瑞麗江一級水電站泥沙磨蝕的特點和防護(hù)措施

1、瑞麗江一級水電站瑞麗江一級水電站泥沙磨蝕的特點和防護(hù)措施泥沙磨蝕的特點和防護(hù)措施聯(lián)合電力摘要：摘要：瑞麗江一級水電站經(jīng)過4年多的運行，水庫泥沙淤積越發(fā)嚴(yán)重，過機(jī)泥沙逐步增加，水輪機(jī)泥沙磨蝕情況越發(fā)惡化，其磨蝕規(guī)律基本相同，又結(jié)合電站本身的特點，在解決導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水的技改實施成功的基礎(chǔ)上，肯定了抗磨材料WC/Co涂層（碳化鎢）在抗泥沙磨蝕起到的作用，提出了相關(guān)技改措施及取得的成績。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：磨蝕、沖蝕、氣蝕、泥沙、水輪機(jī)。一、概述一、概述瑞麗江一級水電站位于緬甸北部撣邦境內(nèi)緊鄰中緬邊境的瑞麗江干流上。電站距緬甸南坎、曼德勒的公路距離分別約為63km、539km。電站至中國境內(nèi)的瑞麗、昆明的公

2、路里程分別為94km、893km。一、概述一、概述工程采用引水式開發(fā)，壩高47m，庫容2683104m3,引水隧洞長約5km，廠房為地面廠房，裝機(jī)6100MW。機(jī)組最大運行水頭為330.10m，設(shè)計水頭為299.00m，額定轉(zhuǎn)速為428.6r/min，年利用小時高達(dá)6722h，屬高水頭，高泥沙，高轉(zhuǎn)速、高年利用小時數(shù)的水電站。一、概述電站自2008年9月7日首臺機(jī)組投產(chǎn)運行以來，水輪機(jī)遭受泥沙磨損和氣蝕的破壞越發(fā)嚴(yán)重，尤其是2013年機(jī)組檢修時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉大圓盤盤根密封處磨損嚴(yán)重，有的底環(huán)抗磨層已全部沖蝕完，部分母材也已損壞。一、概述根據(jù)中國水電顧問集體昆明勘測設(shè)計研究院提供的水文數(shù)據(jù)，1957年

3、7月2001年12月連續(xù)45年實測資料，瑞麗江一級水電站壩址多年平均流量365m3/s、懸沙量876萬t、含沙量0.76kg/m3，特別是汛期（6月10月）平均流量646.5m3/s、輸沙率607kg/s、含沙量0.939kg/m3，正常蓄水位725m時庫沙比僅為1.5，泥沙硬礦物含量大，泥沙硬礦物（摩氏硬度大于5）含量占總沙量的68.17%，大量的過機(jī)泥沙對過水部件的磨損嚴(yán)重，根據(jù)水電水利工程泥沙設(shè)計規(guī)范，屬于泥沙問題嚴(yán)重型水庫和電站。 二、水輪機(jī)各部位磨蝕的特點二、水輪機(jī)各部位磨蝕的特點 （一）轉(zhuǎn)輪沖蝕磨損嚴(yán)重瑞麗江一級水電站轉(zhuǎn)輪型號為A351，直徑為2.8m，分15個長、15個短葉片。轉(zhuǎn)

4、輪上冠、下環(huán)采用ZG0Cr13Ni5Mo不銹鋼整體鑄造而成。轉(zhuǎn)輪葉片采用0Cr13Ni5Mo鋼板模壓而成。為適應(yīng)多泥沙河流電站環(huán)境，設(shè)計上考慮了轉(zhuǎn)輪上冠外表面，下環(huán)迎水邊及出水邊，長、短葉片進(jìn)水邊局部，長葉片出水邊局部，以及上、下轉(zhuǎn)動止漏環(huán)均噴涂了抗磨材料WC/Co涂層（碳化鎢）。（一）轉(zhuǎn)輪沖蝕磨損嚴(yán)重下環(huán)噴涂層脫落，出現(xiàn)較大沖蝕坑出水邊背部噴涂部位基本保持完好（一）轉(zhuǎn)輪沖蝕磨損嚴(yán)重轉(zhuǎn)輪下環(huán)迎水邊沖蝕情況轉(zhuǎn)輪上冠迎水邊沖蝕情況（一）轉(zhuǎn)輪沖蝕磨損嚴(yán)重葉 片 出 水邊 出 現(xiàn) 沖蝕溝槽沖 蝕 溝槽 發(fā) 展成裂縫（一）轉(zhuǎn)輪沖蝕磨損嚴(yán)重葉 片 流 道內(nèi) 的 沖 蝕溝槽葉片未噴涂部位磨蝕較嚴(yán)重，導(dǎo)致葉片

