李 東

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

龔嘴水電站位于四川省境內(nèi)的大渡河下游，為壩后式徑流電站，首臺機組于1971年底并網(wǎng)發(fā)電，1978年12月全部投產(chǎn)運行，電站原裝機為7×100 MW，多年平均發(fā)電量34.18億kW·h，年利用小時數(shù)4 900 h，在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰調(diào)頻和事故備用等任務。2002年11月至2012年4月，龔嘴水電站完成了7臺機組的增容改造工程，總裝機容量為7×110 MW。大渡河為多泥沙河流，特別是汛期泥沙較多，根據(jù)1956～1964年實測泥沙資料(銅街子水文站)，多年平均含沙量為0.71 kg/m3，最大日平均含沙量為9.45 kg/m3，因此，該電站從建設以來，水輪機過流部件的抗磨蝕問題就在安裝、檢修、改造及科研等各個階段中存在，并不斷地進行治理和改善中。

1 安裝存在隱患多

龔嘴水電站機組為上世紀60年代產(chǎn)品，轉(zhuǎn)輪、尾水管主要采用15錳鉬釩銅(15MnMoVCu)，頂蓋用16錳鋼(16Mn)，活動導葉采用合金鑄鋼(ZG20MnSi)，底環(huán)用鑄鋼(ZG35#)，地面廠房1～4號機組蝸殼均采用15錳鉬釩銅，1973年東方電機廠在制作地下廠房5～7號機組蝸殼時，由于15錳鉬釩銅高強度鋼板性能不穩(wěn)定，國內(nèi)鋼廠已停止生產(chǎn)不再接受訂貨，而采用了15錳釩等鋼板，加厚一級使用。15錳鉬釩銅系當時新鋼種，強度較高，但沖擊韌性低(且不穩(wěn)定)，基本上處于脆性狀態(tài)，止裂性和可焊性很差，在蝸殼、尾水管焊接過程中曾多次出現(xiàn)裂縫；15錳釩等鋼板在工地焊接過程中也曾多次出現(xiàn)裂縫，性能不穩(wěn)定，發(fā)生嚴重延遲裂紋現(xiàn)象。因此，受當時國內(nèi)的材料科技水平制約(不能進口)，盡管做了很多研究，采用了不少當時的新技術和新材料，但龔嘴水電站水輪機過流部件所用材質(zhì)仍然存在抗磨蝕、銹蝕性能較差，且性能不穩(wěn)定，給接機后的運行管理、檢修維護造成較大困難。

2 檢修治理的難度大

龔嘴水電站水輪機過流部件受當時工藝水平的限制，流道型線差，表面光潔度低。大渡河流域汛期水質(zhì)差，含沙量大，沙粒粗且硬度高，對水輪機過流部件表面造成明顯的磨蝕破壞，特別是對水輪機葉片的磨蝕破壞速度較快。上世紀90年代，龔嘴水電站水輪機轉(zhuǎn)輪葉片已明顯變薄，強度降低，葉片邊緣變成刀刃，局部磨蝕損壞(見圖1、圖2)，甚至發(fā)生轉(zhuǎn)輪泄水錐、止漏環(huán)脫落等嚴重威脅機組安全穩(wěn)定運行的事故；蝸殼、座環(huán)、尾水管等也磨蝕特別嚴重，也多次出現(xiàn)空心固定導葉破裂穿水、尾水管錐管段裂紋漏水等險情(見圖3)，每年檢修必須對各機組進行大面積和局部用不銹鋼焊條補焊和打磨處理(見圖4)?，F(xiàn)場修復手段有限且工作量巨大，也不具備返廠修復條件，受損部件始終無法得到徹底修復。而且配件尺寸已遠離設計狀況，水輪機上下迷宮環(huán)間隙已由設計時的2～2.45 mm擴大到10～15 mm，導葉端面間隙由設計的0.32～0.85 mm擴大到5～8 mm，水輪機性能偏離設計值，效率由88%降至86%。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊嚴重磨蝕圖

圖2 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊局部裂紋并脫落圖

圖3 尾水錐管裂紋處理圖

圖4 座環(huán)固定導葉補焊圖

3 改造治理效果好

為消除設備隱患，提高機組效率，龔站機組增容改造及過流部件抗磨蝕治理技術經(jīng)濟效益分析報告于上世紀90年代初就提上了議事日程。21世紀初，龔嘴水電站機組增容改造工作穩(wěn)步推進，先后于2003年和2004年完成了1、5號機增容改造，2006～2012年度依次完成了2、7、4、6、3號機組增容改造，龔嘴水電站總裝機容量由70 MW增加到77 MW。采用新的水輪機及過流部件，一是降低了額定水頭(老機組的額定水頭為48 m，新機組的額定水頭為44 m)；二是利用最新科技成果進行水力學設計，新水輪機平均效率達93%，較老機組大約提高了7%左右；三是新的轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)、活動導葉等過流部件均采用抗銹蝕耐磨蝕的不銹鋼制造，極大的提高了運行可靠性和抗磨蝕性能，節(jié)約了檢修成本，降低了檢修強度和難度。

