（水利工程专业论文）三门峡水电厂水轮机泥沙磨蚀及其防护的研究.pdf

摘要 在多泥沙河流中运行的水轮机，其泥沙磨损和空蚀破坏及其防护措施一直是水电工 程中水轮机安全经济运行的一个重要的问题。本文结合三门峡水电站的实际，在总结水 轮机泥沙磨蚀治理的大量的研究与实践的基础上，通过原型试验和分析，获得如下结论 和认识： ( 1 ) 过流部件中，水轮机叶片磨损和空蚀破坏最为严重，其次是中环和导水叶： ( 2 ) 通过对三门峡水电厂水轮机泥沙磨损和空蚀破坏的防护试验的效果分析，提 出了该水电厂新旧水轮机过流部件表面有效的防护材料和工艺技术； ( 3 ) 通过全年运行发电和清水运行发电的经验总结，在原型浑水试验和机组磨损、 空蚀防护研究基础上，提出了浑水发电的优化方案，大大提高了发电效益。 ( 4 ) 初步建立了机组状态检修系统，并在14 机组进行4 年的运行实践，事实已经 证明：对水轮机的安全经济运行，有重要的作用。 关键词：多泥沙河流，泥沙磨蚀，水轮机防护，汛期浑水发电，水轮机状态检修系统 i i i a b s t r a c t w h e r es a f e t ya n de c o n o m yo ft u r b i n e sw e r ec o n c e r n e d ，a b r a s i o n s ，c a v i t a t i o nd a m a g e s a n dt h e i rp r o t e c t i o n so ft u r b i n e sh a v eb e e ni m p o r t a n tp r o b l e m st h a to p e r a t ei nm u c hm o r e s a n d m u dr i v e r sf o rh y d r o p o w e rp r o j e c t s b a s e do nt h eo p e r a t i o no ft h es a n m e n x i ap o w e r s t a t i o nf o rs e v e r a ld e c a d a ly e a r sa n ds t u d i e so ft h ep r o t o t y p et e s t s ，s o m ec o n c l u s i o n sc o u l d b ed r a w nf o l l o w i n g si nt h ep r e s e n tp a p e r ： ( 1 ) f o ra b r a s i o n s ，c a v i t a t i o nd a m a g e so f t h ec o m p o n e n t so f t h et u r b i n e s ，t h em o s ts e v e r e o n ew a sb l a d e so fr u n n e r s ，a n dt h e nm i d d l er i n g sa n dg u i d i n gb l a d e s ( 2 ) t h ep r o t e c t i n gm a t e r i a l sa n dt e c h n o l o g i e sa b o u ta b r a s i o n s ，c a v i t a t i o nd a m a g e so f t u r b i n e sw e r ed e v e l o p e db ym e a n so ft h es o m em e a s u r e so fp r o t o t y p et e s t sf o rt h et u r b i n e so f t h es a n m e n x i ap o w e rs t a t i o n ( 3 ) t h eo p t i m i z i n gp r o j e c t sa b o u tm u d d yw a t e rg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yw e r eg i v e na n d h a v eb e t t e re f f e c t so fs a f e t ya n de c o n o m yo fo p e r a t i o na c c o r d i n gt ot h ee x p e r i e n c e sa n dt h e p r e s e n tt e s t so fm u d d y w a t e rg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yf o rt h eg e n e t a r i n gu n i t s t h es y s t e m so fs t a t ee x a m i n a t i o n sa n dr e p a i r so ft h es t a t i o nh a v eb e e ne s t a b l i s h