三眼橋水電站轉(zhuǎn)輪磨損問題初探

張書選

（澄城縣水務(wù)局 陜西 澄城 715200）

澄城縣三眼橋水電站位于洛河中下游澄城縣堯頭鎮(zhèn)境內(nèi)，該電站設(shè)計(jì)水頭16.7m，引水流量28.4m3/s，裝機(jī)容量3750kW，電站工程于1996年5月修建，1998年正式投產(chǎn)運(yùn)行。由于在電站設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)洛河水質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，設(shè)備選型存在一定缺陷；加之運(yùn)行初期經(jīng)驗(yàn)不足以及一些其它實(shí)際原因，造成機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)間短，負(fù)荷下降迅猛，嚴(yán)重制約著電站安全正常運(yùn)行。為解決這一問題，電站和廠家共同探討，并向設(shè)計(jì)院，科研單位專家咨詢請(qǐng)教，分析產(chǎn)生問題的原因以及尋找解決的方法。

1 運(yùn)行初期轉(zhuǎn)輪磨損情況

運(yùn)行初期，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)約600h以后，導(dǎo)葉開度在90%～100%區(qū)間內(nèi)機(jī)組出力不變，若導(dǎo)葉開度在90%以下，就發(fā)現(xiàn)機(jī)組出力出現(xiàn)下降情況；機(jī)組運(yùn)行1500h以后，機(jī)組出力迅速下降，導(dǎo)葉開度在70%～100%區(qū)間內(nèi)，實(shí)際出力僅為額定出力的60%～70%。分析原因只能是轉(zhuǎn)輪磨損所致，但由于運(yùn)行初期經(jīng)驗(yàn)不足，未適時(shí)進(jìn)行修理。堅(jiān)持運(yùn)行至2000h，三臺(tái)機(jī)組出力均下降至額定出力的50%以下，機(jī)組振動(dòng)、噪音危及安全運(yùn)行，不得已情況下決定進(jìn)行機(jī)組大修。吊出轉(zhuǎn)輪后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪磨損，氣蝕嚴(yán)重，葉片已磨掉1/3左右，剩余部分表面以及轉(zhuǎn)輪母體、轉(zhuǎn)輪室表面全是蜂窩麻面，有的深度甚至達(dá)10mm，由于時(shí)間緊，汛期急，只得盡快更換新轉(zhuǎn)輪后繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但好景不長，類似情況再次出現(xiàn)，機(jī)組出力開始持續(xù)下降。在此情況下電站領(lǐng)導(dǎo)高度重視，技術(shù)人員也已多方聯(lián)系咨詢，探討辦法制定實(shí)施方案。

2 轉(zhuǎn)輪磨損原因分析

為了弄清楚轉(zhuǎn)輪磨損的原因，曾走訪了多家同類型電站，雖然都存在轉(zhuǎn)輪磨損問題，但磨損程度相對(duì)輕得多。初步斷定，三眼橋轉(zhuǎn)輪磨損問題不單是由于泥沙問題造成的，其原因應(yīng)該是多方面的。因而進(jìn)一步請(qǐng)生產(chǎn)廠家、設(shè)計(jì)院等有關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場查看，并向科研單位專家多方面咨詢，分析造成轉(zhuǎn)輪磨損嚴(yán)重的主要原因有以下四個(gè)方面：

（1）洛河水質(zhì)的高泥沙含量及砂粒成分是造成轉(zhuǎn)輪磨損的主要原因。洛河水質(zhì)平時(shí)泥沙含量約為10%～30%左右，汛期泥沙含量可達(dá)60%左右，并且砂含量較大、砂質(zhì)較硬導(dǎo)致了轉(zhuǎn)輪磨損。

（2）轉(zhuǎn)輪材質(zhì)選用不當(dāng)是造成轉(zhuǎn)輪磨損的重要原因。廠家所配轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為不銹鋼，韌性較好但硬度不足。當(dāng)水質(zhì)好以氣蝕為主時(shí)，選用不銹鋼材質(zhì)抗氣蝕性能好；但當(dāng)水質(zhì)較差以磨蝕為主時(shí)不銹鋼耐磨性能較差，而錳鋼材質(zhì)較硬抗磨性能較好。在含泥沙水流中，工作的水力機(jī)械除了會(huì)發(fā)生空化而產(chǎn)生氣蝕外還將發(fā)生砂粒磨蝕，且發(fā)生在水力機(jī)械中的砂粒磨損不同于一般的砂粒磨損，常常與空化現(xiàn)象相伴發(fā)生，加劇過流部件的空蝕和磨損破壞。三眼橋水電站轉(zhuǎn)輪室均為氣蝕和磨蝕并存，且互相作用疊加遞增，根據(jù)電站實(shí)際情況分析，水質(zhì)泥沙含量大，轉(zhuǎn)輪磨損主要以磨蝕為主，因此，應(yīng)以解決磨蝕為主，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)應(yīng)優(yōu)先選用錳鋼材質(zhì)。

（3）該機(jī)組選型為浙江金華水輪機(jī)廠生產(chǎn)的ZD560—LH—120型軸流式水輪機(jī)，葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較薄，也是造成轉(zhuǎn)輪壽命較短的一大原因。廠家原設(shè)計(jì)葉片根部厚度為20mm～50mm，稍端邊緣厚度僅為7mm，稍磨即損，若再與氣蝕相互作用，磨損進(jìn)一步加劇。但如果加厚葉片，可能導(dǎo)致出力達(dá)不到額定值，科研人員也有此顧慮。

