水輪發(fā)電機(jī)組推力冷卻器銹蝕穿孔分析及治理

尹 寧

（中國(guó)華電集團(tuán)貴州烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 余慶 564408）

0 引言

推力軸承油冷卻器是水輪發(fā)電機(jī)的重要部件之一，其作用是：軸承摩擦熱通過(guò)與冷卻器之間的熱交換，建立熱動(dòng)態(tài)平衡[1]，使軸瓦溫度穩(wěn)定在正常運(yùn)行的范圍。

構(gòu)皮灘發(fā)電廠1 號(hào)~3 號(hào)發(fā)電機(jī)組于2009 年正式投運(yùn)，型號(hào)SF 6-48/13920，結(jié)構(gòu)為半傘式。推力軸承采用外加泵外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，在下機(jī)架支腿之間布置有高效列管式冷卻器，共有推力外循環(huán)水冷卻器8 臺(tái)，型號(hào)為SYFZ-100，推力外循環(huán)油泵將推力油箱內(nèi)的透平油強(qiáng)制經(jīng)過(guò)水冷卻器進(jìn)行冷卻后送回推力油槽。

1 存在問(wèn)題及安全隱患

2020 年構(gòu)皮灘發(fā)電廠2 號(hào)機(jī)6 號(hào)冷卻器底部破損，造成6 號(hào)冷卻器底部大量漏水及6 號(hào)冷卻器停運(yùn)，使得2 號(hào)機(jī)推力瓦溫因6 號(hào)冷卻器停運(yùn)平均溫度上升3 ℃，最高溫度53.1 ℃，已接近55 ℃的報(bào)警值。并且2021 年12 月1 號(hào)機(jī)8 號(hào)冷卻器同樣發(fā)生推力冷卻器底座底板大量漏水事件。

推力冷卻器底座銹蝕存在以下2 點(diǎn)安全隱患：

（1）底座銹蝕穿孔將導(dǎo)致機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)大量漏水，冷卻器退出運(yùn)行，降低了推力外循環(huán)冷卻器系統(tǒng)冷卻效率，導(dǎo)致推力軸承油槽油溫、瓦溫升高甚至是“燒瓦”的風(fēng)險(xiǎn)，不能有力完成能源保供工作。

（2）機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)大范圍漏水，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)非計(jì)劃性停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，大量漏水將下機(jī)架鐵板上的油污沖刷至水車室后流入下游，會(huì)導(dǎo)致水資源環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2 銹蝕穿孔原因分析與判斷

（1）對(duì)冷卻器底板進(jìn)行超聲波壁厚測(cè)量，得到如下結(jié)果。

通過(guò)對(duì)2 號(hào)機(jī)組、4 號(hào)機(jī)組冷卻器底板厚度測(cè)量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)冷卻器底板減薄較大的1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)均為偶數(shù)號(hào)冷卻器，結(jié)合6 號(hào)冷卻器底座汽蝕位置及兩次冷卻器底座滲漏編號(hào)對(duì)比，均為偶數(shù)號(hào)冷卻器，4 號(hào)機(jī)12 臺(tái)推力冷卻器底座厚度測(cè)量值均符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，天阿機(jī)組二者之間的冷卻器進(jìn)排水管存在相反現(xiàn)象，東電機(jī)組冷卻器管路則是安裝一致。

確定滲漏冷卻器進(jìn)、排水管存在裝反，進(jìn)水管處為直接流入16 根銅管中，冷卻水在銅管中有一定的壓力損失，進(jìn)入冷卻器水箱后將無(wú)多大的沖擊力，對(duì)冷卻器底板不會(huì)造成沖刷。所以進(jìn)排水管路裝反，是導(dǎo)致冷卻器銹蝕穿孔的主要原因之一。并且通過(guò)對(duì)冷卻器水箱進(jìn)排水管路口結(jié)構(gòu)分析可知，冷卻器進(jìn)排水管路裝反后，水箱里面會(huì)沉淀很多淤泥和貝類等；而正裝情況下，淤泥將會(huì)在管道里，隨水流沖走，不會(huì)留在水箱內(nèi)部。

