铜街子水电站水轮机磨蚀的分析与处理

铜街子水电站水轮机磨蚀的分析与处理

铜铺子水库位于四川省乐山市。是河东地区下游的最后一个水库。装机容量60万kW,保证出力13万kW,多年平均年发电量32.1亿kW·h。电站采用半伞形机组。水轮机型号:ZZ440-LH-850,额定出力154MW,额定水头31m,额定转速88.2r/min。工程于1985年开工,1992年12月第1台机组发电。铜街子水电站运行多年以来,水轮机磨蚀比较严重,笔者就水轮机磨蚀产生的情况进行了分析,介绍了处理磨蚀的方法。1转轮体汽蚀特点铜街子水电站水轮机磨蚀主要体现在以下几个方面:(1)转轮体整体磨蚀与局部严重磨蚀。转轮体是转桨式水轮机的重要部件,内部有整套油压操作系统,铜街子水电站转轮体材质为A3钢,由厚度为80mm的钢板卷制而成,表面积达150m2,转轮体与连接体、泄水锥连接部位有三道护板过渡形成整体导流面。在近几年的检修中发现水轮机转轮体磨蚀不断加重,呈现大面积整体磨蚀特征。①转轮体表面变得粗糙,整体表面出现鱼鳞状特征。②汽蚀部位用不锈钢焊条补焊后与本体基本打磨平整,经运行后,不锈钢补焊部位与本体出现3～6mm的台阶;同时,叶片不锈钢压环与本体也出现了4mm左右的台阶。③转轮体与连接体护板由16mm厚的A3钢板卷制而成,检修时发现护板出现孔洞。经拆除护板检查得知最厚部位为12mm,孔洞周围多为5mm,大部分护板厚度小于10mm。在转轮体整体严重磨蚀的同时,局部磨蚀也非常严重。转轮体汽蚀的主要部位基本出现在与每一片叶片转动最小间隙段,上缘金属呈蜂窝状,中下部呈深沟槽和深鱼鳞坑,为典型的缝隙汽蚀特征。由于叶片属于转动部件,为保证水轮机效率,其与转轮体之间的间隙设计比较小,在大部分运行工况下,叶片正面为正压区,背面处于负压区,间隙处还存在射流作用,流速快,流态不规则,使得在这一运行区域的转轮体局部汽蚀严重,几乎每年都必须对这些部位进行补焊,目前测量最深坑的记录为15mm,其对转轮体的安全影响相当大。(2)转轮叶片磨蚀严重。转轮叶片磨蚀主要出现在叶片进水边、出水边、外边缘端面和叶片背面位置。机组大修时看到,叶片进水边磨蚀并不严重,整个出水边缘都可见缺口、孔洞和齿状特征。由于该部位为水流突然改变流向的边界,水流流速加快,压力减小,符合汽蚀形成条件,从而造成严重汽蚀的磨蚀。叶片外边缘端面磨蚀主要表现为深沟槽,转角处成汽蚀坑,测量与转轮体的间隙超过设计间隙4.5～10mm,间隙汽蚀特征明显,从相对应的转轮室不锈钢表面同样可见严重的汽蚀特征。叶片背面位置磨蚀分布无明显规律,主要呈现深沟槽和鱼鳞坑,但在叶片吊孔堵板周围,所有叶片都出现深鱼鳞坑,从测量结果看,堵板与周围叶片型线不完全一致,叶片背面的磨蚀主要是在型线不好的部位发生。进水边头部空蚀磨蚀破坏相当严重,测量记录的沟槽长度大的有90mm,宽度为34mm,最深的达24mm。近两年机组运行小时数变化不大,主要是因为水库泥沙推进坝前,过机泥沙含量增加,加之泥沙颗粒硬度大,加剧了叶片磨蚀;同时,由于叶片外边缘端面的补焊和打磨受到转轮室间隙的限制,在机组不进行扩修的情况下不能彻底进行处理,表面粗糙也加剧了磨蚀的产生,从而使叶片磨蚀越来越严重。