（4）機(jī)組轉(zhuǎn)速過高也是造成轉(zhuǎn)輪壽命減少的重要原因。在泥沙特性和設(shè)備材料等條件相同時(shí)，水流對(duì)設(shè)備的磨損強(qiáng)度主要取決于材料表面的相對(duì)流速，三眼橋水電站機(jī)組轉(zhuǎn)速為500r/min，由于轉(zhuǎn)速較高致使葉片表面相對(duì)流速較大，也成為轉(zhuǎn)輪磨損的又一重要因素。

3 解決轉(zhuǎn)輪磨損的方法

根據(jù)磨損的原因分析，解決的方案可以從以下幾個(gè)方面考慮采取措施：①從水質(zhì)上解決問題。優(yōu)化水沙調(diào)度，設(shè)置沉沙設(shè)施。這對(duì)于小型電站來說，投資大，技術(shù)復(fù)雜，沒有實(shí)施的可行性。如果從生產(chǎn)運(yùn)行上調(diào)度，在汛期停機(jī)，又將導(dǎo)致電站效益損失太大。②更換水輪機(jī)，重新選擇適合的機(jī)組進(jìn)行改造。這個(gè)方案會(huì)受到受多方面因素制約，在當(dāng)時(shí)來說也是不可能實(shí)施的。③從過流部件的材質(zhì)和葉輪葉片形狀上采取技術(shù)措施。④對(duì)過流部件表面采取處理措施。⑤采取精加工水輪機(jī)葉片，以保護(hù)型線準(zhǔn)確而減少氣蝕。結(jié)合電站實(shí)際情況和方案實(shí)施的可行性，并從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行成本效益分析，三眼橋?qū)鉀Q轉(zhuǎn)輪磨損問題采取了以下兩項(xiàng)改進(jìn)方案：

3.1 改變轉(zhuǎn)輪材質(zhì)，調(diào)整葉片角度，加大轉(zhuǎn)輪厚度

將轉(zhuǎn)輪原不銹鋼材質(zhì)變?yōu)殄i鋼材質(zhì)。委托科研人員根據(jù)該站實(shí)際水力參數(shù)和機(jī)組性能對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，在不影響機(jī)組出力和機(jī)組效率的情況下，調(diào)整了葉片角度，以改善水流方向而減小氣蝕。此外，加大葉片厚度，將葉片根部厚度變?yōu)?0mm～70mm,葉片邊緣厚度變?yōu)?0mm～40mm，以增加葉片的使用壽命。采取以上措施后，經(jīng)實(shí)際使用觀測，機(jī)組性能穩(wěn)定，出力達(dá)到預(yù)期效果，機(jī)組效率沒有降低。

3.2 對(duì)過流部件表面采取處理措施

在采用葉片表面處理方法試驗(yàn)時(shí)，曾嘗試過金屬粉末噴涂處理，耐磨陶瓷技術(shù)，環(huán)氧砂漿噴涂處理等多種方法。經(jīng)過多年的探索總結(jié)，采用環(huán)氧砂漿表面處理技術(shù)穩(wěn)定成熟，操作簡單適用，而且對(duì)于轉(zhuǎn)輪母體、葉片表面及轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)、座環(huán)等受損部位均能比較容易的進(jìn)行環(huán)氧砂漿噴涂處理。

采用環(huán)氧砂漿噴涂處理時(shí)，首先將過流部件受損表面清理凈，用電焊堆補(bǔ)、打磨整平；其次，對(duì)需處理的部件表面進(jìn)行噴砂除銹，封閉加溫，待溫度適合時(shí)再噴涂環(huán)氧金剛砂；最后，在部件表面再涂一層環(huán)氧樹脂，使表面平整光滑。待環(huán)氧砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度，經(jīng)檢查驗(yàn)收合格后即可進(jìn)行機(jī)組安裝。

4 改造后的效果及注意事項(xiàng)

經(jīng)過多年來的不斷總結(jié)完善，環(huán)氧砂漿抗磨技術(shù)在三眼橋電站運(yùn)用也日臻成熟，現(xiàn)在該電站轉(zhuǎn)輪利用時(shí)間均在10000h以上，在和改造前相同用水量的情況下，各臺(tái)機(jī)組出力和效率均已達(dá)到或超過額定值。該解決方法經(jīng)濟(jì)適用，改造后效果明顯突出。

在技改過程中應(yīng)注意：①轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)要適合實(shí)際情況，尊重科學(xué)原理，按照水力學(xué)原則經(jīng)設(shè)計(jì)選擇適配轉(zhuǎn)輪。②機(jī)組大小修要適時(shí)。要依據(jù)河流來水泥沙含量的周期性、機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間以及運(yùn)行方式等方面來確定大修周期；根據(jù)機(jī)組的狀況來判斷轉(zhuǎn)輪磨損程度來確定小修周期，應(yīng)盡可能及時(shí)進(jìn)行小修來保證不縮短大修周期，以提高機(jī)組運(yùn)行效率。③轉(zhuǎn)輪表面處理時(shí)要注意采用的材料質(zhì)量合格、方法環(huán)境得當(dāng)、工藝工序操作嚴(yán)謹(jǐn)，否則將難以達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)語

三眼橋水電站運(yùn)行初期一直受轉(zhuǎn)輪磨損問題的困擾，機(jī)組效率低下，經(jīng)過多年來在實(shí)踐中的不懈地摸索總結(jié)，尋找出了一套適合電站實(shí)際情況的解決的方法，使機(jī)組運(yùn)行能夠持續(xù)保持正常高效，電站效益得到了顯著提升。陜西水利