葛洲壩電廠水輪機過流部件磨蝕與防護回顧

1、葛洲壩電廠水輪機過流部件磨蝕與防護回顧         06-02-16 11:49:00     作者：王建忠 涂陽文 王茂    編輯：studa9ngns摘要：葛洲壩電廠水輪機過流部件的磨蝕是泥沙磨損和空蝕聯(lián)合作用結果。從1989年開始篩選出適宜葛洲壩電廠水輪機過流部件的抗磨蝕涂層環(huán)氧金剛砂,涂后在葛洲壩電廠水輪機過流部件上的應用是成功的，同時也要認識到還要進一步探索和研究，解決水電廠的這個老大難問題。 關鍵詞：水輪機 過流部件

2、磨蝕 環(huán)氧金剛砂 涂料 防護  1  前言葛洲壩水利樞紐是1970年代在長江干流上興建的第一座集航運、發(fā)電、防洪于一體的綜合性大型水利樞紐工程，葛洲壩水電站是樞紐的主要組成部分，是三峽水電站的反調節(jié)電站，設計裝機21臺，總裝機容量2715MW。從1981年工程開始發(fā)揮效益以來，機組已實現安全運行23年。電站年平均流量14300m3/s,年平均水量4529億m3，最小入庫流量2900 m3/s,多年平均含沙量為1.2 kg/m3,最大含沙量10.5kg/m3,年輸沙量5.26億噸，總庫容15.7億m3。大江電站裝機14臺，裝機容量1750MW；二江電站裝機7臺，裝機

3、容量965MW，分別由原哈爾濱電機廠與東方電機廠設計、制造,其水輪機技術參數如表1： 葛洲壩樞紐大壩的壩軸線中部布置泄水閘,兩測是大江和二江電站,電站的兩外側為大江和二江船閘。由于葛洲壩電站位于南津關彎道的下段，在彎道環(huán)流作用下，泥沙產生橫向位移，底層含沙量大、粒徑粗的泥沙向凸岸右側運動，表層清水向凹岸二江一側運動，過機泥沙粒徑大小的分布與過機泥沙含量的分布成正比，愈靠右岸的機組，過流部件的磨蝕愈嚴重，過機含沙量和粒徑分布規(guī)律是:二江小而細,大江大而粗,二江電站的含沙量為斷面(宜昌)平均值的0.940.98倍,18#為1.37倍,21#為1.6倍。過機泥沙粒徑18#為二江的1.22.0倍,21

4、#為1.22.9倍。最大粒徑達0.62mm，單機年過沙量在1500萬噸左右。為了提高水輪機過流部件的抗氣蝕性能和抗磨損能力，葉片材料采用0Cr13Ni4-6Mo不銹鋼鑄造，中環(huán)采用不銹鋼材料，8#21#機下環(huán)還增設900mm的不銹鋼段。2  過流部件的磨蝕情況葛洲壩電廠水輪機的磨蝕與國內多泥沙河流水電廠同類機組具有共同的特點，即含沙量愈大，硬度愈硬，沙粒愈粗,運行時間愈長，磨蝕愈嚴重。過流部件的磨蝕是泥沙磨損和空蝕聯(lián)合作用的結果，具體情況如下：2.1  轉動部件的磨蝕葉片的磨蝕葛洲壩電廠水輪機葉片材質選用抗磨蝕性能優(yōu)良的OCr13Ni4-5Mo(125M

5、W機組)和OCr13Ni6Mo(170MW機組)鑄造而成,但磨蝕依然存在。其進水邊愈靠外緣磨損愈重，頭部外緣磨損十分驚人，曾在15#機葉片上鉆孔試驗，運行近40000小時，頭部外緣磨損不小于16mm，厚度僅正面就磨損2.4mm。葉片出水邊的磨損狀況與進水邊相似,也是愈靠外緣磨損愈重，出水邊外緣磨損特別嚴重,3#機運行60000小時后,出水邊厚度減少不小于的13 mm；20#機運行24000的小時,厚度減少21mm,運行近38000小時,葉片與轉室的間隙難以測量，葉片外緣端面200mm×70mm×60mm穿透性磨蝕坑幾乎連成片,被迫利用中環(huán)進人孔盤車補焊磨蝕破壞部位。19#2

6、1#運行80000小時,葉片外緣磨蝕和背面啃邊十分嚴重，在葉片采取了防護措施的條件下，其出水邊外緣圓角已不復存在,外緣形同狼牙狀的“利刃”,部分已穿孔。1999年底，20#機擴大性大修，更換了五個帶裙邊的不銹鋼新葉片，葉片與裙邊是整鑄經機加工而成，運行不到20000小時，裙邊磨蝕嚴重，下端厚度由原來的15mm成為“利刃”，根部厚度40mm局部蝕穿,不得已對部分裙邊修型。葉片與轉輪室單邊間隙逐年增大，1#7#機以0.3mm/年增加，8#21#機以0.761.12 mm/年增加，且背面吊孔處1000mm×250mm是其強氣蝕區(qū)，磨蝕嚴重；葉片外緣背面啃邊在其轉動中心線處最嚴重,離中心線愈