5、變薄。（一）轉(zhuǎn)輪沖蝕磨損嚴(yán)重1#轉(zhuǎn)輪長葉片出水邊出現(xiàn)嚴(yán)重的掉邊（一）轉(zhuǎn)輪沖蝕磨損嚴(yán)重從機(jī)組歷次大小修情況來看，轉(zhuǎn)輪噴涂部位除下環(huán)受氣蝕因素影響容易脫落外，其它部位基本保持完好，未噴涂部位磨蝕情況較為嚴(yán)重，特別是2011年后，磨蝕情況更為明顯，沖蝕、磨損現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，不僅上冠、下環(huán)迎水邊出現(xiàn)整圈較嚴(yán)重的鋸齒形沖蝕坑，葉片流道內(nèi)出現(xiàn)較多的沖蝕溝槽，較大的溝槽至使葉片強度降低而出現(xiàn)裂紋，而且轉(zhuǎn)輪長葉片磨蝕加劇，導(dǎo)致葉片變薄。（一）轉(zhuǎn)輪沖蝕磨損嚴(yán)重根據(jù)測量數(shù)據(jù)，新轉(zhuǎn)輪長葉片出水邊尺寸在15.5mm16.0mm之間，但2012年檢修機(jī)組所測數(shù)據(jù)在12.5mm13.5mm之間，說明經(jīng)過4年的運行，葉片已

6、近磨損3mm4mm。2012年對1號機(jī)進(jìn)行檢修時，還發(fā)現(xiàn)了其中一塊長葉片出水邊出現(xiàn)了掉邊的重大缺陷。 （二）導(dǎo)葉上、下大圓盤沖蝕磨損嚴(yán)重活動導(dǎo)葉翼型有較大的偏心，使負(fù)壓面平順光滑，上、下軸徑的過渡凸肩偏置于正壓面，從而避免凸肩在背壓面誘發(fā)磨蝕。采用0Cr13Ni5Mo不銹鋼整體鑄造而成。設(shè)計上增加了導(dǎo)葉高度，增加了導(dǎo)葉區(qū)域的過流面積相應(yīng)，降低導(dǎo)葉區(qū)域的流速。表面采用相對流速較低的帶有偏心的負(fù)曲率導(dǎo)葉，提高導(dǎo)葉本體的抗磨蝕性能，對導(dǎo)葉整個過流面進(jìn)行噴涂抗磨材料WC/Co涂層（碳化鎢）。（二）導(dǎo)葉上、下大圓盤沖蝕磨損嚴(yán)重間隙射流破壞的導(dǎo)葉大圓盤唇邊導(dǎo)葉出水邊損壞情況（二）導(dǎo)葉上、下大圓盤沖蝕磨損嚴(yán)

7、重導(dǎo)葉上、下大圓盤上的密封是中軸套和下軸套密封的第一道防線，如密封受損后，高壓水?dāng)y帶泥沙進(jìn)入到軸套使其破壞，大量漏水流入滲漏集水井，給機(jī)組安全運行帶來了隱患。在2011年機(jī)組檢修過程中，對機(jī)組導(dǎo)葉上、下密封進(jìn)行了改造，相應(yīng)對大圓盤進(jìn)行了修復(fù)、補噴涂，并將大圓盤密封更換為硬度達(dá)到90A的聚醚聚氨酯密封，采用新的軸套。但從2012年和2013年的檢修情況看，大圓盤出水邊部位沖蝕依然較為嚴(yán)重，軸套漏水比2010年明顯減少，未出現(xiàn)軸套損壞現(xiàn)象。主要原是由于大圓盤密封槽的存在，使導(dǎo)葉與頂蓋、底環(huán)存在配合間隙，導(dǎo)致了導(dǎo)葉前后存在較大壓差，容易形成間隙射流，對大圓盤密封槽部位造成沖蝕破壞。 （三）頂蓋、底環(huán)

