張河灣抽水蓄能機(jī)組氣蝕現(xiàn)狀與防治措施

李永紅，郭旭東，溫佩佩，盧 彬，徐 桅

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于太行山深處井陘縣境內(nèi)，距石家莊市（負(fù)荷中心）直線距離為 52 km，公路里程77 km，裝機(jī)總?cè)萘繛?00萬(wàn)kW，安裝4臺(tái)25萬(wàn)kW的單級(jí)混流可逆式機(jī)組，以一回500 kV線路接入河北南部電網(wǎng)。承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、事故備用等任務(wù)，起到十分重要的作用。

張河灣抽水蓄能電站機(jī)組的額定水頭為305 m，每臺(tái)機(jī)組均為20個(gè)固定導(dǎo)葉，高度約為0.46 m，表面覆蓋防腐漆。

2 水泵水輪機(jī)汽蝕情況

張河灣抽水蓄能電站3號(hào)、4號(hào)機(jī)組運(yùn)行至今，固定導(dǎo)葉上下端面、立面端面、立面密封附近、以及在頂蓋、底環(huán)和活動(dòng)導(dǎo)葉背部區(qū)域有較明顯的汽蝕現(xiàn)象，如圖1～圖4。

圖1 固定導(dǎo)葉立面端面

圖2 固定導(dǎo)葉上下端面

圖3 活動(dòng)導(dǎo)葉背面

圖4 底環(huán)

3 汽蝕原因分析

汽蝕是水工建筑和水力機(jī)械運(yùn)行過(guò)程中普遍存在的一種破壞形式，它屬于磨損腐蝕的一種特殊形式，是由于過(guò)流部件附近的氣泡劇烈潰滅瞬間產(chǎn)生的高壓沖擊波或高速微射流，高頻進(jìn)攻過(guò)流部件外表面，在材料外表面局部發(fā)生較大的塑性形變，致使材料表面產(chǎn)生破碎，形成蝕坑并裸露出新的基材。隨著空蝕時(shí)間增加，蝕坑逐漸增大增深，當(dāng)蝕坑擴(kuò)展到一定程度后，過(guò)流部件就會(huì)發(fā)生斷裂。

3.1 材料汽蝕破壞機(jī)理

由于汽蝕涉及流動(dòng)條件、機(jī)械力、材料冶金與電化學(xué)交互作用等方面。材料表面產(chǎn)生空化導(dǎo)致破壞的主要有機(jī)械作用、化學(xué)腐蝕作用、電化學(xué)作用和熱力作用等。

3.2 空蝕的類型

水在水輪機(jī)過(guò)道中的流動(dòng)是極其復(fù)雜的，空化現(xiàn)象可以出現(xiàn)在不同部位，在不同條件下形成空化初生，根據(jù)汽蝕發(fā)生的條件和部位的不同，可將汽蝕分為翼型汽蝕、間隙汽蝕、局部汽蝕、空腔汽蝕和局部空蝕5種。

綜合上述材料汽蝕破壞機(jī)理和汽蝕類型分析，固定導(dǎo)葉立面端面、上下端面都屬于間隙汽蝕，其破壞同時(shí)涉及機(jī)械作用、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。由于固定導(dǎo)葉線型的原因，固定導(dǎo)葉出口處（圖5中C）的空間會(huì)增加，導(dǎo)致此處水流速度存在小幅減小的情況，特別是固定導(dǎo)葉轉(zhuǎn)輪端的端面處（圖5中D），會(huì)因其水流速度小于周圍水流速度而形成負(fù)壓狀態(tài)，導(dǎo)致汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。在汽蝕作用下，導(dǎo)葉該區(qū)域表面的涂層首先被破壞脫落失效，耐腐蝕性較差的導(dǎo)葉碳鋼基材裸露，同時(shí)受到腐蝕、汽蝕和沖刷的作用，另外與其連接的不銹鋼活動(dòng)導(dǎo)葉因其電位高于固定導(dǎo)葉，會(huì)形成電偶腐蝕，加速固定導(dǎo)葉汽蝕破壞區(qū)域的腐蝕。

圖5 水輪機(jī)作用示意圖

活動(dòng)導(dǎo)葉背面的汽蝕應(yīng)屬于翼型汽蝕，主要是由水輪機(jī)經(jīng)常在非最優(yōu)工況下運(yùn)行時(shí)而引發(fā)，其表面的破壞主要是汽蝕過(guò)程中的微射流破壞產(chǎn)生，因是不銹鋼材質(zhì)，無(wú)腐蝕和電化學(xué)腐蝕情況。