圖1 冷卻器底座俯視圖

（2）通過(guò)拆除底座，割除底座上的底板檢查漏水原因，發(fā)現(xiàn)底座進(jìn)水口位置存在旋渦狀空腔汽蝕，汽蝕最底部出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，汽蝕面積為12 cm×9.8 cm，汽蝕坑最大深度為16 cm（底板厚度，穿孔）如圖2所示。

圖2 6 號(hào)冷卻器底座旋渦狀空腔汽蝕坑

汽蝕是流體在高速流動(dòng)和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞現(xiàn)象。當(dāng)高速的水流通過(guò)進(jìn)水管注入冷卻器水箱中時(shí)，在冷卻器底座水箱進(jìn)水管口處產(chǎn)生脫流和旋渦，在其上勢(shì)必造成水流的速度發(fā)生變化，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)，將導(dǎo)致壓力降低。即使一部分流速增大或使另一部分流速減小，當(dāng)某一點(diǎn)速度小時(shí)，則壓力必大，當(dāng)其另一點(diǎn)速度變大時(shí)則壓力必小。當(dāng)這個(gè)壓力降低，即小到某一個(gè)臨界值時(shí)（此時(shí)水流已把該部分的空氣帶走，而使該部分成為真空），水流由于壓力降低而迅速汽化，致使其體積在瞬間急劇膨脹數(shù)十或成百倍，形成水分子團(tuán)劇烈爆破。無(wú)數(shù)的水流分子團(tuán)不斷地連續(xù)地在這個(gè)阻礙部位上進(jìn)行劇烈爆破。則過(guò)流金屬表面逐漸發(fā)生疲勞破壞而最終造成機(jī)體剝離，使該部分組織疏松成為豆腐渣，進(jìn)而使強(qiáng)度降低，這樣在水流的沖刷下，導(dǎo)致冷卻器底座水箱進(jìn)水口附近出現(xiàn)空腔汽蝕。

（3）冷卻器底座在水中可以發(fā)生多種腐蝕，如沖刷腐蝕、點(diǎn)腐蝕[2]、硫化物及微生物的腐蝕等。

在汛期，河流中水質(zhì)含大量泥沙，對(duì)冷卻器過(guò)流金屬表面磨蝕損害特別大，堅(jiān)硬而帶有鋒利刃口的泥沙及貝類等，在高速水流的裹夾下以很高的速度和能量作用于過(guò)流金屬表面，對(duì)表面產(chǎn)生物理和化學(xué)綜合作用，使金屬表面不斷加劇產(chǎn)生疲勞和腐蝕性交替作用的磨削破壞。直至一塊又一塊的機(jī)體組織連續(xù)地周而復(fù)始地發(fā)生機(jī)械性剝離，沖刷磨蝕，如圖3 所示。

圖3 腐蝕的冷卻器底座

在冷卻水中，底板的耐腐蝕性能由材料化學(xué)成分、表面狀態(tài)、水質(zhì)條件3 個(gè)方面共同決定。冷卻器底座材質(zhì)為Q235 材質(zhì)并鍍鋅刷漆防腐處理，在防腐效果上分析未發(fā)現(xiàn)明顯異常。導(dǎo)致冷卻器底座在使用中點(diǎn)腐蝕破壞的表面狀態(tài)因素主要為運(yùn)行表面狀態(tài)、停用表面狀態(tài)方面的影響。

1）運(yùn)行時(shí)表面狀態(tài)

運(yùn)行時(shí)，冷卻器水箱底座表面的沉積物，阻滯了水、氧及其他離子的擴(kuò)散傳遞，導(dǎo)致供氧不足，形成氧濃差電池、金屬濃差電池，誘發(fā)沉積物下的腐蝕[3]。沉積物下的腐蝕有如下特征：

①底座表面有疏松的沉積物。

②只有表面有沉積物后，腐蝕才開始孕育發(fā)生。

③沉積物下的點(diǎn)蝕，局部密集分布，呈潰瘍狀[3]。

通過(guò)對(duì)冷卻器水箱檢查，發(fā)現(xiàn)冷卻器底座及內(nèi)部銅管外表面均有沉積物存在及點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

2）停用時(shí)表面狀態(tài)