e di n s a n m e n x i as t a t i o ns i n c e2 0 0 2a n dt h ef a c t sh a v es h o w e dt h a tt h e s es y s t e m sp l a y e da l l i m p o r t a n tr o l ei no p e r a t i o no f t h e t u r b i n e s k e yw o r d ：m u c h s a n df i v e r ，s a n d - m u da b r a t i o na n dc a v i t a t i o nd a m a g e ，p r o t e c t i o no fa t u r b i n e ，m u d d y w a t e rg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yi nf l o o ds e a s o n ，s y s t e mo ft h es t a t ee x a m i n a t i o n a n dr e p a i ro fat u r b i n e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者： 学位论文使用授权说明： 2 0 0 6 年6 月1 0 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者： 万： 椭1 么 7 i i 2 0 0 6 年6 月1 0 日 第一章绪论 1 1 引言 多泥沙河流的水轮机泥沙磨蚀问题是困扰我国许多水电站的一个严重问题。黄河是 世界上著名的多泥沙河流，三门峡水电站又是黄河上泥沙含量最高的水电站之一，高含 沙水流使水轮机的磨蚀十分严重，且非常典型。、“。 三门峡水利枢纽从兴建、增建n - 次改建共历时4 0 余年。工程于1 9 5 7 年4 月开 工，1 9 5 8 年1 1 月截流，1 9 6 0 年基本建成，1 9 6 2 年2 月第1 台1 4 5 m w 水轮发电机组投 入试运行，是黄河干流第座大型水利枢纽，包括混凝土重力坝、电站厂房、l l o k v 及 2 2 0 k v 开关站等。主坝长7 1 3 m ，最大坝高1 0 6 m 。经过两次大规模的改建( 增设“四管 两洞”和打开施工导流底孔) 之后，枢纽的泄流能力得到了很大提高，并使3 3 0 m 以下 的库容恢复并稳定在3 2 亿立方米左右，库区泥沙冲淤基本达到年内平衡状态。、“；潼关 高程得到基本控制。 图1 1 三门峡水利枢纽概貌 电站原设计装机8 台，为混流式机组，总容量1 1 6 万k w ，单机1 4 5 万k w ，第一台 水轮发电机组于1 9 6 2 年2 月安装完毕，并进行了试运行，后因泥沙淤积问题停运折迁。 枢纽经过1 9 6 4 年与1 9 6 9 年的大规模改建后，第一台国产机组于1 9 7 3 年1 2 月底投产， 此后，又相继安装了4 台轴流转浆式水轮发电机，1 9 9 3 年一1 9 9 6 年又在原6 号、7 号 1 机坑位置上安装了2 台混流式发电机组。现共装有7 台水轮发电机组。 其中4 台轴流转桨式水轮机型号为z z o l o l j 一6 0 0 ，最高、最低水头分别为5 2 m 和1 5 m ， 设计水头为3 0 m ，转速l o o r m i n ，功率为5 1 6 m w ，过机流量为1 9 8m 3 s 。 2 台混流式水轮机型号为h l 8 2 0 - l j - 5 5 0 ，最高、最低水头分别为4 7 7m 和2 7 4 m ， 设计水头为3 6 m ，转速为8 8 2 r m i n ，功率为5 5 7 3 m w v ，过机流量为2 3 2 5 1m 3 s 。 1 9 9 7 年开始对1 号机进行技术改造，将1 号机的水轮机更换为v o i t h 公司生产的 z z k t - l j 一6 1 0 型水轮机，并对原流道进行改造，同时对发电机进行了增容改造，改造后 的机组额定出力增加到6 0 m w ，于2 0 0 0 年1 2 月重新投入运行。改造后的三门峡水电厂 总装机容量为4 1 0 m w 。 由于黄河水泥沙含量高，水轮机的泥沙磨蚀非常严重，水轮机过流部件的磨蚀影响 黄河水电站安全运行，是决定水轮机寿命的最关键因素。三门峡处于黄河的中下游，由 于汇集了各支流带来的大量泥沙，在黄河的水电站系列中，含沙量最高，水轮机磨蚀最 严重。几十年来，三门峡水电站在治理泥沙磨蚀的过程中，做出了艰巨的努力，经过大 量的研究与探索，解决了磨蚀防护与治理技术的一些关键问题，取得了一些令人注目的 成果，但仍有一些问题没有得到很好的解决。总结、研究实践中的经验与教训，将其上 升到理论高度去认识问题，从中找出规律性的东西，探索新的策略与技术，对进一步提 高我国泥沙水电站的运行管理水平，有着重要的意义。这是本论文的宗旨。 1 2 国内外水轮机泥沙磨蚀研究动态 在国外，早在五六十年代，法国、瑞士、前苏联、日本等国家的一些学者相继在泥 沙磨损机理、材料选择、喷涂、加工、结构优化等方面进行了一系列的研究。