混流式水轮机转轮磨蚀处理与防护探讨

冉朝坤

（四川华电西溪河水电开发有限公司，四川 西昌 615000）

0 引言

水轮机转轮是水轮发电机机组的重要组成部分，水轮机转轮是整个水轮发电机组的重要组成构件。在实际工作过程中，水流中的泥沙磨损和空蚀现象是造成转轮损坏的主要原因。转轮被磨蚀破坏后直接导致水轮机通流部件发生损坏，从而导致水轮机转轮的工作效率降低，同时使得水轮机的电能损失增大，还会使水轮机机组产生振动与噪声，这大大缩短了水轮机机组的使用寿命，同时也缩短了检修周期，以至于消耗大量的人力和金钱，造成一定的经济损失。

1 混流式水轮机磨蚀部位

1.1 叶片的磨蚀

通常情况下，混流式水轮机的叶片被磨蚀的部位主要在叶片的正面和背面，并且叶片的进口边背面靠下环转弯、正面出水边靠下环这两处受到的磨蚀最为严重。通过相关维修数据可以得知，水轮机叶片在叶片背面靠下环转弯处发生严重的磨蚀现象，且产生了巨大的凹坑。同时，该水轮机的叶片背面也出现了不同程度的磨蚀现象，其主要表现为从上而下，磨蚀程度由轻逐渐加重。不仅如此，磨蚀程度最严重的部位连叶片上的抗磨层都被磨蚀掉，从而产生了水流流过泥沙摩擦叶片而产生的沟槽，更严重的甚至出现了出水边被磨蚀成锯齿状的缺口的现象。

1.2 下环的磨蚀

混流式机组下环内的外部表面位置是最容易被磨蚀的地方，河流的水头越高这个部位就被磨蚀得越严重。例如，刘家峡水电站所更换下来旧转轮的下环内侧表面位置就出现了因为磨蚀而产生的麻面，而上面部分则受到水流中的泥沙磨蚀而形成了顺水流方向的大沟槽。而更换上去的新转轮的下环，虽然使用了抗磨损度高的不锈钢材料，但磨蚀现象依然存在。

1.3 导叶的磨蚀

混流式机组由于其被应用在水头较高的位置，从而导致导水叶区的水流流速较快且水流大，因此容易发生空蚀现象。在多泥沙河流的水轮机导叶上也经常发生磨蚀。通常情况下，水轮机机组的水头越高，水流中的含沙量就越大，同时水轮机的导叶被磨蚀得越严重，被严重磨蚀的导叶立面密封及端面则会产生导水叶关闭时漏水量增大，从而导致机组无法停止工作。

2 水轮机磨蚀原因分析

2.1 过机沙量大是磨蚀的主要原因

含沙河流对水轮机所造成的破坏通常是由于水流的空蚀和通过水轮机的泥沙的磨损所造成的，而水流中的泥沙又给空蚀制造条件，同时泥沙磨损所留下的粗糙表面又促进了空蚀的产生。例如，刘家峡水电站，在洪水汛期发生前水轮机基本是在清澈的水流中运行，因此其水轮机的损坏主要以空蚀为主。但是到了每年的洪水汛期时，大量的过机泥沙是洪水发生前几个月过机沙总量的好几倍。因此，这个时间段的水轮机的破坏原因便变为以泥沙的磨蚀为主，并出现了空蚀和磨蚀两种破坏同时发生的情况。当水流中的大量泥沙经过过流表面，使其出现大量的鱼鳞般的磨损痕迹后，经过水轮机的水流条件就会产生恶化，出现脱流或旋涡，由此促使水轮机发生空蚀，而空蚀现象的出现又破坏了水轮机内的材料晶体组织使其变得疏松，从而加快了水轮机的磨损速度[2]。

2.2 叶片工艺是磨蚀的重要原因

据观察与试验我们发现水轮机叶片质量的好坏将直接影响水轮机的叶片的抗空蚀能力的强弱。根据空蚀破坏的原理，水轮机发生旋涡空蚀主要是由于转轮叶片表面粗糙不够平整，从而引发水轮机叶片的局部脱流现象而造成的。因此在相同的维护周期内，叶片表面越光滑，叶片被空蚀的程度越轻。例如，盐锅峡水轮机是我国早期所生产的产品，因此其质量并不是很好，叶片靠纯手工打磨，因此水轮机的叶片表面比较粗糙而且有鼓包，这些原因直接导致转轮内部的水流流态不良，容易产生局部水流速度过高或脱流现象，从而促使水轮机的空蚀和磨损现象的产生。后期该水电站对质量不佳的叶片进行更换后磨蚀现象明显减轻。

2.3 磨蚀区处理质量是磨蚀的关键原因

目前大部分的水电站对磨蚀区的处理依然采用电弧气刨后堆焊抗磨不锈钢层后打磨成型。使用该种方法，对电弧气刨不彻底时就会存在堆焊质量差，从而导致叶面焊接处夹杂着焊接残渣、焊接留下的气孔、焊道打磨不平等，导致叶片表面不平，无法形成流线型，导致水流的流场紊乱，最终反而加重了水轮机叶片的磨蚀程度。因此必须采用专业的仪器对被磨蚀的叶片进行修复，这样不仅可以保证水轮机的使用效率，而且同时还可减轻磨损。