3.1 水輪機主要部件改造及優(yōu)化過程

1)前期改造的1、5號機存在的問題及處理過程。龔嘴水電站最先改造的1、5號機主要采用加拿大GE公司設計產(chǎn)品。1、5號機運行兩年后，水輪機頂蓋上環(huán)板穿孔、止漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪上冠上平面磨蝕破壞嚴重(2005年汛期5號機頂蓋多次出現(xiàn)沙眼穿水現(xiàn)象)(見圖5、圖6)，組織國內(nèi)水輪機方面的專家對機組頂蓋穿孔現(xiàn)象進行分析研究討論后，按專家組方案于2005～2006年度檢修期對1、5號機頂蓋進行改造處理，經(jīng)后期運行檢驗，未能解決頂蓋磨蝕嚴重的問題。2008年9月，5號機頂蓋組合縫部位出現(xiàn)穿水現(xiàn)象，國電大渡河公司、檢修公司結合龔嘴水電站1、5號機增容改造后的水輪機頂蓋實際結構，提出了升高頂蓋固定止漏環(huán)以減小射流速度、增大其沿程損失的處理方案，并在2008～2009年度檢修中對1、5號機頂蓋止漏環(huán)進行了加高改造(見圖7)。經(jīng)過多年的運行檢驗，1、5號機頂蓋改造部位幾乎未出現(xiàn)磨蝕現(xiàn)象，表明水輪機頂蓋結構改造十分成功。

圖5 頂蓋磨蝕情況圖(外觀)

圖6 轉(zhuǎn)輪上冠上平面磨蝕情況圖(外觀)

圖7 頂蓋加高改造修配圖

2)后續(xù)改造機組的結構優(yōu)化設計。為克服水輪機磨蝕破壞，在后續(xù)機組改造中，國電大渡河檢修安裝有限公司認真總結龔嘴水電站1、5號機改造增容的經(jīng)驗，針對前期兩臺機組增容改造投運后出現(xiàn)頂蓋與轉(zhuǎn)輪磨蝕嚴重等問題，積極協(xié)調(diào)溝通，協(xié)助東方電氣集團公司開展轉(zhuǎn)輪換型(國產(chǎn)化)的相關試驗和選型工作，從結構上重新設計，進行模型轉(zhuǎn)輪試驗，通過試驗結果進行優(yōu)化并最終確定水輪機型號(HLD443a-LJ-592.1)；多次組織召開專題技術討論會研究改進方案，與東方電氣集團公司一起提出了一系列創(chuàng)新方案，在后續(xù)增容改造的2、3、4、6、7號機組上實施(文中以2號機為例)，將轉(zhuǎn)輪上冠加高到320 mm，轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)與固定止漏環(huán)之間的間隙調(diào)為1.6～2.0 m，以降低轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)出口流速，減小通過轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)進入轉(zhuǎn)輪上冠的漏水量。轉(zhuǎn)輪上冠上斷面與頂蓋之間距離由原GE公司設計的29 mm加寬到45 mm，轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)上方的頂蓋上環(huán)板采用S135不銹鋼板并改善頂蓋上環(huán)板及固定止漏環(huán)的焊縫結構。同時轉(zhuǎn)輪上冠加設引水擋板并澆筑混凝土，減小轉(zhuǎn)輪上冠的空腔，以改善轉(zhuǎn)輪上冠水流的流態(tài)，降低含泥沙水流對頂蓋上環(huán)板的沖蝕破壞。轉(zhuǎn)輪泄水孔排水面積與止漏環(huán)縫隙面積之比設計到與老轉(zhuǎn)輪相當。為減小埋入部分土建改造的工作量，經(jīng)過反復計算比較，將轉(zhuǎn)輪下環(huán)外圓尺寸最終確定為φ6 150，并重新設計了基礎環(huán)增改段。2號機與老機組及轉(zhuǎn)輪止漏系統(tǒng)性能參數(shù)對比詳見表1。

表1 2號機與老機組轉(zhuǎn)輪止漏系統(tǒng)性能參數(shù)對比表

3.2 其他主要先進技術與工藝的應用

1)基礎環(huán)改造與安裝。龔嘴水電站水輪機增容改造采用的新轉(zhuǎn)輪下環(huán)較原轉(zhuǎn)輪下環(huán)下延197 mm，故老機組的基礎環(huán)將不能滿足要求。為盡量減小埋入部分土建改造的工作量，重新設計了基礎環(huán)增補段，老基礎環(huán)需割去多余的法蘭段，與組圓后的基礎環(huán)增補段組焊。同時，由于龔嘴水電站原尾水錐管里襯材質(zhì)為15MnMoVCu鋼板，自上世紀90年代中期7臺機組都陸續(xù)出現(xiàn)了尾水管里襯空蝕磨損穿孔、裂紋、掉塊等重大缺陷，故基礎環(huán)的改造結合尾水錐管直錐段更換一起進行。

