瑞丽江一级水电站泥沙磨蚀的特点和防护措施

1、瑞丽江一级水电站瑞丽江一级水电站泥沙磨蚀的特点和防护措施泥沙磨蚀的特点和防护措施联合电力摘要：摘要：瑞丽江一级水电站经过4年多的运行，水库泥沙淤积越发严重，过机泥沙逐步增加，水轮机泥沙磨蚀情况越发恶化，其磨蚀规律基本相同，又结合电站本身的特点，在解决导水机构漏水的技改实施成功的基础上，肯定了抗磨材料WC/Co涂层（碳化钨）在抗泥沙磨蚀起到的作用，提出了相关技改措施及取得的成绩。关键词：关键词：磨蚀、冲蚀、气蚀、泥沙、水轮机。一、概述一、概述瑞丽江一级水电站位于缅甸北部掸邦境内紧邻中缅边境的瑞丽江干流上。电站距缅甸南坎、曼德勒的公路距离分别约为63km、539km。电站至中国境内的瑞丽、昆明的公

2、路里程分别为94km、893km。一、概述一、概述工程采用引水式开发，坝高47m，库容2683104m3,引水隧洞长约5km，厂房为地面厂房，装机6100MW。机组最大运行水头为330.10m，设计水头为299.00m，额定转速为428.6r/min，年利用小时高达6722h，属高水头，高泥沙，高转速、高年利用小时数的水电站。一、概述电站自2008年9月7日首台机组投产运行以来，水轮机遭受泥沙磨损和气蚀的破坏越发严重，尤其是2013年机组检修时发现导叶大圆盘盘根密封处磨损严重，有的底环抗磨层已全部冲蚀完，部分母材也已损坏。一、概述根据中国水电顾问集体昆明勘测设计研究院提供的水文数据，1957年

3、7月2001年12月连续45年实测资料，瑞丽江一级水电站坝址多年平均流量365m3/s、悬沙量876万t、含沙量0.76kg/m3，特别是汛期（6月10月）平均流量646.5m3/s、输沙率607kg/s、含沙量0.939kg/m3，正常蓄水位725m时库沙比仅为1.5，泥沙硬矿物含量大，泥沙硬矿物（摩氏硬度大于5）含量占总沙量的68.17%，大量的过机泥沙对过水部件的磨损严重，根据水电水利工程泥沙设计规范，属于泥沙问题严重型水库和电站。 二、水轮机各部位磨蚀的特点二、水轮机各部位磨蚀的特点 （一）转轮冲蚀磨损严重瑞丽江一级水电站转轮型号为A351，直径为2.8m，分15个长、15个短叶片。转

4、轮上冠、下环采用ZG0Cr13Ni5Mo不锈钢整体铸造而成。转轮叶片采用0Cr13Ni5Mo钢板模压而成。为适应多泥沙河流电站环境，设计上考虑了转轮上冠外表面，下环迎水边及出水边，长、短叶片进水边局部，长叶片出水边局部，以及上、下转动止漏环均喷涂了抗磨材料WC/Co涂层（碳化钨）。（一）转轮冲蚀磨损严重下环喷涂层脱落，出现较大冲蚀坑出水边背部喷涂部位基本保持完好（一）转轮冲蚀磨损严重转轮下环迎水边冲蚀情况转轮上冠迎水边冲蚀情况（一）转轮冲蚀磨损严重叶 片 出 水边 出 现 冲蚀沟槽冲 蚀 沟槽 发 展成裂缝（一）转轮冲蚀磨损严重叶 片 流 道内 的 冲 蚀沟槽叶片未喷涂部位磨蚀较严重，导致叶片

5、变薄。（一）转轮冲蚀磨损严重1#转轮长叶片出水边出现严重的掉边（一）转轮冲蚀磨损严重从机组历次大小修情况来看，转轮喷涂部位除下环受气蚀因素影响容易脱落外，其它部位基本保持完好，未喷涂部位磨蚀情况较为严重，特别是2011年后，磨蚀情况更为明显，冲蚀、磨损现象进一步加剧，不仅上冠、下环迎水边出现整圈较严重的锯齿形冲蚀坑，叶片流道内出现较多的冲蚀沟槽，较大的沟槽至使叶片强度降低而出现裂纹，而且转轮长叶片磨蚀加剧，导致叶片变薄。（一）转轮冲蚀磨损严重根据测量数据，新转轮长叶片出水边尺寸在15.5mm16.0mm之间，但2012年检修机组所测数据在12.5mm13.5mm之间，说明经过4年的运行，叶片已