八十年代 后，日本等国一些水轮机制造厂商在耐磨材料，表面层保护，固液两相流动等方面对水 轮机泥沙磨损问题进行了研究，如日本的峰村吉泰等人通过对受固体颗粒冲击的壁面磨 损测定和泵壳壁面磨损量的数值预测得出了考虑了冲击速度，颗粒直径，颗粒浓度等参 数与磨损量的关系的磨损常数实验式，对于计算流体机械的磨损量具有一定的指导意义 5 】 在国内，由于我国的水轮机泥沙磨损破坏是世界上最严重的国家之一，因而对泥沙 磨损的研究与治理进行了大量的工作”刮。在研究水轮机的泥沙磨损开始阶段，几乎集 中在选用耐磨蚀的材料、选择较好的表面保护方式( 如喷镀、喷涂等技术) 、注意加工 质量、改进不合理的结构、设置沉砂池等方面进行研究。提出了一些解决措旌，如易磨 损件采用镍铬钼合金、陶瓷材料等耐磨材料，表面保护推荐合金粉末喷焊、非金属抗磨 蚀保护等技术，起到一定的效果。近年来，很多专家学者在泥沙磨损机理方面进行研究， 以期得到更有效地减轻水轮机泥沙磨损的措施。我国程庭骏教授在固液两相流动机理方 面进行了广泛深入的研究；顾四行、段昌国、田树棠、杜同等水轮机磨蚀专家都对水轮 机磨蚀提出了很多独特的见解；吴建华教授在离子注入和动态离子束混合对水轮机材料 空蚀改性研究方面也取得了显著的效果”。同时，国内有不少的水轮机专家和制造商 借鉴国外通过研制高效率转轮从而达到降低磨损程度的经验，提出了一系列的水轮机过 流部件的优化设计理论与模型“2 。”3 。 1 3 课题研究的意义及价值 黄河是世界上罕见的多泥沙河流，历史上洪涝灾害频繁，水土流失严重，多年平均 输沙量达到1 6 亿吨，中游年平均含沙量高达3 7 5k g m 3 ，均居世界之首。黄河三门峡 河段的多年平均含沙含量高达3 7 6 k g m 3 ，汛期平均过机泥沙为1 7 3 k g m 3 ，近几年实 测过机泥沙为2 5 k g m 3 左右“3 。因此，水轮机过流部件的磨蚀非常严重。2 0 世纪7 0 年 代，机组运行3 6 5 0 h 后，叶片与中环的间隙就由原来的7 - l o m m 扩大到1 5 - 2 0 m m ，叶片 的其他部位也遭受普遍损伤。3 0 多年来，为了减轻和防止水轮机的磨蚀，从水库的水 沙调度、机组运行方式、过流部件表面防护、机组改造等方面，进行了一系列的研究与 探索，从实践中摸索出了一套较成功的经验，使水电厂的运行效率、机组的寿命有了较 大的提高。通过大量的研究与实践，从理论上总结、分析三门峡水电厂水轮机磨蚀防护 的成果，对于进一步提高三门峡机组的运行水平具有重要意义，并对我国多泥沙河流水 电站的建设与管理有重要参考价值。 1 4 本文主要研究工作 ( 1 ) 总结了近4 0 年来三门峡水轮机的磨蚀状况 三门峡电站是黄河上建设最早的水电站之一，也是水轮机泥沙磨蚀最严重的电站， 三门峡电站的磨蚀规律具有很强的典型性，总结这些规律，对于继续深入研究多泥沙河 流的水轮机磨蚀具有重要意义。本论文从理论与实践两个方面对水轮机磨蚀的规律进行 了较深入探讨。 1 ( 2 ) 提出三门峡水轮机新、旧转轮表面防护的有效方案 三门峡电站是最早从事水轮机磨蚀防护研究的电站，4 0 年来不问断地研究，所进 行的各种防护实验包括了多种材料、工艺，既有成功的经验，也有失败的教训。作者作 为研究的主要参加者、组织者之一，从长期实践中总结、提炼这些经验与教训，从而提 出三门峡水电站不同类型机组磨蚀防护的最适宜方案，对于今后电站的安全运行具有重 要意义，也为国内同类电站的磨蚀防护提供了参考。 ( 3 ) 提出浑水发电水沙调度、机组运行、磨蚀防护、检修维护的综合策略 浑水发电是三门峡电站所进行的一项富有创造性的研究，这项研究的意义不仅在于 有效利用汛期洪水资源，创造了可观的经济价值，还在于综合运行了各种防护材料、工 艺、水库运行调度、机组检修维护等各种措施，保证了汛期浑水发电中机组的安全，浑 水发电的综合策略对于多泥沙河流的水电站具有重要推广意义。 ( 4 ) 提出了多泥沙河流水电站的泥沙检测和机组状态维护实施方案。 状态检测与状态检修的观念与技术正在不断得到推广，对于三门峡电站有重要意义 作者对三门峡电站机组的状态检测与状态检修进行了初步尝试。 第二章三门峡水电厂水轮机的泥沙磨蚀状况分析 在黄河干流上的若干水电站中，由于三门峡处于黄河的中下游，黄河流经一系列植 被覆盖率很低的黄土高原和群山峡谷，大量的泥沙和岩石颗粒倾入河道，使三门峡电站 的泥沙含量远远高于上游的电站，由此形成的水轮机磨蚀也是黄河上电站中最严重的。 2 1 黄河上水电站水轮机泥沙磨蚀的状况 黄河干流上已建成了1 l 座大中型水电站。上游的龙羊峡、李家峡两座水电站由于 龙羊峡库容大，李家峡建成时间比较短，短时间内这两座水电站水轮机不会发生严重的 空蚀磨损破坏；其余9 座都存在严重的空蚀磨损破坏，特别是刘家峡、三门峡两电站最 为严重。空蚀磨损破坏主要发生在水流中含沙量大的汛期。虽然刘家峡河段多年平均悬 移质沙量仅8 9 4 0 万t ，为黄河年输沙量的t 1 8 ，但运用水头高；三门峡水电站虽然水 头低，但在黄河中下游，水流含沙量特别大，年输沙量达到1 6 亿t 。