流部件因?yàn)槠g造成破壞補(bǔ)焊量最高時(shí)可達(dá)50～100kg。這不單對(duì)其安全運(yùn)行造成了極大的浪費(fèi)，也對(duì)人、財(cái)、物力造成了浪費(fèi)。因?yàn)檫^流部件處理時(shí)，要在尾水管內(nèi)搭建志腳手架并運(yùn)用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)，這不單延長(zhǎng)機(jī)組小修工期，更產(chǎn)生了許多不安定的因素。同時(shí)，根據(jù)水輪機(jī)汽蝕級(jí)別分類表計(jì)算得出，我廠水輪機(jī)的汽蝕破壞屬于Ⅱ級(jí)至Ⅲ級(jí)。由此也可以看出，我廠的水輪機(jī)汽蝕問題不容忽視。

以我廠1F水輪機(jī)為例，歷次檢修中水輪機(jī)過流部件檢查情況如表2所示。

表2

4 水輪機(jī)汽蝕區(qū)處理方法

針對(duì)水輪機(jī)不同部位產(chǎn)生的汽蝕，以及部件所采用的材質(zhì)不同，在汽蝕區(qū)的處理方法上也有一些細(xì)微區(qū)別。汽蝕區(qū)處理時(shí)，首先應(yīng)對(duì)汽蝕區(qū)進(jìn)行清根處理，用電弧氣刨刨去汽蝕區(qū)，直至見到母材。用手提式砂輪機(jī)磨去汽蝕區(qū)內(nèi)的。

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TV734.1

A

1004-7344（2016）18-0234-02

2016-6-10

彭 濤（1967-），男，漢族，青海循化人，工程師，本科，畢業(yè)于北京理工大學(xué)，主要從事水電站運(yùn)行（23年），現(xiàn)從事水電站安全生產(chǎn)工作。