黃河萬家寨水電站抗磨涂層選擇

黃河萬家寨水電站抗磨涂層選擇

黃河萬家寨水庫旁路建有一臺6臺立軸混凝土混流式水輪發(fā)電站，年處理能力為180w。年利用時間為2456h，年占地面積27.5億kwh。一、抗研磨機涂層的方法1.天阿公司的抗研磨涂層設(shè)計制造水輪機轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉過流表面全部采用有韌性的聚氨酯為基底、加入鈦鎳高硬微粒所組成的非金屬材料的耐而久涂層(俗稱軟涂層)。2.西科公司的收割機設(shè)計制造水輪機轉(zhuǎn)輪、活動導(dǎo)葉及易磨損部位采用噴涂碳化鎢抗磨涂層(俗稱硬涂層),在尾水錐管錐I節(jié)、固定導(dǎo)葉,涂有聚氨酯“軟涂層”。3.4碳化硅環(huán)氧復(fù)合抗磨涂層的制備在2、3號機組抗磨涂層失敗的情況下,經(jīng)對比研究后,4號水輪機轉(zhuǎn)輪抗磨涂層決定采用全國水機磨蝕試驗研究中心和天津勘測設(shè)計研究院科研所的碳化硅環(huán)氧復(fù)合抗磨涂層。同時為了作對比試驗,在轉(zhuǎn)輪13個葉片中選擇4片,在碳化硅環(huán)氧復(fù)合涂層上加涂了一層聚氨酯軟涂層,以試驗軟涂層在碳化硅環(huán)氧復(fù)合涂層上的黏結(jié)能力。4.11.發(fā)動機結(jié)構(gòu)1號水輪機轉(zhuǎn)輪制造存在嚴(yán)重拖期問題,為保證機組按計劃投產(chǎn)發(fā)電,1號水輪機轉(zhuǎn)輪未按設(shè)計要求涂抗磨涂層,但活動導(dǎo)葉全部涂了軟涂層。三、司機機械運行方面1號水輪機從1998年11月28日投產(chǎn)發(fā)電到2002年3月30日期間共運行14204h,發(fā)電量116608.38萬kW·h。從1號水輪機運行的前幾年來看,轉(zhuǎn)輪沒有發(fā)現(xiàn)較大的磨蝕破壞,僅在表面有局部銹蝕現(xiàn)象;但2002年4月12日打開機組檢查時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片靠上冠出口邊已有磨蝕破壞,面積約2cm×3cm。轉(zhuǎn)輪葉片靠上冠處處出現(xiàn)裂紋,13片葉片中有5片葉片發(fā)生不同程度裂紋,其中有3片葉片出現(xiàn)貫穿性裂紋,裂紋最長達(dá)500mm,另2片葉片裂紋沒有貫穿,但裂紋長度達(dá)150mm和100mm。水輪機活動導(dǎo)葉在機組運行41天后檢查,發(fā)現(xiàn)軟涂層有剝落現(xiàn)象,1999年8月1日檢修機組時(機組已運行了4455h)發(fā)現(xiàn)活動導(dǎo)葉軟涂層在進(jìn)水邊密封條處沿水流方向呈不規(guī)則的片狀脫落,最長達(dá)500mm,所有導(dǎo)葉上、下端部均成貫穿性撕裂,涂層與母體脫開部分與未脫開涂層連在一起呈蜷曲狀,在活動導(dǎo)葉進(jìn)水面有條狀深度破損,活動導(dǎo)葉出水邊也有部分涂層與母材剝離,導(dǎo)葉母材暴露并已銹蝕。2002年4月12日(機組運行了14204h)打開后發(fā)現(xiàn)1號機活動導(dǎo)葉抗磨涂層在導(dǎo)葉正壓面涂層已破壞,但導(dǎo)葉負(fù)壓面抗磨涂層仍完好。2.2生物處理試驗2號水輪發(fā)電機組于1999年7月投入發(fā)電到2002年2月28日運行了8383h,累計發(fā)電量68954.16萬kW·h,2000年5月20日檢查時發(fā)現(xiàn),2號水輪機轉(zhuǎn)輪軟涂層已大面積脫落?