龔嘴水電站水輪機(jī)過(guò)流部件抗磨蝕改造綜述

李 東

(國(guó)電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂(lè)山 614900)

龔嘴水電站位于四川省境內(nèi)的大渡河下游，為壩后式徑流電站，首臺(tái)機(jī)組于1971年底并網(wǎng)發(fā)電，1978年12月全部投產(chǎn)運(yùn)行，電站原裝機(jī)為7×100 MW，多年平均發(fā)電量34.18億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 900 h，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻和事故備用等任務(wù)。2002年11月至2012年4月，龔嘴水電站完成了7臺(tái)機(jī)組的增容改造工程，總裝機(jī)容量為7×110 MW。大渡河為多泥沙河流，特別是汛期泥沙較多，根據(jù)1956～1964年實(shí)測(cè)泥沙資料(銅街子水文站)，多年平均含沙量為0.71 kg/m3，最大日平均含沙量為9.45 kg/m3，因此，該電站從建設(shè)以來(lái)，水輪機(jī)過(guò)流部件的抗磨蝕問(wèn)題就在安裝、檢修、改造及科研等各個(gè)階段中存在，并不斷地進(jìn)行治理和改善中。

1 安裝存在隱患多

龔嘴水電站機(jī)組為上世紀(jì)60年代產(chǎn)品，轉(zhuǎn)輪、尾水管主要采用15錳鉬釩銅(15MnMoVCu)，頂蓋用16錳鋼(16Mn)，活動(dòng)導(dǎo)葉采用合金鑄鋼(ZG20MnSi)，底環(huán)用鑄鋼(ZG35#)，地面廠房1～4號(hào)機(jī)組蝸殼均采用15錳鉬釩銅，1973年?yáng)|方電機(jī)廠在制作地下廠房5～7號(hào)機(jī)組蝸殼時(shí)，由于15錳鉬釩銅高強(qiáng)度鋼板性能不穩(wěn)定，國(guó)內(nèi)鋼廠已停止生產(chǎn)不再接受訂貨，而采用了15錳釩等鋼板，加厚一級(jí)使用。15錳鉬釩銅系當(dāng)時(shí)新鋼種，強(qiáng)度較高，但沖擊韌性低(且不穩(wěn)定)，基本上處于脆性狀態(tài)，止裂性和可焊性很差，在蝸殼、尾水管焊接過(guò)程中曾多次出現(xiàn)裂縫；15錳釩等鋼板在工地焊接過(guò)程中也曾多次出現(xiàn)裂縫，性能不穩(wěn)定，發(fā)生嚴(yán)重延遲裂紋現(xiàn)象。因此，受當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的材料科技水平制約(不能進(jìn)口)，盡管做了很多研究，采用了不少當(dāng)時(shí)的新技術(shù)和新材料，但龔嘴水電站水輪機(jī)過(guò)流部件所用材質(zhì)仍然存在抗磨蝕、銹蝕性能較差，且性能不穩(wěn)定，給接機(jī)后的運(yùn)行管理、檢修維護(hù)造成較大困難。

2 檢修治理的難度大

龔嘴水電站水輪機(jī)過(guò)流部件受當(dāng)時(shí)工藝水平的限制，流道型線差，表面光潔度低。大渡河流域汛期水質(zhì)差，含沙量大，沙粒粗且硬度高，對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件表面造成明顯的磨蝕破壞，特別是對(duì)水輪機(jī)葉片的磨蝕破壞速度較快。上世紀(jì)90年代，龔嘴水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片已明顯變薄，強(qiáng)度降低，葉片邊緣變成刀刃，局部磨蝕損壞(見(jiàn)圖1、圖2)，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)輪泄水錐、止漏環(huán)脫落等嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的事故；蝸殼、座環(huán)、尾水管等也磨蝕特別嚴(yán)重，也多次出現(xiàn)空心固定導(dǎo)葉破裂穿水、尾水管錐管段裂紋漏水等險(xiǎn)情(見(jiàn)圖3)，每年檢修必須對(duì)各機(jī)組進(jìn)行大面積和局部用不銹鋼焊條補(bǔ)焊和打磨處理(見(jiàn)圖4)?，F(xiàn)場(chǎng)修復(fù)手段有限且工作量巨大，也不具備返廠修復(fù)條件，受損部件始終無(wú)法得到徹底修復(fù)。而且配件尺寸已遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)狀況，水輪機(jī)上下迷宮環(huán)間隙已由設(shè)計(jì)時(shí)的2～2.45 mm擴(kuò)大到10～15 mm，導(dǎo)葉端面間隙由設(shè)計(jì)的0.32～0.85 mm擴(kuò)大到5～8 mm，水輪機(jī)性能偏離設(shè)計(jì)值，效率由88%降至86%。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊嚴(yán)重磨蝕圖