4 汽蝕危害

汽蝕缺陷增加了導(dǎo)葉的表面粗糙度、破壞了導(dǎo)葉的線型、增加了水流摩擦阻力，影響了導(dǎo)葉周圍應(yīng)有的繞流條件，使導(dǎo)葉內(nèi)的能量損失增大，嚴(yán)重影響水輪機(jī)的出力和運(yùn)行效率。同時(shí)，導(dǎo)葉表面粗糙度的增大，會(huì)對(duì)空化的產(chǎn)生形成促進(jìn)作用，加速其汽蝕、沖刷和磨損腐蝕，長(zhǎng)期下去，腐蝕破壞加重，會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)、噪音和負(fù)荷波動(dòng)，直接影響機(jī)組的運(yùn)行安全。

5 汽蝕的應(yīng)對(duì)措施

5.1 選擇最優(yōu)化的運(yùn)行方式

通過(guò)多年來(lái)運(yùn)行實(shí)踐證明，運(yùn)行工況對(duì)汽蝕有一定的影響。水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，值班人員應(yīng)定期觀察并記錄水輪機(jī)尾水管真空表上的數(shù)值變化，選擇最優(yōu)工況運(yùn)行，盡量避免水輪機(jī)長(zhǎng)期在低水頭和低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，以避開汽蝕嚴(yán)重的運(yùn)行工況區(qū)域。同時(shí)，要確保頂蓋處真空破壞閥和尾水管補(bǔ)氣裝置完好，便于降低真空壓力，破壞真空渦帶形成，減輕汽蝕、振動(dòng)程度。

5.2 及時(shí)檢修和修補(bǔ)

材料汽蝕破壞的過(guò)程可分為3個(gè)典型階段：汽蝕孕育期，汽蝕加速期和汽蝕穩(wěn)定期。在汽蝕初期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)可避免經(jīng)歷汽蝕加速期。另外汽蝕、磨損和化學(xué)腐蝕造成的表面粗糙度增加，會(huì)對(duì)空化的產(chǎn)生形成促進(jìn)作用，光滑表面可推遲空化發(fā)生減少汽蝕。因此，針對(duì)易發(fā)生汽蝕的部位和已出現(xiàn)的汽蝕缺陷，應(yīng)及時(shí)檢修處理，這樣既能縮短檢修時(shí)間，又能提高轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的壽命和運(yùn)行質(zhì)量。在日常檢修中，采用先進(jìn)的材料和工藝對(duì)表面的腐蝕缺陷及時(shí)修復(fù)和涂層防護(hù)，可避免汽蝕的加速破損，對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件的防護(hù)起到事半功倍的效果。SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層是一種彈性高分子聚合物材料，能夠耗散空泡潰滅時(shí)對(duì)工件表面的沖擊能量和沙粒的動(dòng)能，起到“以柔克剛”的效果，經(jīng)過(guò)應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件的汽蝕區(qū)域的防護(hù)具有良好的保護(hù)效果。

5.3 抗汽蝕涂層

目前抗汽蝕、耐磨損和防腐蝕涂層主要有金屬涂層和有機(jī)涂層2類。國(guó)內(nèi)在抗汽蝕金屬涂層材料的研究與應(yīng)用方面開展了大量的工作，并取得了較大的進(jìn)展。如金屬表面堆焊奧氏體不銹鋼并進(jìn)行表面重熔改性、熱噴涂鈷基合金涂層、等離子熔覆高鉻鐵基合金、表面堆焊鈷基合金等，都能在一定程度上提高基材的抗汽蝕性能。但金屬涂層的施工工藝難度大、工藝溫度較高，容易導(dǎo)致工件產(chǎn)生熱變形，施工涂層厚度不易控制，施工后需重新進(jìn)行機(jī)械加工，同時(shí)對(duì)前處理工藝和設(shè)備均具有較高的要求，使現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)操作難度較大，成本較高，因此未能在水電行業(yè)的檢修中大規(guī)模推廣應(yīng)用。

有機(jī)抗汽蝕涂層材料主要有剛性環(huán)氧涂層和彈性聚氨酯2類?？蛊g、耐磨損和防腐蝕環(huán)氧涂層是以環(huán)氧樹脂為基體，Al2O3、SiO2、SiC等硬質(zhì)陶瓷粉末增強(qiáng)的一類涂層。環(huán)氧樹脂是含有2個(gè)或2個(gè)以上活潑環(huán)氧基團(tuán)的高分子化合物，與氨基固化劑交聯(lián)固化后，形成產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)為交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予其優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)分子鏈中固有的極性羥基和醚鍵使其與金屬具有很高的粘結(jié)性。采用硬質(zhì)陶瓷粉末增強(qiáng)后具有粘接強(qiáng)度大、硬度高、耐沖刷、耐磨損性能好等優(yōu)點(diǎn)。該涂層在水電站的應(yīng)用情況表明，涂層對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體、葉片正面等非汽蝕區(qū)具有良好的抗沙粒磨損效果，但葉片背面及根部、轉(zhuǎn)輪室中環(huán)等強(qiáng)汽蝕區(qū)脫落嚴(yán)重，防護(hù)效果較差，這主要是由于固化后的環(huán)氧樹脂基體韌性較差，涂層內(nèi)應(yīng)力大，抗汽蝕性能不足，在汽蝕的疲勞破壞作用下，易脆裂脫落而失效，因此不適合在汽蝕破壞嚴(yán)重的場(chǎng)合使用。