2炭弧气重削加工的注意事项针对目前水轮机汽蚀和母材材质的特点,主要采用不锈钢抗汽蚀焊条堆焊打磨和局部进行抗磨涂层的方法进行磨蚀处理。从磨蚀处理的实践看,工艺方法对修复质量相当重要,介绍如下:(1)磨蚀量的测量。大修前,首先对转轮磨蚀的情况进行检查,测量磨蚀面积、深度和金属失重量。磨蚀面积用涂色翻印法测量。磨蚀深度用探针或大头针插入破坏区,再用钢板尺测量。为了精确求取金属的失重量,可用粘泥按叶片的曲面形状抹在磨蚀区上,然后取下称重,按其比重换算出金属的失重量。(2)汽蚀区域炭弧气刨切削。由于转轮体汽蚀部位离叶片密封相当近,对于汽蚀部位的清理,必须控制温度,特别是对成海绵状的部位进行切削时,要有相当的深度才能打磨出原金属本色,保证焊接质量,所以,在金属表面汽蚀部位清除中,一般采用炭弧气刨切削,并且采用转轮体内部带油进行,以起到冷却效果。炭弧气刨切削必须采用正确的工艺方法才能提高效率,确保质量。具体要求是:①极性:在炭弧气刨切削时,采用直流反接法,即炭弧气刨枪接电焊机正极,转轮接电焊机负极。如果采用正极性电弧,在切削过程中不稳定,容易使切削过程变坏。②弧长:在炭弧气刨切削时,应控制好弧长,弧长对整个切削过程影响很大,在切削时,弧过长,会增大电极与工件间的电阻,使弧不稳定,同时降低电弧对工件的加热效果,降低切削效率,使切口变宽,不平整。另外,切削时,压缩空气是冲着燃烧区的,电弧过长会被吹偏或隔断。③压缩空气的压力与流量:压缩空气向切口吹送的压力和流量决定着切割的效率和光洁度,压缩空气的压力一般应在4～6kg/cm2。空气流量过小,吹向燃烧区的速度变慢,会降低切削效率,同时使切口不光洁;反之,空气流量过大,会使切削不稳定。④电极的尺寸和电流强度:切割时采用的电流比焊接时要高,电流强度与选用的电极断面有直接关系,选用较大的电流可以提高切割效率。电站选用直径为8～12mm,长300mm的圆形电极。其电流强度均为400～600A。另外,电极的角度、摆动和伸出度的控制都会影响质量和效率,要根据表面切割的特点,针对不同深度进行调整,分块进行切割,以控制温度。(3)汽蚀区域的堆焊。由于转轮汽蚀补焊只能在转轮室内进行,环境条件差,面积大,各部位要根据自己的特点进行堆焊。①对转轮体汽蚀部位的补焊,以控制焊接温度为主。采用分块跳焊的方法,一般以200mm×150mm左右为一块较好。块数多,接头多,影响焊接质量,块太大不易控制温度;在每一块焊接中采用多层焊波交错压焊及每次少量焊的方法以保证质量和控制温度;在焊接中尽量采用小电流短弧焊。②对叶片部位的补焊,主要是控制好叶片出水边的补焊,既要防止叶片太薄在焊接中发生变形,又要保证焊接质量,一般应采用小电流短弧堆焊。电流过大,金属熔化得深,一方面会扩大散热区,易发生变形;另一方面,母材中的炭可能渗入焊缝,形成炭化铬,使堆焊层中含铬量降低,影响抗汽蚀性能。对于大的边缘缺口,一般采用镶焊不锈钢的方法,先将缺口切割成近似圆形,边缘割成V型坡口,用不锈钢板镶焊,最后在表面和焊缝上堆焊一层抗汽蚀电焊条。焊后转轮要作消除焊接应力处理。3运行管理和检修水轮机磨蚀在水电站普遍存在,大型电站埋设部件(压力钢管、金属蜗壳、座环等)整体磨蚀破坏情况也相当严重,由于这些部件受到环境、工作面和施工条件的影响,不易修复,防护困难,又不可能进行