圖2 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊局部裂紋并脫落圖

圖3 尾水錐管裂紋處理圖

圖4 座環(huán)固定導(dǎo)葉補(bǔ)焊圖

3 改造治理效果好

為消除設(shè)備隱患，提高機(jī)組效率，龔站機(jī)組增容改造及過(guò)流部件抗磨蝕治理技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析報(bào)告于上世紀(jì)90年代初就提上了議事日程。21世紀(jì)初，龔嘴水電站機(jī)組增容改造工作穩(wěn)步推進(jìn)，先后于2003年和2004年完成了1、5號(hào)機(jī)增容改造，2006～2012年度依次完成了2、7、4、6、3號(hào)機(jī)組增容改造，龔嘴水電站總裝機(jī)容量由70 MW增加到77 MW。采用新的水輪機(jī)及過(guò)流部件，一是降低了額定水頭(老機(jī)組的額定水頭為48 m，新機(jī)組的額定水頭為44 m)；二是利用最新科技成果進(jìn)行水力學(xué)設(shè)計(jì)，新水輪機(jī)平均效率達(dá)93%，較老機(jī)組大約提高了7%左右；三是新的轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)、活動(dòng)導(dǎo)葉等過(guò)流部件均采用抗銹蝕耐磨蝕的不銹鋼制造，極大的提高了運(yùn)行可靠性和抗磨蝕性能，節(jié)約了檢修成本，降低了檢修強(qiáng)度和難度。

3.1 水輪機(jī)主要部件改造及優(yōu)化過(guò)程

1)前期改造的1、5號(hào)機(jī)存在的問(wèn)題及處理過(guò)程。龔嘴水電站最先改造的1、5號(hào)機(jī)主要采用加拿大GE公司設(shè)計(jì)產(chǎn)品。1、5號(hào)機(jī)運(yùn)行兩年后，水輪機(jī)頂蓋上環(huán)板穿孔、止漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪上冠上平面磨蝕破壞嚴(yán)重(2005年汛期5號(hào)機(jī)頂蓋多次出現(xiàn)沙眼穿水現(xiàn)象)(見(jiàn)圖5、圖6)，組織國(guó)內(nèi)水輪機(jī)方面的專(zhuān)家對(duì)機(jī)組頂蓋穿孔現(xiàn)象進(jìn)行分析研究討論后，按專(zhuān)家組方案于2005～2006年度檢修期對(duì)1、5號(hào)機(jī)頂蓋進(jìn)行改造處理，經(jīng)后期運(yùn)行檢驗(yàn)，未能解決頂蓋磨蝕嚴(yán)重的問(wèn)題。2008年9月，5號(hào)機(jī)頂蓋組合縫部位出現(xiàn)穿水現(xiàn)象，國(guó)電大渡河公司、檢修公司結(jié)合龔嘴水電站1、5號(hào)機(jī)增容改造后的水輪機(jī)頂蓋實(shí)際結(jié)構(gòu)，提出了升高頂蓋固定止漏環(huán)以減小射流速度、增大其沿程損失的處理方案，并在2008～2009年度檢修中對(duì)1、5號(hào)機(jī)頂蓋止漏環(huán)進(jìn)行了加高改造(見(jiàn)圖7)。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行檢驗(yàn)，1、5號(hào)機(jī)頂蓋改造部位幾乎未出現(xiàn)磨蝕現(xiàn)象，表明水輪機(jī)頂蓋結(jié)構(gòu)改造十分成功。

圖5 頂蓋磨蝕情況圖(外觀)

圖6 轉(zhuǎn)輪上冠上平面磨蝕情況圖(外觀)