有機(jī)聚氨酯彈性體涂層能大量吸收空蝕產(chǎn)生的高頻沖擊能量，同時(shí)其力學(xué)強(qiáng)度高，耐磨、抗沖刷等性能優(yōu)良，是優(yōu)異的抗汽蝕涂層材料。聚氨酯彈性體涂層目前已應(yīng)用于三門峽、青銅峽、小浪底等水電站的水輪機(jī)葉片、導(dǎo)葉、底環(huán)和頂蓋等過(guò)流部件的防護(hù)，并取得了良好的抗磨損效果。聚氨酯彈性體涂層的失效案例表明，涂層與基材粘結(jié)性和耐高速水流沖刷性能不足是涂層脫落失效的主要原因，因此優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善聚氨酯彈性體涂層的粘接強(qiáng)度和耐高速水流沖刷性能對(duì)其在水輪機(jī)過(guò)流部件表面推廣具有重要意義。

5.4 汽蝕修復(fù)與涂層防護(hù)應(yīng)用試驗(yàn)

SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層、SOTO 9211橡膠底涂劑、SOTO 3112無(wú)溶劑環(huán)氧涂料的梯度復(fù)合防護(hù)涂層體系和SOTO 2122金屬陶瓷修補(bǔ)材料是碩投（武漢）高分子技術(shù)有限公司針對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件的汽蝕修復(fù)與防護(hù)設(shè)計(jì)開發(fā)。SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層為具有優(yōu)異耐磨性和抗汽蝕性能的無(wú)溶劑聚氨酯彈性體涂層，用于面涂層，可有效抵抗汽蝕和泥沙磨蝕破壞；具有高粘接強(qiáng)度的SOTO 3112無(wú)溶劑環(huán)氧涂料作為底層材料使用，保證涂層體系與基材界面的結(jié)合強(qiáng)度；SOTO 9211橡膠底涂劑為高韌性的聚氨酯中間層，與無(wú)溶劑環(huán)氧和聚氨酯耐磨橡膠均具有化學(xué)鍵合能力，可起到過(guò)渡粘接作用，保證涂層的層間結(jié)合強(qiáng)度和配套性。由剛性至彈性過(guò)渡復(fù)合涂層體系的應(yīng)用，可充分發(fā)揮各涂層的優(yōu)勢(shì)，有效解決水輪機(jī)過(guò)流部件的汽蝕、磨損、沖刷和腐蝕問題。

在2018年9月張河灣抽水蓄能電站1號(hào)和4號(hào)機(jī)組檢修期間，選用SOTO的修補(bǔ)材料和梯度復(fù)合防護(hù)涂層體系在2個(gè)機(jī)組的1～15號(hào)固定導(dǎo)葉上進(jìn)行汽蝕的修復(fù)與防護(hù)應(yīng)用試驗(yàn)，汽蝕缺陷經(jīng)過(guò)修復(fù)和涂裝后，表面平整光滑，其性能及使用效果有待跟蹤考察。見圖6～圖9。

圖6 尖部汽蝕

圖7 立面汽蝕

圖8 第一道修補(bǔ)涂層

圖9 第二道無(wú)溶劑底涂層

6 結(jié)語(yǔ)

汽蝕在水電行業(yè)的運(yùn)行中普遍存在，危害性大。當(dāng)前由于抽水蓄能行業(yè)的機(jī)組水頭較高，水流流速較快，所以在抽水蓄能的機(jī)組中固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪及其他通流部件均容易出現(xiàn)汽蝕，汽蝕的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致機(jī)組效率下降、振動(dòng)加劇、噪聲加大、水泵水輪機(jī)使用壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)將危及安全運(yùn)行。水電站應(yīng)適時(shí)采用有效的防護(hù)措施進(jìn)行預(yù)防，同時(shí)，電站人員應(yīng)特別關(guān)注和研究電站的運(yùn)行特點(diǎn)，科學(xué)管控，合理調(diào)度，確保電站安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。