黄河干流上己建 和在建水电站受空蚀磨损破坏的装机容量达到6 6 3 万k w ，约占总装机容量的6 7 。“1 。 表2 1 黄河上安装轴流式水轮机电站的泥沙状况 电站名称地理位置年均含沙量最大含沙量 八盘峡甘肃省兰州市八盘峡村 3 7 7 k g m 3 4 3 1 3 5k g m 3 青铜峡宁夏回族自治区青铜峡市7 6 8k g m 3 ( 实测最大1 1 9 0k g m 3 ) 天桥陕西省保德县1 3 2k g m 3 6 0 5 k g m 3 三门峡河南省三门峡市3 7 6k g m 3( 实测晟大1 2 0 0k g m 3 ) 2 2 水轮机泥沙磨蚀的机理 2 2 1 含沙水流对空化的影响 当水流中含有泥沙颗粒时，水的物化特性和流动性被改变，从而减小水的抗断裂性， 使空化空泡产生的几率增加，另外，含沙水流由于泥沙颗粒挟带气泡植入水中，也增加 了水流中的气核“”。 其次，泥沙颗粒水质的质量、惯性力有明显差异，使泥沙运动轨迹会偏离水流流线， 加上它们的流速也不一致，造成过流部件的流场和压力强度发生畸变，泥沙颗粒前后产 生脱流漩涡，引起局部压力降低。当压力降低到空化压力时就会产生空穴泡，即形成空 化源，促使初生空化提前发生，恶化了过流部件的空化性能。 2 2 2 空蚀破坏机理 大多数学者同意空蚀是“机械作用”的，较多的实验也证明了这一点。但是一些实 例也证明了空蚀也有一些非机械的作用存在。因此，对于空蚀破坏的综合见解，不应限 于种单纯的原因“6 。1 。 当机械作用非常大时，有人曾做过定量的测定：腐蚀作用与机械作用相比是很小的， 这时认为机械作用是主要的“”。当然也有机械和腐蚀作用两种大小程度相同的水流情 况：机械作用表现为气泡溃灭时直接引起材料破坏，而化学、电化学协同作用的材料腐 蚀，致使材料新的暴露面进一步破坏。一般情况下，机械破坏比非机械破坏( 腐蚀) 要 早得多。在整个空蚀发展期间，初期无疑是机械破坏作用最为主要。 另外，一般认为，延展性强的材料可长时间经受空蚀作用而不失重，但脆性材料很 快就出现损耗。而结晶材料是随着其性质的不同而出现塑性变形或疲劳破坏，富于弹性 的材料可以在某一期间不减少重量。 2 2 3 泥沙磨损 由泥沙引起磨损的因素是复杂的，包括：沙粒的成分，泥沙颗粒的大小，泥沙的浓 度，泥沙的流速及冲击方向等。 ( 1 ) 沙粒成分与磨损的关系 一般水中沙粒成分有石英、长石、云母等矿物。其硬度若大于水力机械材料的硬度 时，则产生磨损。矿物成分硬度愈大，造成的磨损愈大。 ( 2 ) 泥沙颗粒大小与磨损的关系 一般认为，磨损与颗粒直径成正比，尖棱形状沙粒比圆形磨损要大。黄河水利科学 研究院针对- - f 峡电站的过机泥沙专门进行了试验研究，发现材料的磨损与泥沙粒径之 间的关系为：、 矿= k d “( 2 1 ) 式中：w 。一材料的失磨蚀重量( n a g ) ；d 一泥沙粒径( a m ) ；k - 与材料、含沙量及 磨蚀时间等有关的系数；n 一泥沙粒径的指数，n = o 9 一1 4 ，平均为1 1 8 2 9 ； ( 3 ) 泥沙浓度与磨损的关系 泥沙浓度越大，磨损越大。 ( 4 ) 泥沙流速及冲击方向与磨损的关系 由于泥沙主要由水流所携带，因此泥沙流速及方向主要决定于水流流速的大小租方 向。平顺的绕流磨损和携砂水流流速的平方成正比。当泥沙运动轨迹与过流部件线形不 一致时，则会出现冲角入流，增加冲击作用，加大磨损。 磨损分为普通磨损和局部磨损。普通磨损是指一般平顺绕流磨损，它对过流表面的 磨损是由于摩擦切削作用和磨粒对表面的冲击造成的，它是由流体及紊动掺混推动了沙 粒由液体的这层到另一层重新分配，加上水流的脉动结果，使硬颗粒以不同的角度冲 击过流表面，如水力机械叶片表面磨损多属于这种类型。而局部磨损则是由于具有不平 顺的绕流所引起的，如不平整的焊缝、孔眼、间隙等，由于边界层水流受障碍物的扰动， 形成漩涡流动。在漩涡运动中，漩涡中心部分的匝力被降低，漩涡吸引磨粒，而又在离 心力作用下从漩涡逸出冲击表面。同时由于漩涡中的低压而产生气穴，流到正压区产生 溃灭，与泥沙一同打击在过流表面上，即所谓空蚀与泥沙磨损的联合破坏作用。此联合 破坏作用往往大于单独某一方面的破坏作用。 2 2 4 泥沙磨损与空蚀的联合作用 一般情况下所说的泥沙磨损与空蚀的联合作用，指的是局部泥沙磨损。但也有以下 几种观点： 单纯清水空蚀破坏是和过流速度的6 1 4 次方成正比，而单纯磨损则与过流速度的 2 次方成正比“”。 清水空蚀破坏随时间的发展关系是复杂的，而磨损随时间变化是直线关系。 空蚀破坏过程中有一段潜伏期，而磨损没有潜伏期。 空蚀破坏主要由于空穴气泡溃灭时产生高压的机械作用；磨损则是由于较小的冲击 负荷所致。 联合作用主要有下面几种形式： 在空蚀和磨损联合作用时间小于材料的空蚀潜伏期时，这时材料破坏主要为磨损作 用，仅与水流速度、含沙量及沙粒形状、硬度有关。 当联合作用的时间显著超过了材料的空蚀潜伏期时，则空蚀作用明显增大。 从电站实际运行中也可以看到：空蚀的发生和发展是随泥沙含量而变化的。浑水时 的临界汽化压力为清水时的3 4 倍，金属损伤量为清水时的8 5 倍。 