8、導(dǎo)葉孔沖蝕磨損嚴(yán)重在頂蓋、底環(huán)設(shè)有抗磨板，材料采用0Cr13Ni5Mo 鋼板，因?qū)~密封槽的存在，使導(dǎo)葉與頂蓋、底環(huán)存在配合間隙形成間隙射流，對大圓盤密封槽唇邊等部位造成沖蝕破壞，也同時對頂蓋、底環(huán)的抗磨層出水邊、封水面等部位造成了沖蝕磨損，修復(fù)困難。雖然從2011年開始至今，電站每年對無論是大修或是小修的機(jī)組轉(zhuǎn)輪均進(jìn)行了相應(yīng)的現(xiàn)場修復(fù)、噴涂，但均未阻止磨蝕情況的惡化,損傷現(xiàn)象突出。（三）頂蓋、底環(huán)導(dǎo)葉孔沖蝕磨損嚴(yán)重頂蓋出水邊被沖蝕底環(huán)導(dǎo)葉孔出水邊沖蝕嚴(yán)重 （三）頂蓋、底環(huán)導(dǎo)葉孔沖蝕磨損嚴(yán)重2013年1號機(jī)組檢修時，導(dǎo)葉大圓盤的迎水面（轉(zhuǎn)輪側(cè)）一側(cè)與底環(huán)、頂蓋導(dǎo)葉孔邊緣有嚴(yán)重的沖蝕現(xiàn)象，部分抗

9、磨環(huán)已經(jīng)全部沖蝕干凈，母材損壞嚴(yán)重，修復(fù)出現(xiàn)加大的困難，有些區(qū)域基準(zhǔn)面已被破壞。底環(huán)導(dǎo)葉孔底環(huán)導(dǎo)葉孔出水邊沖蝕嚴(yán)重頂蓋出水邊被沖蝕出水邊沖蝕嚴(yán)重頂蓋出水邊被沖蝕 三、沖蝕的原因三、沖蝕的原因 （一）過機(jī)泥沙的增加過機(jī)泥沙對水輪機(jī)主要是氣蝕和泥沙磨損復(fù)合作用，泥沙中帶有大量的氣核，給空化侵蝕創(chuàng)造了一定條件，反過來，泥沙沖蝕后的粗糙過流表面又促進(jìn)了空蝕。瑞麗江一級水電站水庫總庫容為2683104m3，可調(diào)節(jié)庫容僅為775104m3，屬于不完全日調(diào)解水庫。而且電站大壩庫容是在先期400MW的基礎(chǔ)上設(shè)計的，目前增加為600MW，降低了調(diào)節(jié)能力。（一）過機(jī)泥沙的增加從2008年至2012年水庫泥沙淤積，

10、越發(fā)嚴(yán)重，沖淤早已平衡，上游來水質(zhì)基本保持原天然河道的狀態(tài)，泥沙無沉淀的條件。特別是在汛初和汛末的交界期，固體徑流問題更為突出，增加了過水部件的過機(jī)泥沙量，加速對水輪機(jī)部件的磨損。而且近兩年，位于緬甸境內(nèi)庫區(qū)兩岸邊坡，植被破壞嚴(yán)重，水土流失加大，固體徑流問題將進(jìn)一步加劇。（二） 設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理為減緩導(dǎo)葉端面漏水問題，在活動導(dǎo)葉正面的端面設(shè)有大園盤，增加了端部漏水的阻尼，減少了導(dǎo)葉端部的漏水，進(jìn)而減小間隙空蝕，以期減小導(dǎo)葉磨損。但在實際運行中，水流經(jīng)導(dǎo)葉大圓盤端面流線之間沖蝕大圓盤密封和導(dǎo)葉孔之間形成的配合間隙，隨著機(jī)組過機(jī)泥沙含量增加，對該部位的沖蝕越發(fā)嚴(yán)重。（三）修復(fù)質(zhì)量低在高水頭、多泥沙電

11、站中，碳化鎢噴涂層作為抗磨材料對保護(hù)轉(zhuǎn)輪本體起到了積極地作用，噴涂層脫落部位如不及時恢復(fù)，泥沙對金屬表面的損傷會加劇，短期將發(fā)展成為較大沖蝕坑，特別是葉片流道內(nèi)出現(xiàn)的溝槽，如不及時進(jìn)行修補，將使葉片出現(xiàn)開裂問題，繼而使葉片脫落，使機(jī)組在運行中振動擺度增大和效率降低。（三）修復(fù)質(zhì)量低目前，電站采用電弧氣刨磨蝕區(qū)后，堆焊抗磨層，最后打磨成型，然后再進(jìn)行碳化鎢噴涂手工作業(yè)。由于有時電弧氣刨不徹底，堆焊工藝質(zhì)量差，發(fā)生夾渣，氣孔、未焊透的缺陷，或焊接打磨不理想，表面有高差，再加上碳化鎢噴涂手工作業(yè)工藝質(zhì)量較機(jī)械作業(yè)相差甚遠(yuǎn)，磨蝕區(qū)表面流線型更差，使流場紊亂，加劇了水輪機(jī)的磨蝕。 四、防護(hù)措施四、防護(hù)措