；顒訉?dǎo)葉采用軟涂層,在活動導(dǎo)葉迎水面進(jìn)水邊密封條處沿水流方向600mm處有涂層脫落,在活動導(dǎo)葉迎水面中部及出水邊,都有不同程度的片狀脫落,且脫落層與未脫落層完全斷開,涂層表面出現(xiàn)很多不規(guī)則白點,未脫落的殘余涂層出現(xiàn)細(xì)密麻點。3.3蝸殼檢查情況3號水輪發(fā)電機于1999年12月24日投入發(fā)電到2002年2月28日運行了7236h,累計發(fā)電量68755.36萬kW·h,在機組運行72h后進(jìn)入蝸殼檢查,其固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、水輪機轉(zhuǎn)輪等部位抗磨涂層情況基本上和2號機組相同。4.4影響齒輪抗磨涂層運行的原因4號水輪發(fā)電機于2000年7月24日投入發(fā)電到2002年2月28日運行了4210h,累計發(fā)電量44119.85萬kW·h,在機組運行72h后進(jìn)入蝸殼檢查,水輪機轉(zhuǎn)輪表面碳化硅環(huán)氧復(fù)合涂層完好,但在4個葉片上作實驗用的軟涂層已基本全部脫落,2001年8月3日在機組運行2000h后對轉(zhuǎn)輪抗磨涂層進(jìn)行檢查(發(fā)電量1.1億kW·h,其中,4萬負(fù)荷以下運行占15%,4萬～8萬負(fù)荷運行占17%,8萬負(fù)荷以上占68%),發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪葉片正面涂層完好,轉(zhuǎn)輪葉片背面涂層在空蝕高發(fā)區(qū)部位有輕微空蝕,約占背面總面積0.2%,轉(zhuǎn)輪下環(huán)完好率100%,葉片頭部有2cm×4cm大小局部硬物打擊破壞點。轉(zhuǎn)輪上冠中心部位以下有嚴(yán)重空蝕破壞區(qū),約占上冠總面積1/3左右。根據(jù)轉(zhuǎn)輪全部涂層面積計算破壞面積不足總面積的1%,且主要集中在轉(zhuǎn)輪上冠流道部位。5.6負(fù)荷總量6號水輪發(fā)電機組于2000年7月24日投入發(fā)電到2002年2月28日運行了6555h,累計發(fā)電量69546.65萬kW·h。2002年7月31日進(jìn)入機組檢查,轉(zhuǎn)輪及活動導(dǎo)葉硬涂層完好,只有輕微劃痕,但葉片表面局部有銹蝕現(xiàn)象,固定導(dǎo)葉軟涂層已局部脫落,脫落所露出的母材上也有銹蝕,尾水錐管I段軟涂層已基本脫落。6.5機組現(xiàn)狀及問題5號水輪發(fā)電機于2000年12月8日投入發(fā)電到2002年2月28日運行了4449h,累計發(fā)電量41004.81萬kW·h,在機組運行72h后進(jìn)入機組檢查,轉(zhuǎn)輪及活動導(dǎo)葉硬涂層完好,只有輕微劃痕,但表面有局部銹蝕現(xiàn)象,固定導(dǎo)葉母材上也有銹蝕,固定導(dǎo)葉及尾水錐管I段軟涂層根據(jù)6號機的脫落情況,在5號機上沒有再做抗磨涂層。三、含沙量的確定萬家寨水利樞紐工程自1997年10月1日下閘蓄水后,水庫水質(zhì)含沙量始終小于多年平均含沙量5.7kg/m3,過機平均含沙量約在0.082kg/m3;同時這幾年黃河上游來水量一年比一年少,1999年全年來水量為155.35億m3,2000年全年來水量為129.41億m3,2001年全年來水量為111.88億m3,從1998年以來萬家寨河段幾乎無大汛,汛期來水量最小時為37m3/s(2001年7月17日),可以說萬家寨水輪機組運行幾年來,基本是在清水狀況下運行。1.活動導(dǎo)葉涂層膠結(jié)強度低,實際應(yīng)用進(jìn)展緩慢從1～3號水輪機轉(zhuǎn)輪和活動導(dǎo)葉破壞情況可以看出:①軟涂層抗磨材料具有很好的抗磨性、耐水性,抗蝕和彈性好,其原理是“以柔克剛”,但如何把這種軟材料和不銹鋼黏結(jié)在一起,這是問題的關(guān)鍵。