2)水輪機尾水錐管改造。尾水管原材質(zhì)為15MnMoVCu，現(xiàn)更換為力學性能較好的321不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)，尾水管增加210 mm補償節(jié)(現(xiàn)長度為1 784 mm)，鋼板厚度也增加了5 mm(現(xiàn)厚度為30 mm)，尾水管由原來的4瓣組焊改為三瓣焊接，減少了一條立焊縫，大大提高了尾水管的使用壽命和可靠性。新尾水管的安裝、固定方式更加科學，研究應用尾水管環(huán)向和縱向布筋工藝進一步增加了尾水管強度，且受力更均勻，抗沖擊和振動能力更強。

3.3 改造治理效果檢驗

龔嘴水電站水輪機過流部件改造主要包括更換轉(zhuǎn)輪、頂蓋、活動導葉、底環(huán)、尾水錐管等。轉(zhuǎn)輪為整體結構，采用ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼，取消嵌套止漏環(huán)結構，其下環(huán)較原轉(zhuǎn)輪下延197 mm；導葉為整鑄ZG06Cr16Ni5Mo不銹鋼導葉，頂蓋及底環(huán)過流面上均設有Ocr189Ni不銹鋼板，頂蓋固定止漏環(huán)為1Cr18Ni9Ti。改造前后水輪機主要部件材質(zhì)對比詳見表2。以2號機為例，2008年4月份完成其水輪機相關過流部件改造更換后，設備經(jīng)過10年的運行，轉(zhuǎn)輪、頂蓋、導葉等均未見明顯磨蝕(見圖8，圖9)，并經(jīng)國電電科院進行水輪機轉(zhuǎn)輪空蝕評定，結果良好，表明龔嘴水電站改造后的水輪機過流部件整體抗磨蝕性能治理效果顯著。

表2 改造前后水輪機主要部件材質(zhì)對比表

圖9 2號機轉(zhuǎn)輪葉片出水邊及尾水錐管圖

4 通過科研探索新思路

龔嘴水電站1～7號機組雖然完成了轉(zhuǎn)輪、頂蓋、活動導葉、底環(huán)、尾水錐管等水輪機相關過流部件的改造更換工程，但機組蝸殼、座環(huán)及固定導葉、尾水管等埋設部件因施工條件原因未進行改造更換，而蝸殼和固定導葉受當初材質(zhì)和制造科技條件所限，一直存在抗磨蝕、銹蝕性能較差，且性能不穩(wěn)定的重大隱患，經(jīng)過40多年的運行，材質(zhì)老化，強度降低，焊縫缺陷增加，每年都要進行大量的探傷檢查、缺陷修復等工作才能保證設備的安全運行。另外，蝸殼和固定導葉因磨蝕變薄的問題也越來越引人重視，對此，國電大渡河檢修安裝有限公司積極探索新思路，不斷應用新材料、新工藝來延長設備的安全使用壽命。2011年3月和4月，龔嘴水電站先后完成了4、6號機組的相關改造工程，并首次對蝸殼及空心固定導葉采用了表面涂抹環(huán)氧金剛砂抗磨層5～8 mm(見圖10)，這是一種主要應用在閘門流道上的抗磨材料，經(jīng)過多年的運行檢驗，是有一定的防護效果的，運行到第8年才開始出現(xiàn)抗磨材料磨穿、脫落的現(xiàn)象(見圖11)。國電大渡河檢修安裝有限公司在應用環(huán)氧金剛砂抗磨材料的同時，通過廣泛調(diào)研，積極聯(lián)系有關科研機構和院校，尋找新型的專門用于水輪機過流部件的金屬抗磨材料和新工藝。2019年3月，利用龔嘴水電站1號機組A修時機，引進某科院復合樹脂砂漿技術(復合樹脂砂漿涂層由復合樹脂、固化劑、硬金屬粉、棕剛玉、耐水劑等組成，該涂層綜合性能優(yōu)，黏結力強，抗磨、抗空蝕性能優(yōu)良，涂層厚度為4～10 mm)，對1號機蝸殼和座環(huán)固定導葉進行抗磨修復試驗(見圖12、圖13)，效果待進一步驗證。

圖10 4號機空心固定導葉表面涂抹抗磨層后圖

圖11 4號機抗磨層運行8年后圖

圖12 1號機蝸殼包角處表面涂抹抗磨層后圖

圖13 1號機座環(huán)固定導葉表面涂抹抗磨層后圖