3 水轮机磨蚀破坏处理

3.1 磨蚀破坏测量

当水轮机部件受到磨蚀被损坏时，工作人员要及时对其进行维修，在进行实际维修前工作人员要先对水轮机的受损程度进行检查。目前主要的检查方法是通过对损坏的部分进行涂色翻印后，再对受腐蚀的部件进行受损面积的测量，同时通过使用探针和钢板尺对部件受磨损的深度进行测量。

3.2 侵蚀区处理

对于侵蚀区进行修补处理前，首先要对被磨蚀的部位进行修补前处理，在确认好被腐蚀的部位之后，维修人员要先对被磨损侵蚀的位置进行打磨和铲除，进行该步骤操作室维修人员必须要集中注意力，原因是对腐蚀部分进行铲除时，被铲除部位的深浅会直接影响后续维修步骤的进行。若是铲除得太深则会增加维修成本，若是铲除得太浅则会影响后续焊补的质量，容易让焊补的地方产生脱落。

3.3 打磨后要求

在对维修部位进行焊接后，通常会使用软砂轮来对焊接的部位进行光滑打磨，在对焊接部位进行打磨时要求打磨后的叶片必须与原来的一致，并且要求打磨后的叶片厚度必须小于等于0.5毫米，长度不可超过50毫米。

3.4 叶片开口度整形处理和测量

磨损焊接完成后必须对其进行测量，叶片的开口度必须与叶片制造厂提供的数据相一致。因此必须由专业的相关人员进行测量和记录，通常需要对其反复测量两次，避免在测量中出现错误。若在测量之后，相关数据显示叶片的流面线型发生了变化，通常维修人员会使用气焊对叶片背面进行加热烘红之后在正面放上样板，而后再用千斤顶压几次，直到所使用样板的检测合格为止。

4 混流式水轮机磨蚀防护措施

4.1 高速氧燃喷漆碳化钨

高速氧燃喷漆技术是通过超音速火焰喷涂枪将丙烷、丙烯或氢和氧气以0.3毫帕以上的压力，将其推送入超音速火焰喷涂枪进行燃烧，通过燃烧加热将上述物质充分混合后形成1500米/秒以上的高压气流，并在喷涂枪喷嘴处与喷涂材料的粉末进行混合，使喷涂粉末熔化后加速到500米/秒左右，形成高速喷射流，而后在超音速火焰喷涂枪喷嘴出口处加速至2倍的音速的喷涂火焰把粉末喷涂到叶片基材上，形成高密度耐磨蚀的防护涂层。该防护方法所使用的喷涂材料可是抗磨金属粉末或者碳化物金属陶瓷，而碳化钨粉末在水轮机抗泥沙磨蚀上具有非常高的优越性[3]。

4.2 优化转轮设计

根据水轮机磨蚀的机理我们可以了解到，通过对转轮流道的设计进行优化可以有效避免当水流流过水轮机叶片时造成叶片的局部流速过高产生脱流状况，从而加重水轮机的磨蚀情况。例如，盐锅峡水电站投入的第1台水轮机在2004年改造过程中就将转轮更换为高耐磨的不锈钢转轮，同时将转轮的叶片由原本的14片增加至后来的15片，改造后通过水轮机的水流流量也由原先的138 mS／s增加到149.8 mS/s，水轮机的效率也由原来的87.6%提升至92.7%。在提升的基础上，对水轮机的导水叶、顶盖等设计结构进行进一步地优化，在水轮机的材料选择上，应选用质量较好且结构密度高、硬度高且韧性强、抗拉力强以及抗疲劳性好便于加工和焊接的材料[4]。

4.3 减少过机泥沙

由于河床中泥沙的淤积，从而导致水库的有效库容逐渐减少，并且随着时间的推移会形成坝前沙坎，这对水电站的安全运行造成了严重的影响，因此减少河水中的过机泥沙也是防止水轮机叶片被磨蚀的有效措施之一，例如刘家峡水电站，水电站从1974年便开始对洮河内的流排沙的特性、泥沙的流入时间和泥沙的流入条件、坝前浑水面高程的变化以及泄水建筑物排沙情况进行跟踪观测和分析，发现当洮河红旗水文站的河水中含沙量达到20 kg/m3时，就可能产生重力流，因此只要掌握了重力流到达水坝前的时间，同时在重力流到达前及时开启建筑物的闸门，就能实现大量排沙。根据该水电站1976年汛期的实测资料，洮河入库总流量1800多万吨，水电站一共排出泥沙1500多吨，占入库沙量总量的83.33%，通过有效的排沙方式，此次汛期所产生的泥沙并未对水轮机产生较为严重的磨蚀，由此可见，排沙不但可以保证水电站的正常运行，而且水轮机机组的磨蚀情况也明显地减少[5]。

5 结语

综上所述，本文详细分析了水轮机转轮磨蚀产生的原因和处理、防护方式。水轮机的抗磨蚀措施需要从防护涂层、优化设备运行、设备材质选用、改造检修工具等环节入手，并且在任何一个环节的操作过程中，作业人员都必须严格要求，同时也要对相关维修作业人员进行定期培训，让他们在培训中提高自身的技艺，同时还可以进行经验交流，从而对水轮机的磨蚀情况进行更有效的维修和控制，只有这样水轮机的转轮磨蚀问题才能有效解决。