圖7 頂蓋加高改造修配圖

2)后續(xù)改造機(jī)組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為克服水輪機(jī)磨蝕破壞，在后續(xù)機(jī)組改造中，國(guó)電大渡河檢修安裝有限公司認(rèn)真總結(jié)龔嘴水電站1、5號(hào)機(jī)改造增容的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)前期兩臺(tái)機(jī)組增容改造投運(yùn)后出現(xiàn)頂蓋與轉(zhuǎn)輪磨蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，積極協(xié)調(diào)溝通，協(xié)助東方電氣集團(tuán)公司開(kāi)展轉(zhuǎn)輪換型(國(guó)產(chǎn)化)的相關(guān)試驗(yàn)和選型工作，從結(jié)構(gòu)上重新設(shè)計(jì)，進(jìn)行模型轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化并最終確定水輪機(jī)型號(hào)(HLD443a-LJ-592.1)；多次組織召開(kāi)專(zhuān)題技術(shù)討論會(huì)研究改進(jìn)方案，與東方電氣集團(tuán)公司一起提出了一系列創(chuàng)新方案，在后續(xù)增容改造的2、3、4、6、7號(hào)機(jī)組上實(shí)施(文中以2號(hào)機(jī)為例)，將轉(zhuǎn)輪上冠加高到320 mm，轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)與固定止漏環(huán)之間的間隙調(diào)為1.6～2.0 m，以降低轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)出口流速，減小通過(guò)轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪上冠的漏水量。轉(zhuǎn)輪上冠上斷面與頂蓋之間距離由原GE公司設(shè)計(jì)的29 mm加寬到45 mm，轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)上方的頂蓋上環(huán)板采用S135不銹鋼板并改善頂蓋上環(huán)板及固定止漏環(huán)的焊縫結(jié)構(gòu)。同時(shí)轉(zhuǎn)輪上冠加設(shè)引水擋板并澆筑混凝土，減小轉(zhuǎn)輪上冠的空腔，以改善轉(zhuǎn)輪上冠水流的流態(tài)，降低含泥沙水流對(duì)頂蓋上環(huán)板的沖蝕破壞。轉(zhuǎn)輪泄水孔排水面積與止漏環(huán)縫隙面積之比設(shè)計(jì)到與老轉(zhuǎn)輪相當(dāng)。為減小埋入部分土建改造的工作量，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算比較，將轉(zhuǎn)輪下環(huán)外圓尺寸最終確定為φ6 150，并重新設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)環(huán)增改段。2號(hào)機(jī)與老機(jī)組及轉(zhuǎn)輪止漏系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 2號(hào)機(jī)與老機(jī)組轉(zhuǎn)輪止漏系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)比表

3.2 其他主要先進(jìn)技術(shù)與工藝的應(yīng)用

1)基礎(chǔ)環(huán)改造與安裝。龔嘴水電站水輪機(jī)增容改造采用的新轉(zhuǎn)輪下環(huán)較原轉(zhuǎn)輪下環(huán)下延197 mm，故老機(jī)組的基礎(chǔ)環(huán)將不能滿(mǎn)足要求。為盡量減小埋入部分土建改造的工作量，重新設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)環(huán)增補(bǔ)段，老基礎(chǔ)環(huán)需割去多余的法蘭段，與組圓后的基礎(chǔ)環(huán)增補(bǔ)段組焊。同時(shí)，由于龔嘴水電站原尾水錐管里襯材質(zhì)為15MnMoVCu鋼板，自上世紀(jì)90年代中期7臺(tái)機(jī)組都陸續(xù)出現(xiàn)了尾水管里襯空蝕磨損穿孔、裂紋、掉塊等重大缺陷，故基礎(chǔ)環(huán)的改造結(jié)合尾水錐管直錐段更換一起進(jìn)行。

2)水輪機(jī)尾水錐管改造。尾水管原材質(zhì)為15MnMoVCu，現(xiàn)更換為力學(xué)性能較好的321不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)，尾水管增加210 mm補(bǔ)償節(jié)(現(xiàn)長(zhǎng)度為1 784 mm)，鋼板厚度也增加了5 mm(現(xiàn)厚度為30 mm)，尾水管由原來(lái)的4瓣組焊改為三瓣焊接，減少了一條立焊縫，大大提高了尾水管的使用壽命和可靠性。新尾水管的安裝、固定方式更加科學(xué)，研究應(yīng)用尾水管環(huán)向和縱向布筋工藝進(jìn)一步增加了尾水管強(qiáng)度，且受力更均勻，抗沖擊和振動(dòng)能力更強(qiáng)。

3.3 改造治理效果檢驗(yàn)

