銅街子水電站水輪機(jī)磨蝕的分析與處理

銅街子水電站水輪機(jī)磨蝕的分析與處理

銅鋪?zhàn)铀畮煳挥谒拇ㄊ飞绞?。是河?xùn)|地區(qū)下游的最后一個(gè)水庫。裝機(jī)容量60萬kW,保證出力13萬kW,多年平均年發(fā)電量32.1億kW·h。電站采用半傘形機(jī)組。水輪機(jī)型號:ZZ440-LH-850,額定出力154MW,額定水頭31m,額定轉(zhuǎn)速88.2r/min。工程于1985年開工,1992年12月第1臺機(jī)組發(fā)電。銅街子水電站運(yùn)行多年以來,水輪機(jī)磨蝕比較嚴(yán)重,筆者就水輪機(jī)磨蝕產(chǎn)生的情況進(jìn)行了分析,介紹了處理磨蝕的方法。1轉(zhuǎn)輪體汽蝕特點(diǎn)銅街子水電站水輪機(jī)磨蝕主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)轉(zhuǎn)輪體整體磨蝕與局部嚴(yán)重磨蝕。轉(zhuǎn)輪體是轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的重要部件,內(nèi)部有整套油壓操作系統(tǒng),銅街子水電站轉(zhuǎn)輪體材質(zhì)為A3鋼,由厚度為80mm的鋼板卷制而成,表面積達(dá)150m2,轉(zhuǎn)輪體與連接體、泄水錐連接部位有三道護(hù)板過渡形成整體導(dǎo)流面。在近幾年的檢修中發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體磨蝕不斷加重,呈現(xiàn)大面積整體磨蝕特征。①轉(zhuǎn)輪體表面變得粗糙,整體表面出現(xiàn)魚鱗狀特征。②汽蝕部位用不銹鋼焊條補(bǔ)焊后與本體基本打磨平整,經(jīng)運(yùn)行后,不銹鋼補(bǔ)焊部位與本體出現(xiàn)3～6mm的臺階;同時(shí),葉片不銹鋼壓環(huán)與本體也出現(xiàn)了4mm左右的臺階。③轉(zhuǎn)輪體與連接體護(hù)板由16mm厚的A3鋼板卷制而成,檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)護(hù)板出現(xiàn)孔洞。經(jīng)拆除護(hù)板檢查得知最厚部位為12mm,孔洞周圍多為5mm,大部分護(hù)板厚度小于10mm。在轉(zhuǎn)輪體整體嚴(yán)重磨蝕的同時(shí),局部磨蝕也非常嚴(yán)重。轉(zhuǎn)輪體汽蝕的主要部位基本出現(xiàn)在與每一片葉片轉(zhuǎn)動(dòng)最小間隙段,上緣金屬呈蜂窩狀,中下部呈深溝槽和深魚鱗坑,為典型的縫隙汽蝕特征。由于葉片屬于轉(zhuǎn)動(dòng)部件,為保證水輪機(jī)效率,其與轉(zhuǎn)輪體之間的間隙設(shè)計(jì)比較小,在大部分運(yùn)行工況下,葉片正面為正壓區(qū),背面處于負(fù)壓區(qū),間隙處還存在射流作用,流速快,流態(tài)不規(guī)則,使得在這一運(yùn)行區(qū)域的轉(zhuǎn)輪體局部汽蝕嚴(yán)重,幾乎每年都必須對這些部位進(jìn)行補(bǔ)焊,目前測量最深坑的記錄為15mm,其對轉(zhuǎn)輪體的安全影響相當(dāng)大。(2)轉(zhuǎn)輪葉片磨蝕嚴(yán)重。轉(zhuǎn)輪葉片磨蝕主要出現(xiàn)在葉片進(jìn)水邊、出水邊、外邊緣端面和葉片背面位置。機(jī)組大修時(shí)看到,葉片進(jìn)水邊磨蝕并不嚴(yán)重,整個(gè)出水邊緣都可見缺口、孔洞和齒狀特征。由于該部位為水流突然改變流向的邊界,水流流速加快,壓力減小,符合汽蝕形成條件,從而造成嚴(yán)重汽蝕的磨蝕。葉片外邊緣端面磨蝕主要表現(xiàn)為深溝槽,轉(zhuǎn)角處成汽蝕坑,測量與轉(zhuǎn)輪體的間隙超過設(shè)計(jì)間隙4.5～10mm,間隙汽蝕特征明顯,從相對應(yīng)的轉(zhuǎn)輪室不銹鋼表面同樣可見嚴(yán)重的汽蝕特征。葉片背面位置磨蝕分布無明顯規(guī)律,主要呈現(xiàn)深溝槽和魚鱗坑,但在葉片吊孔堵板周圍,所有葉片都出現(xiàn)深魚鱗坑,從測量結(jié)果看,堵板與周圍葉片型線不完全一致,葉片背面的磨蝕主要是在型線不好的部位發(fā)生。進(jìn)水邊頭部空蝕磨蝕破壞相當(dāng)嚴(yán)重,測量記錄的溝槽長度大的有90mm,寬度為34mm,最深的達(dá)24mm。