2 3 - f 7 峡水电厂水轮机的磨蚀状况 三门峡电站改建后的水轮机磨蚀可以划分为三个不同的阶段，第一阶段是1 9 7 3 1 9 7 9 年，为全年运行阶段。此期间机组常年运行，汛期也不停机，加上检修方式不当， 使水轮机的磨蚀非常严重。第二阶段是1 9 8 0 1 9 8 9 年，为清水运行阶段。此阶段电站 在汛期( 6 月下旬至1 0 月中旬) 的高含沙期机组停机，其它时间机组基本在清水情况 下运行，使水轮机的磨蚀状况大大改善，但是，损失了汛期大量的水能资源。第三阶段 是1 9 8 9 年7 月至1 9 9 9 年的浑水发电试验阶段，此阶段水库运用“蓄清排浑”、“洪水排 沙、平水发电”的方式进行汛期发电试验，结合水轮机过流部件的表面防护，有效地利 用了汛期的水利资源，减轻了水轮机的磨蚀，增加了电站的经济效益。 以三个阶段大量的实际数据为基础。分析三个不同阶段水轮机磨蚀的规律、表面防 护的技术、运行管理的策略，具有重要意义。 2 3 1 全年运行阶段( 1 9 7 3 19 7 9 ) 2 0 世纪7 0 年代( 1 9 7 3 - - 1 9 7 9 年) 为三门峡水电站有代表性的第一阶段，即全年运 行阶段。本阶段的特征是水电站采取全年运行方式，由于水轮机在汛期的高含沙水流条 件下工作，过流部件的磨蚀十分严重。第一阶段积累了多泥沙河流水电站水轮机磨蚀的 丰富数据，电站付出了沉重的代价，有深刻的教训，而这些资料为以后的水轮机磨蚀防 治打下了基础。 1 9 7 5 年7 月中旬，4 # 机组运行1 2 0 0 0 h 之后( 经历了第二个清水期运行) ，叶片背面 外露不锈钢铺焊板已全部脱落，出露母材空蚀破坏严重，外边缘附近空蚀深坑密布，一 般深度1 5 2 0 m m ，叶片与中环间隙发展到2 0 3 0 m m ，叶片头部外端破坏异常严重，多呈 锯齿深处达2 0 m m 。这表明经一个汛期磨损后再经清水运行，叶片背面外缘及中环表面 空蚀破坏已十分严重。 1 9 7 6 年8 月下旬，4 # 机组运行1 9 6 0 0 h 之后( 经历了第二个汛期和第三个清水期的 运行) ，叶片背面母材蜂窝深度达2 0 m m 以上，叶片与中环间隙发展到2 0 5 0 m m ，中环中 心线以下c r 5 c u 铺焊板已全部脱落，外露母材空蚀深坑和磨蚀沟槽达2 0 m m ，导叶开始 出现鱼鳞状印痕。 1 9 7 7 年4 月上旬，4 # 机组运行了2 3 0 0 0 h 之后( 经历了第三个汛期和第四个清水期) 叶片背面未修补处母材呈松散蜂窝状，叶片与中环间隙达2 0 - 6 0 m m ，导水叶磨损破坏进 一步加剧。下部鱼鳞坑平均深度1 n u n ，最深达2 3 m m 。 1 9 7 8 年底，4 # 机组运行3 0 4 0 0 h 之后( 经历了第四和第五个汛期) ，叶片空蚀磨损破 坏已近于报废，迸水和出水边已大面积磨蚀去，残留部分呈不规则锯齿状锋利刀口，叶 片与中环问隙扩大到5 0 - 1 2 0 m m 。中环中心线以下母材呈松散蜂窝状间夹杂深沟、深坑 深达3 0 m m 以上，个别深坑已穿透母材，中环也近于报废。三门峡水电站到1 9 7 8 年为止， 全厂主设备完好率下降到5 7 ，由此可见水轮机空蚀磨损破坏严重。7 9 年初4 号机进 行了大修，历时2 2 2 天，消耗焊条9 3 0 0 k g ，大修耗资7 3 万元。机组大修后并网发电仅 1 6 4 0 h ，水下部件又发生严重破坏，叶片、中环等已经面目全非。其它机组的磨蚀也很 严重，一台新大修的机组，通常只能维持3 0 0 0 h 的正常运行周期。 其它4 台机组的磨蚀情况与4 号机基本相同，这些可以从第一次大修耗用焊条情祝 得到充分说明：l 号机修前运行1 7 1 3 2 b ，耗用焊条8 4 1 t ：2 号机修前运行1 4 4 5 6 h ，耗 用焊条5 5 9 t ；3 号机修前运行1 8 7 7 5 h ，耗用焊条3 8 5 t ；5 号机修前运行1 5 8 6 4 h ，耗 用焊条6 t 。 如图2 1 所示为4 # 机汛期运行后不锈钢保护层磨穿的情况。 图2 14 # 机汛期运行后不锈钢保护层磨穿 2 3 2 清水运行阶段( 1 9 8 0 1 9 8 9 ) 1 9 8 0 年起到1 9 8 9 年间，为了避免汛期水轮机的严重磨蚀，三门峡的运行方式改变 为清水运行方式，汛期不发电。停止汛期发电后，水轮机的空蚀破坏有所减轻，机组运 行三年后过流部件的补焊量由原来的9 t 左右减少到3 5 t 。但空蚀的情况仍比较严重， 以4 # 机为例，常年运行阶段与汛期停止运行阶段的水轮机磨蚀状况对照如表2 2 所示。 9 为了减轻空蚀破坏，继续采用环氧金刚砂对叶片正面进行防护，并用不锈钢铺焊、 堆焊等方法对叶片背面进行防护。由于水轮机叶片的设计、制造水平较低，由空蚀形成 的破坏依然是机组的晟大威胁。 表2 24 # 机常年运行阶段与汛期停1 e 运行阶段的水轮机磨蚀状况对照 运行时间叶片与中环问 运行方式 叶片破坏情况 中环破坏情况 ( h )( m m ) 强空化区布满1 5 2 0 m mc r 5 c u 保护层脱由原来8 - l o m m 扩大 的鱼鳞坑，有蜂窝状侵落，母材布满到4 0 5 0 m m 。 