關于電站水輪機葉片磨損機理及熱噴涂修復分析

1,水輪機過流部件損壞
以上四種型號水輪機,設計制造年代較早,技術參數水平較低,而且水輪機實際安裝高程設計值,空蝕系數低,防空蝕能力差;更兼某水電站處于黃河多泥沙的河段,多年平均輸沙量2.2億t,大年輸沙量5.29億t,多年平均含沙量9.83Kg/m3,大含沙量431.35kg/m3,泥沙中含有大量的石英砂,長石,平均粒徑0.015～0.02mm.高含沙量與空蝕的聯合作用造成水輪機過流部件磨蝕嚴重,機組效率急劇下降.
2,進入九十年代后,機組水下過流部件磨蝕嚴重,尤其是轉輪葉片,一方面,檢修周期逐漸縮短,工期延長,工作量及檢修費用急聚增大,截止1990年底,僅用于補焊轉輪葉片腐蝕區的不銹鋼板累計24噸,不銹鋼電焊條34噸,普通焊條13噸,砂輪片上萬余片;另一方面,嚴重的腐蝕和大量的補焊修復,葉片實際線形偏離原設計流線型,使水流流態更加惡化,水輪機效率嚴重損失,形成惡性循環,已嚴重影響了水電廠的安全經濟運行.
3,水輪機過流部件表面噴涂層防護
多年來,某水電廠在水輪機抗磨蝕上投入大量的資金,做了大量的探索和實踐工作.在6#機組擴修期間,將自行修復的轉輪葉片，根據黃河流域水情特點,開發的水輪機過流部件表面抗磨蝕新材料SXH-70,采用超音速火焰噴涂技術對轉輪葉片進行了表面涂層防護,噴涂總面積45M2.SXH-70涂層材料是由陶瓷,金屬合金等混合組成,兼具良好的剛性和韌性.實驗室模擬試驗表明,在基材為0Cr13Ni4Mo部件上,噴涂厚度0.25-0.3mm,結合強度≥70Mpa,抗氣蝕能力是0Cr13Ni4Mo的1.55倍,抗泥砂磨損能力91.5倍.該技術采用前,在黃河多泥砂流域幾家電站進行了兩年多的掛片試驗,經驗證,抗磨蝕效果比較理想.
現就某水電廠6#機轉輪葉片噴涂前后磨蝕狀況對比如下:
(1),噴涂前轉輪葉片磨蝕情況
6#機轉輪1996年更新,葉片材質為0Crl3Ni4Mo,經過18164小時的運行,1999年12月檢查,葉片呈現整體減薄趨勢,葉片背面從進水邊至出水邊距外緣500mm區域嚴重磨蝕;葉片外緣,進出水角局部出現穿孔,葉片與轉輪室間隙增大15~30mm,空蝕面積達9.56M2,總失重423.7Kg,大汽蝕深度40mm,平均深度5～7mm.
(2),噴涂后轉輪葉片磨蝕情況
經過15284小時運行,2003年6月18日對轉輪葉片噴涂層進行檢查.葉片正面涂層完好,涂層厚度無明顯減薄;葉片外緣基本完好,葉片與轉輪室間隙無擴大;葉片背面強汽蝕區局部涂層空蝕脫落,總面積0.408M2,總失重l0.7kg,母材平均空蝕磨損2～4.4mm.
表:某水電廠6#機轉輪葉片噴涂前后磨蝕情況記錄
檢查日期 涂層防護 運行小時 葉片編號 空蝕面積(cm2) 平均深度(mm) 損失重量(kg) 大空蝕深度(mm)
從6#機轉輪葉片噴涂前后實際前后運行結果來看,某水電廠軸流式水輪機表面用超音速火焰噴涂,采用SXH-70抗磨蝕涂層防護取得明顯效果,從根本上解除了泥砂磨損破壞,緩解了空蝕的危害,延長了水輪機的使用壽命和機組檢修周期.
4,經濟效益分析
就某水電廠而言,應用SXH-70抗磨蝕材料進行水輪機噴涂防護可為水電廠帶來如下效益;
(1) 經過噴涂的水輪機過流部件可保持在率運行,根據運行歷史記錄,某水電廠機組初期運行5年,效率降低16%,即平均每年降低3.2%.以此為依據,統計機組多年平均運行時間約為3500小時,上網電價為0.126元/kw.h,則:
單臺機年電量損失:36000×3.2%×3500×0.126元/kw.h≈50.8萬元
在一個檢修周期(5年)內,由于效率降低而使電廠損失經濟效益254萬元.
(2)按5年檢修周期統計,僅轉輪葉片檢修發生費用104萬元,因檢修帶來的其他附加費用150萬元.
(3)以一年半年大修一次,5年擴修一次,共停機180天,則在一個檢修周期內檢修停機少發電量6213.6萬kw.h,使電廠直接經濟損失達782.9萬元.
然而,某水電廠6#水輪機轉輪,采用抗磨蝕涂層防護經過15284小時運行,僅小修1次(15天),檢修費發生4.8萬元,檢修停機少發電經濟損失68萬元.
綜合以上分析計算,采用熱噴涂技術對葉片表面進行抗磨蝕防護,在一個檢修周期內減去一套轉輪葉片噴涂所需費用110萬元,可為電廠帶來經濟效益1158.9萬元,投資效益比達1:6.33.
目前,我國水輪機過流部件通常采用0Crl3Ni4Mn材質,替代了ZG20MnSi材質,以提高部件的抗磨蝕能力.隨著金屬表面噴涂防護技術的發展和逐步成熟,噴涂層已具有良好的抗磨蝕能力.試想,過流部件仍采用ZG20MnSi材質,既可提高部件表面噴涂涂層質量,又可降低制造成本,為企業節約大量資金.
5,結論
(1)采用超音速火焰噴涂技術備制SXH-70涂層,在承受水流水力作用下,具有高結合強度,能夠較好的抵抗磨蝕,該技術在軸流式水輪機過流部件表面磨蝕防護是行之有效的.
(2)采用此技術可以給水電廠帶來的經濟效益.
(3)發展金屬表面噴涂處理技術,克服水輪機過流部件嚴重的磨蝕破壞,從而使過流部件用一般材質替代特殊材質,為企業節省大量的設備投入資金.
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