高福林,王興光
(甘肅鹽鍋峽發(fā)電有限公司,甘肅 永靖 731601)
鹽鍋峽水電站位于甘肅省永靖縣境內(nèi)的黃河干流上,距上游劉家峽水電站33 km,下游蘭州市約70 km。電站樞紐主要由左岸混凝土寬縫重力壩、右岸混凝土重力溢流壩、左右岸混凝土重力式副壩及壩后式水電站廠房等組成。電站于1958 年9 月27 日動(dòng)工修建,1961 年11 月18 日第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,1975 年11 月15 日8 臺(tái)機(jī)組全部建成,裝機(jī)容量352 MW,后于1990 年和1998 年分別擴(kuò)建了9、10 號(hào)機(jī)組,隨后逐年逐臺(tái)進(jìn)行增容改造。目前裝機(jī)容量為509.6 MW。改造后水輪機(jī)主要參數(shù)如表1。
表1 水輪機(jī)主要參數(shù)
鹽鍋峽水電站1 號(hào)機(jī)組于2004 年4 月改造后投運(yùn),至今已運(yùn)行18 年,5 號(hào)機(jī)組于2002 年11 月改造后投運(yùn),至今已運(yùn)行20 年,2 號(hào)機(jī)組改造后于2012 年投用,至今已運(yùn)行11 年。3 臺(tái)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊背面局部空蝕嚴(yán)重,表面呈海綿狀;轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)水平面圓周方向有多處空蝕坑;而且轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)和下止漏環(huán)圓周方向各有一道帶狀空蝕槽;轉(zhuǎn)輪葉片出水邊磨蝕嚴(yán)重,出水邊厚度均小于設(shè)計(jì)值,原設(shè)計(jì)厚度為8 mm;其中1 號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕嚴(yán)重的有6 片,分別是1 號(hào)、5 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)、12 號(hào)葉片,其中5 號(hào)、8 號(hào)葉片出水邊厚度約為2 mm,9 號(hào)、11 號(hào)葉片出水邊厚度約為1.5 mm,1 號(hào)、12 號(hào)出水邊厚度約0.8 mm;5 號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕嚴(yán)重的有5 片,分別是2 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)、13 號(hào)、15 號(hào),其中2 號(hào)葉片出水邊厚度約為4.5 mm,15 號(hào)葉片出水邊厚度約為4 mm,出水邊變薄有逐年加劇的趨勢(shì);2 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)連接部位有明顯的空蝕槽,如圖1 所示。
水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過(guò)程中的主要受力區(qū),受水的壓力和離心力等作用。該受力區(qū)包括葉片出水正面的中部、葉片進(jìn)水正面靠上冠的部分、葉片出水背面靠近上冠的部分以及葉片和下環(huán)的連接區(qū)域等,鹽鍋峽水電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪加工受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件,轉(zhuǎn)輪葉片均為人工鏟磨,導(dǎo)致葉形有差異,從而使轉(zhuǎn)輪葉片受力不均勻,個(gè)別葉片出水邊變薄[1]。
空化發(fā)生在水輪機(jī)過(guò)流部件流道中水流局部壓力下降至臨界壓力時(shí)(一般接近氣化壓力,水溫20 ℃,氣化壓力值為0.24 mH2O),水中的氣核發(fā)展為氣泡,當(dāng)氣泡進(jìn)入到較高壓力區(qū)域時(shí),氣泡的凝聚、凝縮、分裂、潰滅過(guò)程稱為汽蝕,這一系列不良現(xiàn)象的發(fā)生,會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)過(guò)流部件表面損壞,金屬表面失去光澤變?yōu)榘祷疑?,逐漸產(chǎn)生有1~2 mm深度的針孔形狀、麻面和海綿狀(即蜂窩狀),嚴(yán)重者會(huì)有穿孔,加大機(jī)組水力能量損失。使水輪機(jī)效率和出力大大降低,影響機(jī)組安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[2]。
鹽鍋峽水電站地處黃河中上游,泥沙含量非常大,泥沙磨損是對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的一種物理破壞,水流夾帶著泥沙通過(guò)水輪機(jī)就會(huì)導(dǎo)致泥沙磨損的出現(xiàn)。主要是對(duì)水輪機(jī)的流道造成損壞,例如流道壁變薄、輪葉形狀發(fā)生改變、壁面出現(xiàn)魚(yú)鱗狀淺坑或是火炬狀坑,以及形成溝槽或變薄、穿孔等。泥沙磨損的產(chǎn)生主要與含沙水流的特性、水輪機(jī)的工作條件以及水輪機(jī)流道邊壁材料的質(zhì)量有關(guān)。泥沙磨損不僅會(huì)直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的損壞,而且還會(huì)損壞通流部件,造成一系列的經(jīng)濟(jì)損失。
磨蝕是指在空化、汽蝕與泥沙磨損情況下對(duì)水輪機(jī)部件的綜合破壞作用。實(shí)際上,任何水流之中總有一定含量的泥沙存在,尤其是鹽鍋峽水電站地處黃河中上游地區(qū),泥沙含量常年都比較大,電站建設(shè)之初無(wú)排沙洞設(shè)計(jì),因此,大量泥沙必須經(jīng)機(jī)組過(guò)流排至下游,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)已建成水電站中有40%的水輪機(jī)存在嚴(yán)重的磨蝕問(wèn)題,所以人們?cè)陉P(guān)注空蝕和泥沙磨損的同時(shí),更著重研究空蝕、磨損聯(lián)合作用問(wèn)題,即磨蝕。