萬家寨轉(zhuǎn)輪軟涂層設(shè)計厚度為3mm,設(shè)計黏結(jié)強度為5MPa,實際檢測黏結(jié)強度為10MPa。1號水輪機運行41天后,打開機組發(fā)現(xiàn)活動導(dǎo)葉涂層已破壞,這表明涂層的設(shè)計黏結(jié)強度偏低。根據(jù)碳化硅環(huán)氧復(fù)合涂層的經(jīng)驗,有關(guān)專家認(rèn)為涂層黏結(jié)強度應(yīng)大于40MPa,這樣才能保證軟涂層能粘貼在水輪機轉(zhuǎn)輪葉片上并起到保護作用。②尖銳硬物對軟涂層有嚴(yán)重的損傷,這從涂層劃痕就可分辨出。在樞紐工程施工期間,壩前有大量的鉛絲、鋼筋頭,在機組發(fā)電前對壩前及引水鋼管做了檢查處理,但是在機組充水發(fā)電時還有雜物進(jìn)入,以致發(fā)生機組活動導(dǎo)葉剪斷銷剪斷,進(jìn)入機組的雜物劃傷了抗磨涂層;另外萬家寨地處高寒地區(qū),冬季最低溫度可達(dá)零下40攝式度,每年凌汛季節(jié)時有大量的冰花進(jìn)入水輪機,冰花對軟涂層破壞也相當(dāng)嚴(yán)重,這一問題在設(shè)計軟涂層時并沒考慮到。2.強材料表面硬度5、6號水輪機轉(zhuǎn)輪涂層采用碳化鎢(硬涂層)耐磨涂層,其原理是“以剛克剛”,進(jìn)一步加強材料表面硬度。萬家寨水輪機硬涂層設(shè)計厚度為0.3mm,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)涂層表面有局部銹蝕和脫落現(xiàn)象,但脫落現(xiàn)象不易發(fā)現(xiàn)(小浪底6號機在運行1000h時也出現(xiàn)硬涂層脫落,但如果不仔細(xì)檢查也很難發(fā)現(xiàn))。這種硬涂層的黏合強度超過60MPa,但缺點是怕尖銳物撞擊。3.從黏結(jié)強度方面進(jìn)行萬家寨4號水輪機采用碳化硅環(huán)氧抗磨涂層,和軟涂層相比,無論從價格,還是從黏結(jié)強度均優(yōu)于軟涂層,從施工來說,它可以在工地現(xiàn)場進(jìn)行,目前軟涂層的主要問題是黏結(jié)強度不夠,而硬涂層的施工工藝,在工地施工比較困難,無法在工地施工。當(dāng)然碳化硅環(huán)氧復(fù)合涂層運行情況,還有待于繼續(xù)觀察研究。4.機組運行情況機組不合理的運行方式,也是對抗磨涂層產(chǎn)生破壞的原因之一?；炝魇剿啓C組有一個振動區(qū),機組運行時應(yīng)避開振動區(qū),長時間在振動區(qū)運行,不僅對機組有破壞影響,而且也會對水工建筑有破壞。萬家寨水輪發(fā)電機組廠家保證在額定負(fù)荷40%以上運行,在額定負(fù)荷40%以下制造廠家不保證,也就是說,機組振動點在40%以下,在哪一個工況點兩大主機廠均沒給出。由于山西和內(nèi)蒙古這幾年電力生產(chǎn)過剩,造成萬家寨機組經(jīng)常在低負(fù)荷工況下運行,額定出力18萬kW的機組,經(jīng)常在1萬～2萬kW負(fù)荷工況下運行,長時間在振動區(qū)運行,對抗磨涂層破壞也是一個主要原因。例如:萬家寨1號機組、2號機組由于低負(fù)荷運行而造成了機組尾水管錐管出現(xiàn)了850mm的橫向穿透性裂紋。萬家寨水利樞紐工程電站6臺水輪機,分別采用了3種抗磨涂層,其中1號水輪機轉(zhuǎn)輪沒有涂抗磨涂層,這樣也檢驗了0Gr16Ni5Mo材料的抗磨程度,并為今后黃河上新建水電站機組轉(zhuǎn)輪材料選用提供經(jīng)驗。通過對比認(rèn)為:目前碳化硅環(huán)氧復(fù)