7、遠啃邊相對較輕。輪體、連接體、泄水錐的磨蝕轉輪體的材質為ZG20MnSi，連接體、泄水錐的材質為碳素鋼焊接而成，由于其相對流速不大,因此磨損是其破壞的主要形式。以5#機為例，運行26345小時，發(fā)現其表面布滿了魚鱗坑，這些魚鱗坑與相對流速方向相同，多數深度小于0.6mm，少數深度在0.61.5mm之間，其4#葉片下轉輪體上原補焊的兩個焊疤，軸向焊疤高出表面2.9mm，周向焊疤高出表面1.52.1mm不等。隨著運行小時的增加，魚鱗坑增大加深，磨損加劇。2.2  固定部件的磨蝕轉輪室的磨蝕葛洲壩電廠水輪機的轉輪室的磨蝕是比較典型的，兩臺170 MW機組中環(huán)的材質分別為0Cr13

8、和1Cr18Ni9Ti，基礎環(huán)、下環(huán)的材質為碳素鋼，運行21000小時，1#機中環(huán)、下環(huán)就出現了局部磨蝕，進行了局部補焊打磨處理；運行近120000小時，中環(huán)局部材料整塊剝落0.4m2，其混凝土基礎也被掏空，中環(huán)局部厚度僅有4mm，只得將脫落部位鑲嵌不銹鋼板，并對中環(huán)實施大面積灌漿處理。3#6#水輪機中環(huán)材質為1Cr18Ni9Ti，7#機為0Cr13Ni5Mo，下環(huán)的材質均為碳素鋼，由于中環(huán)與下環(huán)的連接不是光滑過渡，而是中環(huán)高出下環(huán)710mm，致使下環(huán)出現嚴重的磨蝕破壞，在中環(huán)與下環(huán)聯(lián)接法蘭的圓周表面上，高120150mm范圍內均出現蜂窩狀氣蝕，最深達55mm，迫使每次機組大修時用不銹鋼焊條向

9、下堆焊200mm左右的過渡層。8#21#水輪機中環(huán)材質與3#6#機相同，下環(huán)汲取了3#7#機的經驗教訓，向下延伸了900mm的不銹鋼段，其余為碳素鋼，在新機組投產運行8000小時左右鑒定性大修中，中環(huán)中上部圓周內有少量魚鱗坑，下環(huán)表面均布滿較淺的魚鱗坑。在運行了40000小時左右時，整個過流部件上均布滿了0.51.5mm深的魚鱗坑，且在下環(huán)的“喉管”處（球面與錐面的過渡部位）300mm左右的高度內存在一個明顯的磨損帶，形同沖擊出的沙灘帶，磨損十分嚴重。在運行了100000小時左右時，中環(huán)的磨損已十分嚴重，20#機中環(huán)經鉆孔測量其厚度僅有15mm，比設計加工的25mm減少了10mm，即中環(huán)的年磨

10、損量不小于0.71mm。活動導葉的磨蝕活動導葉無明顯的磨蝕痕跡；運行60000小時左右時，立面密封下部鴿尾槽磨蝕，高80mm，呈正八字形，下部密封條無法固定，導葉下端面出現蜂窩狀氣蝕破壞，深度達2030mm，下端面出水角部分缺損；運行大于100000小時，除導葉下端面和出水角磨蝕面積增大外，下軸頸過渡球面局部磨蝕，由于導葉表面已進行抗磨蝕材料保護，因此，表面無明顯的磨蝕痕跡。其它部位的磨蝕底環(huán)、固定導葉與下部護板，支持蓋中、下段外側，在機組運行的初期，磨損不明顯，僅局部有較淺的魚鱗坑。隨著運行時間的延長，底環(huán)上止漏密封內側至圓弧表面磨蝕嚴重，出現溝槽，底環(huán)外圓與座環(huán)基礎內圓接縫處間隙隨運行時間

11、的增加越來越大，以1#、2#機最為明顯，已達2045mm。固定導葉與基礎護板，支持蓋中、下段外側，蝸殼進人門內側已布滿了魚鱗坑，深淺不一，磨損已相當嚴重，均在運行大于60000小時后的機組大修中采用抗磨蝕材料進行了保護。     06-02-16 11:49:00     作者：王建忠 涂陽文 王茂    編輯：studa9ngns3  過流部件防護情況葛洲壩電廠運行初期，水輪機過流部件的磨蝕研究大多是試驗室結論，需要通過實踐來檢驗。因此，從第一臺機組投運開始，對水輪機過流部件的磨蝕破壞問題就十分重視,在科研院所的支持下，尋找防護水輪機過流部件的金屬與非金屬材料，以減緩其磨蝕破壞的速度，延長機組的檢修期，縮短檢修時間。(1)1983年3月，在3#機轉輪體和中環(huán)上涂刷兩塊環(huán)氧砂漿進行抗磨試驗，經300