由于含泥沙水流中有大量的固體微粒存在,這些固體微粒大小、形狀不規(guī)則,常常作為“隱蔽殺手”藏有不溶于水的氣體,含泥沙水流的氣泡數(shù)量遠(yuǎn)大于清水水流氣泡數(shù)量,提前加劇了局部空蝕的發(fā)生。當(dāng)氣泡隨水流至較高壓力區(qū)域時(shí),氣泡將會(huì)迅速凝縮并潰滅,氣泡附近的固體顆粒又易受到氣泡潰滅沖擊力的影響而獲得加速度,加大了對(duì)金屬表面的破壞能力。泥沙因速度及加速度會(huì)造成流體邊界條件的變化,即原有的轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)翼型發(fā)生變化,從而造成其對(duì)金屬的磨削現(xiàn)象,加劇了磨蝕損壞。
(1)轉(zhuǎn)輪、底環(huán)有磨蝕深槽,轉(zhuǎn)輪葉片變薄、嚴(yán)重會(huì)產(chǎn)生裂紋。
(2)降低水輪機(jī)的出力和效率,機(jī)組振動(dòng)變大,嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生較大噪音。
(3)汛期流量增大,當(dāng)機(jī)組短時(shí)間的高負(fù)荷運(yùn)行或枯水期低尾水位運(yùn)行時(shí),機(jī)組會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)及負(fù)荷波動(dòng),影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
(4)磨蝕大大縮短了機(jī)組檢修周期及其機(jī)組運(yùn)行壽命,增加了檢修工程量和檢修成本。
優(yōu)化水輪機(jī)運(yùn)行條件,盡量避開(kāi)水輪機(jī)非最優(yōu)工況區(qū)和振動(dòng)區(qū),保證機(jī)組在最優(yōu)工況運(yùn)行。
(1)堆焊法
堆焊是修復(fù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕坑的方法之一。堆焊可使焊層與基體形成冶金結(jié)合,且結(jié)合強(qiáng)度高,鹽鍋峽水電站機(jī)組A 級(jí)檢修時(shí),發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪出水邊三角區(qū)經(jīng)常沖刷出3~5 mm 深槽,因此對(duì)深槽部位進(jìn)行堆焊修復(fù),焊接完成后,打磨與轉(zhuǎn)輪葉形基本一致,如圖2;堆焊時(shí)要做好應(yīng)力消除措施,保證葉片形線不變。
圖2 2 號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪汽蝕堆焊修復(fù)圖
(2)非金屬涂層法
鹽鍋峽水電站采用TS2111 超級(jí)金屬修補(bǔ)劑,該產(chǎn)品具有耐腐蝕、與金屬結(jié)合強(qiáng)度高、施工工藝好、固化無(wú)收縮、冬季調(diào)膠不受季節(jié)影響等特點(diǎn),對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)輪出水邊變薄及葉片背面馬蜂窩狀空蝕坑進(jìn)行涂層具有良好效果。
(1)對(duì)轉(zhuǎn)輪涂層部位表面打磨至見(jiàn)本色后,進(jìn)行粗化處理。
(2)A、B 膠按體積比5:1 進(jìn)行調(diào)配,攪拌、碾壓、使混合后的膠均勻一致。
(3)冬季修補(bǔ)劑遇冷會(huì)凝結(jié)硬化,調(diào)配前對(duì)修補(bǔ)劑進(jìn)行加熱至變軟,一般不超過(guò)35℃。
(4)先涂少許膠,用力下壓反復(fù)涂抹,使接觸面完全浸潤(rùn)膠,使其填滿間隙并排除空氣,然后涂其余的膠,留出加工余量。
(5)用熱源對(duì)修補(bǔ)的部位進(jìn)行加溫,在60~80℃下保持3~4 h,如圖3。
圖3 1 號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪金屬修補(bǔ)劑修復(fù)圖
(6)固化后對(duì)修補(bǔ)部位進(jìn)行修磨。
通過(guò)對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕部位進(jìn)行非金屬修補(bǔ)劑修復(fù)后,經(jīng)過(guò)汛期大流量高負(fù)荷機(jī)組運(yùn)行的考驗(yàn),機(jī)組檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪涂抹部位基本完好,極少部位有少量脫落現(xiàn)象,對(duì)轉(zhuǎn)輪磨蝕修補(bǔ)效果明顯,見(jiàn)圖4。
圖4 1 號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪金屬修補(bǔ)劑修復(fù)運(yùn)行一年后效果圖
轉(zhuǎn)輪是水電站水輪機(jī)設(shè)備的核心部件,對(duì)水輪機(jī)的性能有著決定性的影響。水輪機(jī)的空蝕磨損是始終存在的,盡管我們不能消除它,但可以通過(guò)改善水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力性能、改進(jìn)檢修工藝方法、采用抗空蝕材料 、改善水輪機(jī)運(yùn)行條件等措施來(lái)減輕。運(yùn)維人員應(yīng)定期對(duì)水輪機(jī)機(jī)組進(jìn)行檢查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪存在的問(wèn)題, 并積極采取檢修措施。實(shí)踐表明,鹽鍋峽水電站使用非金屬涂層對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件進(jìn)行修復(fù),有效解決了水電站水輪機(jī)的嚴(yán)重磨蝕問(wèn)題,延長(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)可以向類似水電站推廣。