龔嘴水電站水輪機(jī)過(guò)流部件改造主要包括更換轉(zhuǎn)輪、頂蓋、活動(dòng)導(dǎo)葉、底環(huán)、尾水錐管等。轉(zhuǎn)輪為整體結(jié)構(gòu)，采用ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼，取消嵌套止漏環(huán)結(jié)構(gòu)，其下環(huán)較原轉(zhuǎn)輪下延197 mm；導(dǎo)葉為整鑄ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼導(dǎo)葉，頂蓋及底環(huán)過(guò)流面上均設(shè)有Ocr189Ni不銹鋼板，頂蓋固定止漏環(huán)為1Cr18Ni9Ti。改造前后水輪機(jī)主要部件材質(zhì)對(duì)比詳見(jiàn)表2。以2號(hào)機(jī)為例，2008年4月份完成其水輪機(jī)相關(guān)過(guò)流部件改造更換后，設(shè)備經(jīng)過(guò)10年的運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪、頂蓋、導(dǎo)葉等均未見(jiàn)明顯磨蝕(見(jiàn)圖8，圖9)，并經(jīng)國(guó)電電科院進(jìn)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空蝕評(píng)定，結(jié)果良好，表明龔嘴水電站改造后的水輪機(jī)過(guò)流部件整體抗磨蝕性能治理效果顯著。

表2 改造前后水輪機(jī)主要部件材質(zhì)對(duì)比表

圖9 2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊及尾水錐管圖

4 通過(guò)科研探索新思路

龔嘴水電站1～7號(hào)機(jī)組雖然完成了轉(zhuǎn)輪、頂蓋、活動(dòng)導(dǎo)葉、底環(huán)、尾水錐管等水輪機(jī)相關(guān)過(guò)流部件的改造更換工程，但機(jī)組蝸殼、座環(huán)及固定導(dǎo)葉、尾水管等埋設(shè)部件因施工條件原因未進(jìn)行改造更換，而蝸殼和固定導(dǎo)葉受當(dāng)初材質(zhì)和制造科技條件所限，一直存在抗磨蝕、銹蝕性能較差，且性能不穩(wěn)定的重大隱患，經(jīng)過(guò)40多年的運(yùn)行，材質(zhì)老化，強(qiáng)度降低，焊縫缺陷增加，每年都要進(jìn)行大量的探傷檢查、缺陷修復(fù)等工作才能保證設(shè)備的安全運(yùn)行。另外，蝸殼和固定導(dǎo)葉因磨蝕變薄的問(wèn)題也越來(lái)越引人重視，對(duì)此，國(guó)電大渡河檢修安裝有限公司積極探索新思路，不斷應(yīng)用新材料、新工藝來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備的安全使用壽命。2011年3月和4月，龔嘴水電站先后完成了4、6號(hào)機(jī)組的相關(guān)改造工程，并首次對(duì)蝸殼及空心固定導(dǎo)葉采用了表面涂抹環(huán)氧金剛砂抗磨層5～8 mm(見(jiàn)圖10)，這是一種主要應(yīng)用在閘門(mén)流道上的抗磨材料，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行檢驗(yàn)，是有一定的防護(hù)效果的，運(yùn)行到第8年才開(kāi)始出現(xiàn)抗磨材料磨穿、脫落的現(xiàn)象(見(jiàn)圖11)。國(guó)電大渡河檢修安裝有限公司在應(yīng)用環(huán)氧金剛砂抗磨材料的同時(shí)，通過(guò)廣泛調(diào)研，積極聯(lián)系有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和院校，尋找新型的專(zhuān)門(mén)用于水輪機(jī)過(guò)流部件的金屬抗磨材料和新工藝。2019年3月，利用龔嘴水電站1號(hào)機(jī)組A修時(shí)機(jī)，引進(jìn)某科院復(fù)合樹(shù)脂砂漿技術(shù)(復(fù)合樹(shù)脂砂漿涂層由復(fù)合樹(shù)脂、固化劑、硬金屬粉、棕剛玉、耐水劑等組成，該涂層綜合性能優(yōu)，黏結(jié)力強(qiáng)，抗磨、抗空蝕性能優(yōu)良，涂層厚度為4～10 mm)，對(duì)1號(hào)機(jī)蝸殼和座環(huán)固定導(dǎo)葉進(jìn)行抗磨修復(fù)試驗(yàn)(見(jiàn)圖12、圖13)，效果待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖10 4號(hào)機(jī)空心固定導(dǎo)葉表面涂抹抗磨層后圖

圖11 4號(hào)機(jī)抗磨層運(yùn)行8年后圖

圖12 1號(hào)機(jī)蝸殼包角處表面涂抹抗磨層后圖

圖13 1號(hào)機(jī)座環(huán)固定導(dǎo)葉表面涂抹抗磨層后圖