機(jī)組停機(jī)時(shí)，尤其是在機(jī)組“C+D”期間，在停滯的冷卻器底座水箱中，底座會(huì)因長(zhǎng)期有水存在產(chǎn)生停用腐蝕。水中的微生物、細(xì)菌滋生、貝類附著等，會(huì)破壞板材的保護(hù)膜，誘發(fā)局部腐蝕。

通過(guò)分析可知，導(dǎo)致冷卻器底座穿孔的主要原因有以下3 方面：

①冷卻器進(jìn)出水管路裝反；

②空腔汽蝕；

③水中的微生物、細(xì)菌滋生、貝類附著等，導(dǎo)致發(fā)生沖刷腐蝕及點(diǎn)腐蝕等。

3 冷卻器底座銹蝕穿孔處理措施

3.1 對(duì)冷卻器材料及防腐工藝進(jìn)行改造

（1）原冷卻器底座板材由Q235 改為20 號(hào)鋼，通過(guò)對(duì)二者之間的化學(xué)成分分析可知，20 號(hào)鋼性能遠(yuǎn)優(yōu)于Q235 鋼。

（2）冷卻器水箱防腐

原冷卻器水箱采用鍍鋅防腐，本次水箱防腐工藝優(yōu)化為采用非金屬抗蝕( 抗磨) 涂層——即以環(huán)氧為基礎(chǔ)材料，加入各種礦石粉或金屬粉的剛性涂層（圖4）。涂層工藝如下：

圖4 防腐處理后的冷卻器底座

1）鋼材表面應(yīng)無(wú)可見的油脂和污垢，并且沒有附著不牢的氧化皮、鐵銹和油漆涂層等異物。磨光機(jī)處理后表面清潔度達(dá)到GB 8923《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》中的St2 級(jí)，補(bǔ)涂冷鍍鋅100 μm。

2）符合噴涂條件后，先噴涂環(huán)氧云鐵二道，厚度100 μm。

3）環(huán)氧云鐵完全干燥后，噴涂環(huán)氧面漆，厚度60~100 μm。

3.2 偶數(shù)號(hào)冷卻器進(jìn)排水管路改造

（1）對(duì)偶數(shù)號(hào)冷卻器進(jìn)排水管路進(jìn)行配管改造，配管焊縫經(jīng)PT 探傷檢查無(wú)任何缺陷，PT 探傷檢查標(biāo)準(zhǔn)按ASME 第Ⅷ卷附錄8 進(jìn)行。

（2）對(duì)推力外循環(huán)冷卻器內(nèi)部進(jìn)行除銹清淤處理，并更換冷卻器各部分密封。

（3）對(duì)檢修后的推力外循環(huán)冷卻器進(jìn)行單臺(tái)嚴(yán)密性耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為冷卻器工作壓力的1.25倍（最大耐壓壓力0.75 MPa），打壓時(shí)間30 min，檢查冷卻器各冷卻銅管無(wú)滲漏，各密封面無(wú)滲漏，30 min內(nèi)推力外循環(huán)冷卻器整體無(wú)壓降。

3.3 效果

（1）冷卻器經(jīng)正反向充水檢查各部位無(wú)滲漏；

（2）機(jī)組開機(jī)完成3 h 穩(wěn)定性溫升試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行至溫度穩(wěn)定后每小時(shí)溫升未大于1 ℃，且推力瓦溫、油溫低于冷卻器進(jìn)排水管路改造前。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)構(gòu)皮灘發(fā)電廠推力軸承冷卻器底座生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)銹蝕穿孔問(wèn)題進(jìn)行分析及治理，解決了機(jī)組主要輔助設(shè)備運(yùn)行中的安全隱患，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障，確保了構(gòu)皮灘發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，并且在能源保供工作的重要性和緊迫性下，堅(jiān)決擔(dān)好責(zé)，時(shí)刻繃緊弦，始終守好底，全力以赴保障能源安全穩(wěn)定供應(yīng)。

同時(shí)對(duì)其他電站同類型機(jī)組起到警示作用，嚴(yán)格按照《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》制定相應(yīng)反措，并對(duì)該部位進(jìn)行定期與系統(tǒng)檢查，及時(shí)消除隱患，及對(duì)其它電站同類型外置列管式冷卻器底座銹蝕穿孔分析及進(jìn)排水管路安裝方式，具有一定的借鑒作用。