常年运行 7 5 9 5 蚀。 莎1 0 8 m m 深 坑。 强空化区布满t o 1 5 m m 空蚀坑西1 0 x 由原来t o 一2 0 m m 扩 汛期不发电1 0 7 8 6 的沟槽。大到2 0 - 3 0 m m 。 b m m 4 号机清水运行1 0 8 7 6 h 后的空蚀状况如下： 叶片头部空蚀严重，保护层脱落，呈锯齿状。正面的环氧金刚砂保护层基本完好， 如图2 2 所示。叶片背面的保护层有大部分脱落，有磨蚀形成的1 5 l o m m 沟槽和2 m m 深 的空蚀坑，如图2 3 所示。外缘约3 0 0 n u n 的强空化区布满l o x l 5 m m 的沟槽和( 1 ) l o x 5 m m 的空蚀坑，如图2 4 所示。外缘端面磨蚀严重，a 1 3 2 抗磨不锈钢堆焊层已经磨穿，如 图2 5 所示。 图2 2 清水发电方式叶片头部外缘端面磨蚀 o 图2 3 叶片背面磨蚀情况 图2 4 叶片背面不锈钢保护层磨蚀情况 图2 5 叶片端面磨蚀情况 l i 汛期不发电的运行方式，在一定程度上改善了水轮机过流部件的空蚀与泥沙磨损所 造成的破坏，但所损失的水力资源也是很可惜的，在1 9 8 0 1 9 8 8 年间，：- - f l 峡每年约有3 亿k w 的可利用水能被白白弃掉 2 3 3 浑水试验阶段( 19 8 9 - 19 9 9 ) 从1 9 8 9 年开始的汛期浑水发电阶段一直持续到现在。汛期浑水发电阶段的实质是 不仅使机组在非汛期的清水情况下运行，而且在除了特别高含沙阶段外的汛期运行，既 避免了全年运行阶段汛期高含沙期对水轮机造成的集中高强度磨蚀，又有效利用了汛期 的大部分水能。从综合效益最大的目标出发，进行水沙的优化调度，配合有效的表面防 护，在取得很大直接经济效益的同时，把泥沙磨蚀的危害控制在允许的范围。“2 ”。 为充分利用黄河汛期水资源，于1 9 8 9 年开始了汛期浑水发电试验。在水沙不均衡， 汛期沙量集中，出库含沙量居世界第一位的黄河上进行汛期浑水发电试验，是一项复杂 的科研课题，研究汛期发电问题具有重大的现实意义。实现汛期发电不仅能使三门峡电 厂每年汛期得到3 - 4 亿度电量，增强枢纽防汛电源的可靠性，而且对如何开发利用黄河 中下游水利资源提供了宝贵的经验，并能对黄河中下游拟建工程提供科学依据。以下以 4 号机为例，对机组的实验过程及取得的经验进行分析。 1 9 8 9 年4 号机汛期浑水发电试验，是六年汛期浑水发电试验中平均过机泥沙含量 较大，试验历时最长，过流部件汽蚀磨损破坏最严重的，并经过了汛期“七下、八上” 高含沙期的运行考验。由于4 号机汛期试验长达1 8 8 3 h ，过流部件各个部位的破坏特征 已十分明显，其破坏部位、破坏强度、破坏特征基本上代表了三门峡水电站汛期水轮机 磨蚀破坏的水平。 ( 1 ) 过流部件磨蚀的基本规律 水轮机过流部件磨蚀破坏遵循一定的规律，随着水电站机型、水头和泥沙条件等不 同各有差异。三门峡水电站水轮机由于独特的条件，其破坏规律有它的特殊性。 经过六年汛期发电观测，三门峡水轮机过流部件中叶片仍然是破坏最严重的部件， 其次是中环，流道中6 个主要破坏部位状况如下。 叶片头部外缘角：叶片头部外缘角是一个半圆弧形，在每个叶片上该面积仅有约 0 1m 2 ，破坏面积虽小，但从汛后每年破坏情况观测，其破坏强度是上述四个部位中最 强的。经过对1 9 8 9 年四号机汛后叶片外缘角检查，表面堆焊的a 1 3 2 不锈钢层已全部破 坏掉，碳钢母材外露，外缘圆弧半径尺寸减少3 0 m m ，表面为不规则深坑，深度达3 0 4 0 m m ，坑底表面光滑。根据观测和分析，破坏过程为：进入转轮室的轴向水流最早直接 冲击在叶片头部及外缘角表面，由于材质的不均匀性，即便是局部微小材质缺陷或是表 面加工坑点，都会首先产生局部破坏，引起恶性循环。还由于叶片头部设计角度和工况 偏差，水流对叶片头部造成较大冲角，在圆弧面下部形成脱流，首先在弧面下部产生强 空蚀破坏，加上高速含沙水流的沙粒磨损而形成十分严重的磨蚀破坏。外缘角的过早破 坏，使叶片头部水流紊乱，将对叶片背面头部产生不利影响。叶片头部的磨蚀情况如图 2 6 所示。 图2 6 叶片头部磨蚀情况 叶片背面头部外缘三角区：汛期发电后，在叶片背面头部外缘三角区出现一块十分 严重的破坏区，其面积与汛期总发电运行小时数有关，一般在每个叶片该部分面积为 0 6 o 8m 2 ，1 9 8 9 年讯后表面破坏形态为沿水流方向不规则沟槽状并夹杂有圆弧深坑， 一般深l o m m ，最深达2 0 m m 以上，该部位破坏的直接原因是水流在叶片头部严重脱流造 成的，根源是水力设计不合理，叶片进口角度偏大和偏离设计工况，经观测和分析破坏 过程如下：当轴向水流流经叶片头部时，由于脱流产生大量气泡，水流经过1 0 0 4 0 0 m m 距离后，气泡溃灭，打击过流表面，形成明显的破坏面积，加上沙粒磨损，其破坏沟槽 和深坑底部光滑，呈典型磨蚀形态。在1 9 9 0 年至1 9 9 4 年以后几年，由于调水调沙运用， 该破坏面积明显减少，破坏减轻，在一个汛期后几乎看不到脱流区的破坏。 