关于电站水轮机叶片磨损机理及热喷涂修复分析

关于电站水轮机叶片磨损机理及热喷涂修复分析

1,水轮机过流部件损坏
以上四种型号水轮机,设计制造年代较早,技术参数水平较低,而且水轮机实际安装高程高于设计值,空蚀系数低,防空蚀能力差;更兼某水电站处于黄河多泥沙的河段,多年平均输沙量2.2亿t,最大年输沙量5.29亿t,多年平均含沙量9.83Kg/m3,最大含沙量431.35kg/m3,泥沙中含有大量的石英砂,长石,平均粒径0.015～0.02mm.高含沙量与空蚀的联合作用造成水轮机过流部件磨蚀严重,机组效率急剧下降.
    2,进入九十年代后,机组水下过流部件磨蚀严重,尤其是转轮叶片,一方面,检修周期逐渐缩短,工期延长,工作量及检修费用急聚增大,截止1990年底,仅用于补焊转轮叶片腐蚀区的不锈钢板累计24吨,不锈钢电焊条34吨,普通焊条13吨,砂轮片上万余片;另一方面,严重的腐蚀和大量的补焊修复,叶片实际线形偏离原设计流线型,使水流流态更加恶化,水轮机效率严重损失,形成恶性循环,已严重影响了水电厂的安全经济运行.
    3,水轮机过流部件表面喷涂层防护
多年来,某水电厂在水轮机抗磨蚀上投入大量的资金,做了大量的探索和实践工作.在6#机组扩修期间,将自行修复的转轮叶片，根据黄河流域水情特点,开发的水轮机过流部件表面抗磨蚀新材料SXH-70,采用超音速火焰喷涂技术对转轮叶片进行了全方位表面涂层防护,喷涂总面积45M2.SXH-70涂层材料是由陶瓷,金属合金等混合组成,兼具良好的刚性和韧性.实验室模拟试验表明,在基材为0Cr13Ni4Mo部件上,喷涂厚度0.25-0.3mm,结合强度≥70Mpa,抗气蚀能力是0Cr13Ni4Mo的1.55倍,抗泥砂磨损能力91.5倍.该技术采用前,在黄河多泥砂流域几家电站进行了两年多的挂片试验,经验证,抗磨蚀效果比较理想.
现就某水电厂6#机转轮叶片喷涂前后磨蚀状况对比如下:
    (1),喷涂前转轮叶片磨蚀情况
6#机转轮1996年更新,叶片材质为0Crl3Ni4Mo,经过18164小时的运行,1999年12月检查,叶片呈现整体减薄趋势,叶片背面从进水边至出水边距外缘500mm区域严重磨蚀;叶片外缘,进出水角局部出现穿孔,叶片与转轮室间隙增大15~30mm,空蚀面积达9.56M2,总失重423.7Kg,最大汽蚀深度40mm,平均深度5～7mm.
    (2),喷涂后转轮叶片磨蚀情况
经过15284小时运行,2003年6月18日对转轮叶片喷涂层进行检查.叶片正面涂层完好,涂层厚度无明显减薄;叶片外缘基本完好,叶片与转轮室间隙无扩大;叶片背面强汽蚀区局部涂层空蚀脱落,总面积0.408M2,总失重l0.7kg,母材平均空蚀磨损2～4.4mm.
    表:某水电厂6#机转轮叶片喷涂前后磨蚀情况记录
检查日期 涂层防护 运行小时 叶片编号 空蚀面积(cm2) 平均深度(mm) 损失重量(kg) 最大空蚀深度(mm)
    从6#机转轮叶片喷涂前后实际前后运行结果来看,某水电厂轴流式水轮机表面用超音速火焰喷涂,采用SXH-70抗磨蚀涂层防护取得明显效果,从根本上解除了泥砂磨损破坏,缓解了空蚀的危害,延长了水轮机的使用寿命和机组检修周期.
    4,经济效益分析
    就某水电厂而言,应用SXH-70抗磨蚀材料进行水轮机喷涂防护可为水电厂带来如下效益;
    (1) 经过喷涂的水轮机过流部件可保持在高效率运行,根据运行历史记录,某水电厂机组初期运行5年,效率降低16%,即平均每年降低3.2%.以此为依据,统计机组多年平均运行时间约为3500小时,上网电价为0.126元/kw.h,则:
    单台机年电量损失:36000×3.2%×3500×0.126元/kw.h≈50.8万元
    在一个检修周期(5年)内,由于效率降低而使电厂损失经济效益254万元.
    (2)按5年检修周期统计,仅转轮叶片检修发生费用104万元,因检修带来的其他附加费用150万元.
    (3)以一年半年大修一次,5年扩修一次,共停机180天,则在一个检修周期内检修停机少发电量6213.6万kw.h,使电厂直接经济损失达782.9万元.
    然而,某水电厂6#水轮机转轮,采用抗磨蚀涂层防护经过15284小时运行,仅小修1次(15天),检修费发生4.8万元,检修停机少发电经济损失68万元.
    综合以上分析计算,采用热喷涂技术对叶片表面进行抗磨蚀防护,在一个检修周期内减去一套转轮叶片喷涂所需费用110万元,可为电厂带来经济效益1158.9万元,投资效益比达1:6.33.
    目前,我国水轮机过流部件通常采用0Crl3Ni4Mn材质,替代了ZG20MnSi材质,以提高部件的抗磨蚀能力.随着金属表面喷涂防护技术的发展和逐步成熟,喷涂层已具有良好的抗磨蚀能力.试想,过流部件仍采用ZG20MnSi材质,既可提高部件表面喷涂涂层质量,又可降低制造成本,为企业节约大量资金.
    5,结论
    (1)采用超音速火焰喷涂技术备制SXH-70涂层,在承受水流水力作用下,具有高结合强度,能够较好的抵抗磨蚀,该技术在轴流式水轮机过流部件表面磨蚀防护是行之有效的.
    (2)采用此技术可以给水电厂带来巨大的经济效益.
    (3)发展金属表面喷涂处理技术,克服水轮机过流部件严重的磨蚀破坏,从而使过流部件用一般材质替代特殊材质,为企业节省大量的设备投入资金.