6、近磨损3mm4mm。2012年对1号机进行检修时，还发现了其中一块长叶片出水边出现了掉边的重大缺陷。 （二）导叶上、下大圆盘冲蚀磨损严重活动导叶翼型有较大的偏心，使负压面平顺光滑，上、下轴径的过渡凸肩偏置于正压面，从而避免凸肩在背压面诱发磨蚀。采用0Cr13Ni5Mo不锈钢整体铸造而成。设计上增加了导叶高度，增加了导叶区域的过流面积相应，降低导叶区域的流速。表面采用相对流速较低的带有偏心的负曲率导叶，提高导叶本体的抗磨蚀性能，对导叶整个过流面进行喷涂抗磨材料WC/Co涂层（碳化钨）。（二）导叶上、下大圆盘冲蚀磨损严重间隙射流破坏的导叶大圆盘唇边导叶出水边损坏情况（二）导叶上、下大圆盘冲蚀磨损严

7、重导叶上、下大圆盘上的密封是中轴套和下轴套密封的第一道防线，如密封受损后，高压水携带泥沙进入到轴套使其破坏，大量漏水流入渗漏集水井，给机组安全运行带来了隐患。在2011年机组检修过程中，对机组导叶上、下密封进行了改造，相应对大圆盘进行了修复、补喷涂，并将大圆盘密封更换为硬度达到90A的聚醚聚氨酯密封，采用新的轴套。但从2012年和2013年的检修情况看，大圆盘出水边部位冲蚀依然较为严重，轴套漏水比2010年明显减少，未出现轴套损坏现象。主要原是由于大圆盘密封槽的存在，使导叶与顶盖、底环存在配合间隙，导致了导叶前后存在较大压差，容易形成间隙射流，对大圆盘密封槽部位造成冲蚀破坏。 （三）顶盖、底环

8、导叶孔冲蚀磨损严重在顶盖、底环设有抗磨板，材料采用0Cr13Ni5Mo 钢板，因导叶密封槽的存在，使导叶与顶盖、底环存在配合间隙形成间隙射流，对大圆盘密封槽唇边等部位造成冲蚀破坏，也同时对顶盖、底环的抗磨层出水边、封水面等部位造成了冲蚀磨损，修复困难。虽然从2011年开始至今，电站每年对无论是大修或是小修的机组转轮均进行了相应的现场修复、喷涂，但均未阻止磨蚀情况的恶化,损伤现象突出。（三）顶盖、底环导叶孔冲蚀磨损严重顶盖出水边被冲蚀底环导叶孔出水边冲蚀严重 （三）顶盖、底环导叶孔冲蚀磨损严重2013年1号机组检修时，导叶大圆盘的迎水面（转轮侧）一侧与底环、顶盖导叶孔边缘有严重的冲蚀现象，部分抗

9、磨环已经全部冲蚀干净，母材损坏严重，修复出现加大的困难，有些区域基准面已被破坏。底环导叶孔底环导叶孔出水边冲蚀严重顶盖出水边被冲蚀出水边冲蚀严重顶盖出水边被冲蚀 三、冲蚀的原因三、冲蚀的原因 （一）过机泥沙的增加过机泥沙对水轮机主要是气蚀和泥沙磨损复合作用，泥沙中带有大量的气核，给空化侵蚀创造了一定条件，反过来，泥沙冲蚀后的粗糙过流表面又促进了空蚀。瑞丽江一级水电站水库总库容为2683104m3，可调节库容仅为775104m3，属于不完全日调解水库。而且电站大坝库容是在先期400MW的基础上设计的，目前增加为600MW，降低了调节能力。（一）过机泥沙的增加从2008年至2012年水库泥沙淤积，