叶片背面外缘3 0 0 3 5 0 m m 范围：由于该部位水流相对流速高达3 4 m s ，是叶片的强 空蚀区，1 9 8 9 年四号机汛后检查，该部位每个叶片破坏面积达1 2m 2 以上，表面出现 了十分严重的破坏沟槽，在汛期高含沙水流条件下，破坏形态呈磨蚀特征，是叶片破坏 面积最大的部位，如图2 8 所示。 图2 7 叶片背部三角区磨蚀情况 图2 8 叶片外缘磨蚀带 叶片端面磨蚀情况：从1 9 8 9 1 9 9 2 年讯后机组大修检查情况来看，端面呈磨蚀深坑 和沟槽，底部光滑，是典型的磨蚀形态。以1 9 8 9 年汛期破坏最为严重，叶片半径减少 1 5 2 0 m m ，该部位破坏面积每个叶片约0 3 5m 2 ，其破坏以间隙空化与磨蚀为主要特征， 破坏强度大于叶片外缘。根据六年来四号机、五号机、二号机等叶片端面破坏观测，破 坏强度和叶片与中环间隙直接有关，间隙在l o m m 以下破坏较轻，间隙大于1 0 m m 时，破 坏明显加剧，如图2 9 所示。 4 图2 9 叶片外缘端面磨蚀情况 以上所述为三门峡水轮机a 7 9 叶片四个主要破坏部位，经六年实验观测，得出叶片 不同破坏部位所遭受到的破坏强度之间的关系，其排列顺序见表2 3 。 表2 3 各破坏特征下的排列顺序 部位 头部外缘角背面头部外缘三角区 背面外缘 外缘端面 破坏强度 1 432 破坏面积 4213 失重量4 2l3 从六年观测资料分析还发现，8 个叶片在汛期相同运行时间和工况下，破坏面积和 程度也不同。如1 9 8 9 年汛后8 个叶片中有4 # 、8 # 两叶片背面头部三角区和外缘破坏 较严重，破坏深度一般在8 咖以上，比其它叶片深卜2 m m 。经认真观测，这两个叶片的 头部和外缘角以及外缘端面，破坏也比别的叶片破坏深度大2 m m 以上，经过分析认为： 叶片头部外缘角过早过严重破坏，使叶片头部水流紊乱，脱流更严重，空蚀更强。叶片 外缘端面过早和过严重破坏同样加剧了间隙空蚀产生，使端面产生的气泡打击叶片背面 外缘造成更加严重破坏。因此，对叶片头部和外缘角采取有效防护，不但保护了头部， 还可部分减少背面头部的破坏源，起到一举两得的作用。同样，叶片外缘端面过早破坏， 加剧了间隙汽蚀对叶片外缘和中环产生的不利影响，因此，对外缘端面采取有效防护， 可减轻背面外缘的破坏和转轮室中环破坏，可起到一举三得的效果。 转轮室中环破坏与叶片各主要部位相比，强度较轻。1 9 8 9 年讯后中环表面出现沿 水流方向的沟槽，深度一般为5 - 8 m m ，沟槽底部光滑，呈典型磨蚀破坏特征，转轮室中 环破坏同叶片外缘端面一样，主要受叶片与中环间隙空蚀破坏影响，在含沙水流下，为 空蚀加磨损破坏。转轮室中环虽然破坏强度弱，但面积大，经六年测量，主要区域在叶 1 5 片中心线上下各3 5 0 r a m 范围，面积约1 3m 2 ，还因中环为整体埋设件，不易加温不易防 护。 吊物孔周围的磨蚀：由于吊物孔堵板焊接处的脱流，使吊物孔周围成为易受磨蚀破 坏的区域。特别是吊物孔的下游侧，由于空化与磨蚀的联合作用，一般破坏都很严重。 如图2 1 0 所示。 图2 1 0 吊物孔周围的磨蚀 图2 1 1 中环磨蚀一顺水流方向的沟槽 6 图2 1 2 中环的厝蚀一叶片与转轮室间隙增大 中环破坏：根据多年机组运行情况分析，中环严重磨蚀破坏区发生在中环中线上、 下各3 5 0 r a m 的区域，特别在中心线以下部位破坏较严重。1 9 8 9 年4 号机经过一个汛期 的运行，在中环空蚀破坏部位沿水流方向出现沟槽、深坑，以磨蚀破坏为特征。一般深 5 - 8 m m ，最深可达1 5 m m 以上。原铺焊的3 - 4 m m 不锈钢层大部分被破坏，局部不锈钢母材 外露，中环总失重相当于卜1 2 t 焊条的补焊量。由于中环和叶片外端面的磨蚀，使叶 片与中环间隙由检修后的l o 2 0 m m 扩大到2 0 3 0 m m ，如图2 2 l 和2 1 2 所示。 ( 2 ) 磨蚀成因分析 转轮叶片制造误差大，加工精度不高：经过对4 # 机3 号及4 号叶片实测，每个叶片进 口边均非流线型，头部呈方形；叶片出口边下垂1 0 0 1 4 5 m m ：叶片根部端面增厚l o o 1 4 0 n u a ；各叶片之间的质量差最多达n 之多( 叶片设计重6 t ) ，此外叶片开口尺寸、厚度 与表面形状均有明显差异，叶片表面粗糙，水流绕流条件不好。 叶片外缘切割，表面粗糙：叶片加工精度差，安装时与转轮室碰撞，现场进行叶片外 缘切割，使叶片端面极为粗糙，促进了叶片外缘的空化与磨蚀。 长时间偏离优良工况运行：机组设计水头为3 0 m ，实际汛期运行水头多在2 0 2 5 m ，非 汛期多在3 5 4 2 m ，为了减少顶盖漏水，又加大了叶片转角，加大了水流进口冲角，形成 脱流，加重了空化与磨损。 过流部件材质不良：4 4 机叶片材料为z g s i m n ，实验证明该材料抗空蚀与磨损的性能均 较差，尽管在叶片正面铺设c r s c u 钢板、背面铺焊1 8 8 不锈钢板，但这种材料与工艺不 能适应三门峡的高含沙水流，造成磨蚀率高达2 0 3 9 h 的局面。 在近似水沙条件下，改用z g o c r l 3 n i 4 m o 的3 # 机，运行时间2 3 5 0 0 h ，磨蚀比较轻，第 一次大修，仅耗焊条2 5 0 k g ，磨蚀率仅为1 0 6 k g h 。 