關(guān)于電站水輪機(jī)葉片磨損機(jī)理及熱噴涂修復(fù)分析

1,水輪機(jī)過流部件損壞
以上四種型號(hào)水輪機(jī),設(shè)計(jì)制造年代較早,技術(shù)參數(shù)水平較低,而且水輪機(jī)實(shí)際安裝高程設(shè)計(jì)值,空蝕系數(shù)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(lián)合作用造成水輪機(jī)過流部件磨蝕嚴(yán)重,機(jī)組效率急劇下降.
2,進(jìn)入九十年代后,機(jī)組水下過流部件磨蝕嚴(yán)重,尤其是轉(zhuǎn)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(fèi)用急聚增大,截止1990年底,僅用于補(bǔ)焊轉(zhuǎn)輪葉片腐蝕區(qū)的不銹鋼板累計(jì)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(yán)重的腐蝕和大量的補(bǔ)焊修復(fù),葉片實(shí)際線形偏離原設(shè)計(jì)流線型,使水流流態(tài)更加惡化,水輪機(jī)效率嚴(yán)重?fù)p失,形成惡性循環(huán),已嚴(yán)重影響了水電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.
3,水輪機(jī)過流部件表面噴涂層防護(hù)
多年來,某水電廠在水輪機(jī)抗磨蝕上投入大量的資金,做了大量的探索和實(shí)踐工作.在6#機(jī)組擴(kuò)修期間,將自行修復(fù)的轉(zhuǎn)輪葉片，根據(jù)黃河流域水情特點(diǎn),開發(fā)的水輪機(jī)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(shù)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行了表面涂層防護(hù),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(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)表明,在基材為0Cr13Ni4Mo部件上,噴涂厚度0.25-0.3mm,結(jié)合強(qiáng)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(shù)采用前,在黃河多泥砂流域幾家電站進(jìn)行了兩年多的掛片試驗(yàn),經(jīng)驗(yàn)證,抗磨蝕效果比較理想.
現(xiàn)就某水電廠6#機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片噴涂前后磨蝕狀況對(duì)比如下:
(1),噴涂前轉(zhuǎn)輪葉片磨蝕情況
6#機(jī)轉(zhuǎn)輪1996年更新,葉片材質(zhì)為0Crl3Ni4Mo,經(jīng)過18164小時(shí)的運(yùn)行,1999年12月檢查,葉片呈現(xiàn)整體減薄趨勢(shì),葉片背面從進(jìn)水邊至出水邊距外緣500mm區(qū)域嚴(yán)重磨蝕;葉片外緣,進(jìn)出水角局部出現(xiàn)穿孔,葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙增大15~30mm,空蝕面積達(dá)9.56M2,總失重423.7Kg,大汽蝕深度40mm,平均深度5～7mm.
(2),噴涂后轉(zhuǎn)輪葉片磨蝕情況
經(jīng)過15284小時(shí)運(yùn)行,2003年6月18日對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片噴涂層進(jìn)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(zhuǎn)輪室間隙無擴(kuò)大;葉片背面強(qiáng)汽蝕區(qū)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(jī)轉(zhuǎn)輪葉片噴涂前后磨蝕情況記錄
檢查日期 涂層防護(hù) 運(yùn)行小時(shí) 葉片編號(hào) 空蝕面積(cm2) 平均深度(mm) 損失重量(kg) 大空蝕深度(mm)
從6#機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片噴涂前后實(shí)際前后運(yùn)行結(jié)果來看,某水電廠軸流式水輪機(jī)表面用超音速火焰噴涂,采用SXH-70抗磨蝕涂層防護(hù)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(jī)的使用壽命和機(jī)組檢修周期.
4,經(jīng)濟(jì)效益分析
就某水電廠而言,應(yīng)用SXH-70抗磨蝕材料進(jìn)行水輪機(jī)噴涂防護(hù)可為水電廠帶來如下效益;
(1) 經(jīng)過噴涂的水輪機(jī)過流部件可保持在率運(yùn)行,根據(jù)運(yùn)行歷史記錄,某水電廠機(jī)組初期運(yùn)行5年,效率降低16%,即平均每年降低3.2%.以此為依據(jù),統(tǒng)計(jì)機(jī)組多年平均運(yùn)行時(shí)間約為3500小時(shí),上網(wǎng)電價(jià)為0.126元/kw.h,則:
單臺(tái)機(jī)年電量損失:36000×3.2%×3500×0.126元/kw.h≈50.8萬元
在一個(gè)檢修周期(5年)內(nèi),由于效率降低而使電廠損失經(jīng)濟(jì)效益254萬元.
(2)按5年檢修周期統(tǒng)計(jì),僅轉(zhuǎn)輪葉片檢修發(fā)生費(fèi)用104萬元,因檢修帶來的其他附加費(fèi)用150萬元.
(3)以一年半年大修一次,5年擴(kuò)修一次,共停機(jī)180天,則在一個(gè)檢修周期內(nèi)檢修停機(jī)少發(fā)電量6213.6萬kw.h,使電廠直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)782.9萬元.
然而,某水電廠6#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,采用抗磨蝕涂層防護(hù)經(jīng)過15284小時(shí)運(yùn)行,僅小修1次(15天),檢修費(fèi)發(fā)生4.8萬元,檢修停機(jī)少發(fā)電經(jīng)濟(jì)損失68萬元.
綜合以上分析計(jì)算,采用熱噴涂技術(shù)對(duì)葉片表面進(jìn)行抗磨蝕防護(hù),在一個(gè)檢修周期內(nèi)減去一套轉(zhuǎn)輪葉片噴涂所需費(fèi)用110萬元,可為電廠帶來經(jīng)濟(jì)效益1158.9萬元,投資效益比達(dá)1:6.33.
目前,我國水輪機(jī)過流部件通常采用0Crl3Ni4Mn材質(zhì),替代了ZG20MnSi材質(zhì),以提高部件的抗磨蝕能力.隨著金屬表面噴涂防護(hù)技術(shù)的發(fā)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(zhì),既可提高部件表面噴涂涂層質(zhì)量,又可降低制造成本,為企業(yè)節(jié)約大量資金.
5,結(jié)論
(1)采用超音速火焰噴涂技術(shù)備制SXH-70涂層,在承受水流水力作用下,具有高結(jié)合強(qiáng)度,能夠較好的抵抗磨蝕,該技術(shù)在軸流式水輪機(jī)過流部件表面磨蝕防護(hù)是行之有效的.
(2)采用此技術(shù)可以給水電廠帶來的經(jīng)濟(jì)效益.
(3)發(fā)展金屬表面噴涂處理技術(shù),克服水輪機(jī)過流部件嚴(yán)重的磨蝕破壞,從而使過流部件用一般材質(zhì)替代特殊材質(zhì),為企業(yè)節(jié)省大量的設(shè)備投入資金.
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