12、施 （一）轉(zhuǎn)輪全噴涂由于設(shè)備條件的限制和經(jīng)濟(jì)性的考慮，轉(zhuǎn)輪葉片流道內(nèi)大部分未進(jìn)行碳化鎢抗磨層的噴涂，2012年，公司要求噴涂技術(shù)合作單位針對瑞麗江一級水電站設(shè)計并定購了專制噴涂設(shè)備，滿足對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行全噴涂的技術(shù)工藝。因此，2012年下半年已對庫存的2個轉(zhuǎn)輪采取現(xiàn)場噴涂方式進(jìn)行全噴涂，而新購置的轉(zhuǎn)輪需運至西安進(jìn)行全噴涂。（一）轉(zhuǎn)輪全噴涂對今年小修機(jī)組的轉(zhuǎn)輪，不僅要繼續(xù)開展脫落部位的現(xiàn)場補噴，還要采取工位修復(fù)后盡量將流道內(nèi)噴涂的措施，以遏制磨蝕的快速發(fā)展。轉(zhuǎn)輪全噴涂后，相關(guān)問題應(yīng)能得到較好的改善。（二） 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)改造針對導(dǎo)葉大圓盤密封結(jié)構(gòu)存在的問題，2012年公司和廠家等相關(guān)單位召開了專題會議。并由

13、廠家提供了相關(guān)的改進(jìn)方案，縮小頂蓋和底環(huán)的導(dǎo)葉軸孔，使導(dǎo)葉大圓盤形成飛檐，以遮蓋大圓盤密封和導(dǎo)葉孔之間形成的配合間隙，從而減少該部位混入的泥沙水量，避免出現(xiàn)水混沙形成的間隙射流，從而減輕對活動導(dǎo)葉軸頸、底環(huán)和頂蓋等造成的磨損。聯(lián)合電力已定購的2套新結(jié)構(gòu)的導(dǎo)葉，在2013年大修的機(jī)組上進(jìn)行試驗。（二） 導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)改造導(dǎo)葉大圓盤形成飛檐，以遮蓋大圓盤密封和導(dǎo)葉孔 （三）進(jìn)一步完善溯源沖沙鑒于電站目前汛期沖沙運行中存在的問題，電站正在請設(shè)計院勘測水庫泥沙淤積情況，并研究制定靈活可行的汛期常規(guī)性沖沙方案，確保沖沙效果，以期盡量減少過機(jī)泥沙。根據(jù)2012年瑞麗江一級水電站水庫溯源沖沙后庫容測量總結(jié)報告，溯

14、源沖沙前后，在正常蓄水位725m以下，壩前段庫容由504.93104m3增至786.53104m3，沖走淤積泥沙約281.6104m3，總體沖沙效果良好，對減緩水輪機(jī)磨蝕也能起到一定的作用，保證了電站安全穩(wěn)定運行。 材質(zhì)選擇目前，轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、止漏環(huán)，以及頂蓋和底環(huán)的抗磨板材質(zhì)為0Cr13Ni5Mo不銹鋼，其抗磨性較0Cr16Ni5Mo材質(zhì)低。從國內(nèi)一些電站為解決泥沙磨蝕技改經(jīng)驗中我們發(fā)現(xiàn)選擇高于泥沙硬度，具有良好的韌性和脆性的材料，能較好的解決泥沙的磨蝕問題。 結(jié)論高泥沙、高轉(zhuǎn)速、高水頭的混流式水輪機(jī)磨蝕的基本規(guī)律相同，但是由于運行參數(shù)、制造水平等方面的差異，磨蝕的情況各有不同，同樣的磨蝕防護(hù)方法，其效果也不盡相同。很多電站所采取的涂層防護(hù)、優(yōu)化設(shè)計、提高工藝、選擇優(yōu)質(zhì)材料，減少過機(jī)泥沙含量等措施，都起到了一定的效