水轮机大修不及时：4 4 机从1 9 7 3 年1 2 月投产，至1 9 7 9 年1 月，运行3 0 4 5 3 小时才进 行第一次大修，使转轮叶片及中环等主要过流部件严重破坏，水轮机长期带病运行，形成 恶性循环，结果使叶片很难恢复到设计状况。 2 4 本章小结 三门峡水电厂水轮机的泥沙磨蚀分三个阶段：全年运行阶段、清水运行阶段和浑水 发电试验阶段。全年运行阶段是水电站投产初期对多泥沙河流水轮机磨蚀严重性缺乏认 识情况下所采用的一种有严重缺陷的运行方式；而清水运行方式虽然减轻了磨蚀，但浪 费了汛期大量的水能资源：浑水发电的运行方式，是多泥沙河流水电站值得借鉴的一种 运行方式，既有效利用了汛期宝贵的水能资源，又避开了磨蚀强度大的高含沙期，配合 水沙优化调度和水轮机表面防护技术，可以把磨蚀控制在允许的限度。本章通过黄河上 水电厂水轮机的泥沙磨蚀状况分析，探讨了水轮机泥沙磨蚀的机理，重点分析了三门峡 水电站三个阶段水轮机的过流部件如叶片的各个部位、中环、吊物孔等的磨蚀状况，并 配以图片进行了形象地描述，揭示了泥沙磨蚀在不同情况下的一般规律。 第三章- f - 峡水轮机抗磨蚀表面防护的研究 为了解决水轮机的磨蚀难题，三门峡电站进行了长达3 0 多年的探索，采用多种表 面防护技术，减轻和防治水轮机磨蚀。从实践中摸索出了套较成功的经验，使水电厂 的运行效率、机组的寿命有了较大的提高。三门峡的磨蚀防护经过四个不同阶段，每个 阶段有不同的防护重点，采用了不同的材料与工艺，通过大量的试验、对比与筛选，摸 索出一套适合三门峡电站泥沙与机组特点的有效防护策略与方法。从理论上总结、分析 三门峡水电厂水轮机磨蚀防护的成果，对于进一步提高三门峡机组的运行水平具有重要 意义，并对我国多泥沙河流水电站的建设与管理有重要参考价值。 3 1 三门峡水电厂水轮机磨蚀防护的四个阶段 第一阶段( 磨蚀防护初期阶段) ：1 9 7 4 1 9 8 2 年问为三门峡水电站磨蚀表面防护的 第一阶段，为磨蚀防护的初期，这一阶段主要的防护方法是在过流部件上进行了不锈刚 板的铺焊、铬五铜钢板铺焊、不锈钢焊条堆焊、铸石板、环氧金刚砂涂覆等，从试验结 果来看，过流部件强蚀区的不锈钢堆焊和非汽蚀区的环氧金刚砂涂层表现出较好的抗汽 蚀磨损性能，特别是叶片正面、导水叶上的环氧抗磨涂层保护，经过一个大修期运行， 基本完好无损，在水轮机过流部件的非汽蚀区起到了有效的保护。但是在水轮机的严重 汽蚀区，包括叶片进水边背面、间隙空化带、出水边和中环中下部等处的防护材料基本 脱落。 第二阶段( 耐磨焊条堆焊以及软涂层防护阶段) ：1 9 8 3 1 9 9 0 年为三门峡水电站磨 蚀防护的第二阶段，本阶段防护试验的特点是推广第一阶段的成果，继续寻找新的抗磨 材料与防护方法，主要进行非空蚀区涂环氧金刚砂，严重空蚀区堆焊耐磨一号、钴铬钨 焊条及金属陶瓷，非强空蚀区喷涂尼龙、聚氨脂以及在叶片外缘堆焊金属陶瓷和不锈钢。 结果表明：金属陶瓷，耐磨一号具有良好的抗磨蚀性能，其缺点是金属陶瓷和耐磨一号 易产生龟裂，砂轮打磨也困难。在非空蚀区，环氧金刚砂具有良好的抗磨性。尼龙和聚 氨脂软涂层几乎全部脱落，这与金属和非金属材料的结合强度低有关。 第三阶段( 多种金属、非金属材料试验筛选阶段) ：1 9 9 1 1 9 9 5 年，为三门峡水电 站磨蚀防护的第三阶段，是三门峡水电站磨蚀防护研究的高峰期，本阶段防护试验的特 1 9 点是推广第一、二阶段的成果，并由水利部主持，组织“八五攻关”，试图解决待建的 小浪底水轮机磨蚀问题。选择条件相近的三门峡作试验基地，目标是：为在建的水浪底 电厂预选抗磨蚀材料和工艺；三门峡实现汛期发电三年一大修。除了继续使用环氧金刚 砂保护非空蚀区外，共进行了4 0 种金属材料、非金属材料、硬涂层、软涂层的现场试 验。结果表明：聚氨酯软涂层在固定过流部件的防护方面有一定效果，主要用于座环支 柱、导水叶的防护；金属材料中，中科院金属研究所生产的高抗磨焊条g b l 抗磨效果突 出，g b l 用于强空蚀区，可满足整个汛期发电需要，是目前最理想的防护材料。合金粉 末喷焊材料中，水科院生产的s p h g i 喷焊粉末抗磨性能较好，a p h g l 用于叶片外缘及端 面的保护。 第四阶段( 推广成熟技术，扩大成果阶段) ：1 9 9 6 年以后，继续采用成熟技术，即 固定部件和叶片正面非空化区应用环氧金刚砂保护层，叶片背面一般区域用a 1 3 2 焊条 堆焊，外缘、头部、出水边等强空蚀区用g b l 焊条堆焊，叶片头部及外缘用s p h g l 喷焊。 近今年，由于g b l 焊条焊接过程中发烟严重，有一定毒性，故除了叶片外缘的强空蚀仍 推广采用g b l 焊条外，一般在空蚀区广泛采用o c r l 3 n i 4 m o r e 焊条进行堆焊，其抗磨性 能略低于g b l 焊条，但这种焊条有良好的抗磨性能和良好的焊接工艺性。 自2 0 0 0 年后，三门峡l 号机改造，采用设计、制造质量优秀的新转轮，并采用了 聚氨酯软涂层和碳化钨热喷涂进行叶片防护，取得了较好的抗磨效果。 结果表明：叶片