10、越发严重，冲淤早已平衡，上游来水质基本保持原天然河道的状态，泥沙无沉淀的条件。特别是在汛初和汛末的交界期，固体径流问题更为突出，增加了过水部件的过机泥沙量，加速对水轮机部件的磨损。而且近两年，位于缅甸境内库区两岸边坡，植被破坏严重，水土流失加大，固体径流问题将进一步加剧。（二） 设计结构不合理为减缓导叶端面漏水问题，在活动导叶正面的端面设有大园盘，增加了端部漏水的阻尼，减少了导叶端部的漏水，进而减小间隙空蚀，以期减小导叶磨损。但在实际运行中，水流经导叶大圆盘端面流线之间冲蚀大圆盘密封和导叶孔之间形成的配合间隙，随着机组过机泥沙含量增加，对该部位的冲蚀越发严重。（三）修复质量低在高水头、多泥沙电

11、站中，碳化钨喷涂层作为抗磨材料对保护转轮本体起到了积极地作用，喷涂层脱落部位如不及时恢复，泥沙对金属表面的损伤会加剧，短期将发展成为较大冲蚀坑，特别是叶片流道内出现的沟槽，如不及时进行修补，将使叶片出现开裂问题，继而使叶片脱落，使机组在运行中振动摆度增大和效率降低。（三）修复质量低目前，电站采用电弧气刨磨蚀区后，堆焊抗磨层，最后打磨成型，然后再进行碳化钨喷涂手工作业。由于有时电弧气刨不彻底，堆焊工艺质量差，发生夹渣，气孔、未焊透的缺陷，或焊接打磨不理想，表面有高差，再加上碳化钨喷涂手工作业工艺质量较机械作业相差甚远，磨蚀区表面流线型更差，使流场紊乱，加剧了水轮机的磨蚀。 四、防护措施四、防护措

12、施 （一）转轮全喷涂由于设备条件的限制和经济性的考虑，转轮叶片流道内大部分未进行碳化钨抗磨层的喷涂，2012年，公司要求喷涂技术合作单位针对瑞丽江一级水电站设计并定购了专制喷涂设备，满足对转轮进行全喷涂的技术工艺。因此，2012年下半年已对库存的2个转轮采取现场喷涂方式进行全喷涂，而新购置的转轮需运至西安进行全喷涂。（一）转轮全喷涂对今年小修机组的转轮，不仅要继续开展脱落部位的现场补喷，还要采取工位修复后尽量将流道内喷涂的措施，以遏制磨蚀的快速发展。转轮全喷涂后，相关问题应能得到较好的改善。（二） 导叶结构改造针对导叶大圆盘密封结构存在的问题，2012年公司和厂家等相关单位召开了专题会议。并由

13、厂家提供了相关的改进方案，缩小顶盖和底环的导叶轴孔，使导叶大圆盘形成飞檐，以遮盖大圆盘密封和导叶孔之间形成的配合间隙，从而减少该部位混入的泥沙水量，避免出现水混沙形成的间隙射流，从而减轻对活动导叶轴颈、底环和顶盖等造成的磨损。联合电力已定购的2套新结构的导叶，在2013年大修的机组上进行试验。（二） 导叶结构改造导叶大圆盘形成飞檐，以遮盖大圆盘密封和导叶孔 （三）进一步完善溯源冲沙鉴于电站目前汛期冲沙运行中存在的问题，电站正在请设计院勘测水库泥沙淤积情况，并研究制定灵活可行的汛期常规性冲沙方案，确保冲沙效果，以期尽量减少过机泥沙。根据2012年瑞丽江一级水电站水库溯源冲沙后库容测量总结报告，溯

14、源冲沙前后，在正常蓄水位725m以下，坝前段库容由504.93104m3增至786.53104m3，冲走淤积泥沙约281.6104m3，总体冲沙效果良好，对减缓水轮机磨蚀也能起到一定的作用，保证了电站安全稳定运行。 材质选择目前，转轮、导叶、止漏环，以及顶盖和底环的抗磨板材质为0Cr13Ni5Mo不锈钢，其抗磨性较0Cr16Ni5Mo材质低。从国内一些电站为解决泥沙磨蚀技改经验中我们发现选择高于泥沙硬度，具有良好的韧性和脆性的材料，能较好的解决泥沙的磨蚀问题。 结论高泥沙、高转速、高水头的混流式水轮机磨蚀的基本规律相同，但是由于运行参数、制造水平等方面的差异，磨蚀的情况各有不同，同样的磨蚀防护方法，其效果也不尽相同。很多电站所采取的涂层防护、优化设计、提高工艺、选择优质材料，减少过机泥沙含量等措施，都起到了一定的效