近兩年機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)變化不大,主要是因?yàn)樗畮炷嗌惩七M(jìn)壩前,過機(jī)泥沙含量增加,加之泥沙顆粒硬度大,加劇了葉片磨蝕;同時(shí),由于葉片外邊緣端面的補(bǔ)焊和打磨受到轉(zhuǎn)輪室間隙的限制,在機(jī)組不進(jìn)行擴(kuò)修的情況下不能徹底進(jìn)行處理,表面粗糙也加劇了磨蝕的產(chǎn)生,從而使葉片磨蝕越來越嚴(yán)重。2炭弧氣重削加工的注意事項(xiàng)針對目前水輪機(jī)汽蝕和母材材質(zhì)的特點(diǎn),主要采用不銹鋼抗汽蝕焊條堆焊打磨和局部進(jìn)行抗磨涂層的方法進(jìn)行磨蝕處理。從磨蝕處理的實(shí)踐看,工藝方法對修復(fù)質(zhì)量相當(dāng)重要,介紹如下:(1)磨蝕量的測量。大修前,首先對轉(zhuǎn)輪磨蝕的情況進(jìn)行檢查,測量磨蝕面積、深度和金屬失重量。磨蝕面積用涂色翻印法測量。磨蝕深度用探針或大頭針插入破壞區(qū),再用鋼板尺測量。為了精確求取金屬的失重量,可用粘泥按葉片的曲面形狀抹在磨蝕區(qū)上,然后取下稱重,按其比重?fù)Q算出金屬的失重量。(2)汽蝕區(qū)域炭弧氣刨切削。由于轉(zhuǎn)輪體汽蝕部位離葉片密封相當(dāng)近,對于汽蝕部位的清理,必須控制溫度,特別是對成海綿狀的部位進(jìn)行切削時(shí),要有相當(dāng)?shù)纳疃炔拍艽蚰コ鲈饘俦旧?保證焊接質(zhì)量,所以,在金屬表面汽蝕部位清除中,一般采用炭弧氣刨切削,并且采用轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部帶油進(jìn)行,以起到冷卻效果。炭弧氣刨切削必須采用正確的工藝方法才能提高效率,確保質(zhì)量。具體要求是:①極性:在炭弧氣刨切削時(shí),采用直流反接法,即炭弧氣刨槍接電焊機(jī)正極,轉(zhuǎn)輪接電焊機(jī)負(fù)極。如果采用正極性電弧,在切削過程中不穩(wěn)定,容易使切削過程變壞。②弧長:在炭弧氣刨切削時(shí),應(yīng)控制好弧長,弧長對整個(gè)切削過程影響很大,在切削時(shí),弧過長,會增大電極與工件間的電阻,使弧不穩(wěn)定,同時(shí)降低電弧對工件的加熱效果,降低切削效率,使切口變寬,不平整。另外,切削時(shí),壓縮空氣是沖著燃燒區(qū)的,電弧過長會被吹偏或隔斷。③壓縮空氣的壓力與流量:壓縮空氣向切口吹送的壓力和流量決定著切割的效率和光潔度,壓縮空氣的壓力一般應(yīng)在4～6kg/cm2?？諝饬髁窟^小,吹向燃燒區(qū)的速度變慢,會降低切削效率,同時(shí)使切口不光潔;反之,空氣流量過大,會使切削不穩(wěn)定。④電極的尺寸和電流強(qiáng)度:切割時(shí)采用的電流比焊接時(shí)要高,電流強(qiáng)度與選用的電極斷面有直接關(guān)系,選用較大的電流可以提高切割效率。電站選用直徑為8～12mm,長300mm的圓形電極。其電流強(qiáng)度均為400～600A。另外,電極的角度、擺動(dòng)和伸出度的控制都會影響質(zhì)量和效率,要根據(jù)表面切割的特點(diǎn),針對不同深度進(jìn)行調(diào)整,分塊進(jìn)行切割,以控制溫度。(3)汽蝕區(qū)域的堆焊。由于轉(zhuǎn)輪汽蝕補(bǔ)焊只能在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進(jìn)行,環(huán)境條件差,面積大,各部位要根據(jù)自己的特點(diǎn)進(jìn)行堆焊。①對轉(zhuǎn)輪體汽蝕部位的補(bǔ)焊,以控制焊接溫度為主。采用分塊跳焊的方法,一般以200mm×150mm左右為一塊較好。塊數(shù)多,接頭多,影響焊接質(zhì)量,塊太大不易控制溫度;在每一塊焊接中采用多層焊波交錯(cuò)壓焊及每次少量焊的方法以保證質(zhì)量和控制溫度;在焊接中盡量采用小電流短弧焊。②對葉片部位的補(bǔ)焊,主要是控制好葉片出水邊的補(bǔ)焊,既要防止葉片太薄在焊接中發(fā)生變形,又要保證焊接質(zhì)量,一般應(yīng)采用小電流短弧堆焊。電流過大,金屬熔化得深,一方面會擴(kuò)大散熱區(qū),易發(fā)生變形;另一方面,母材中的炭可能滲入焊縫,形成炭化鉻,使堆焊層中含鉻量降低,影響抗汽蝕性能。對于大的邊緣缺口,一般采用鑲焊不銹鋼的方法,先將缺口切割成近似圓形,邊緣割成V型坡口,用不銹鋼板鑲焊,最后在表面和焊縫上堆焊一層抗汽蝕電焊條。焊后轉(zhuǎn)輪要作消除焊接應(yīng)力處理。3運(yùn)行管理和檢修水輪機(jī)磨蝕在水電站普遍存在,大型電站埋設(shè)部件(壓力鋼管、金屬蝸殼、座環(huán)等)整體磨蝕破壞情況也相當(dāng)嚴(yán)重,由于這些部件受到環(huán)境、工作面和施工條件的影響,不易修復(fù),防護(hù)困難,又不可能進(jìn)行