南果河水电站转轮叶片掉块原因分析及处理

南果河水电站转轮叶片掉块原因分析及处理

陈永生马真金

华能澜沧江新能源有限公司云南省昆明市650214

摘要：本文对南果河水电站转轮叶片磨蚀掉块问题进行分析，找出了造成该问题的原因，结合实际研究处理方法。其结论能为混流式水轮机转轮磨蚀、掉块处理提供参考并积累经验。

关键词：转轮；磨蚀；掉块

1概况

南果河水电站装机2×8MW，两台机组分别于2009年10月、11月投产发电，水轮机型号HL243-LJ-118，额定水头76m，额定流量11.8m3/s，额定转速600r/min，吸出高度-1.5m，转轮标称直径为1.18米，材质为马氏体不锈钢0Cr13Ni5Mo，转轮叶片形式为“X”叶片。

2.机组运行情况

南果河电站为引水式电站，坝首设置滚水坝无调节能力，每日发电运行均根据当日来水情况调节机组负荷，负荷调整不频繁。机组运行负荷段为0.15-8MW，两台机组在各个负荷段均未发现机组振动值超标的情况。在汛期或来水情况较好的其他时段，机组有功功率可达到8.4MW以上。机组自投运以来，各个负荷段均未发现机组振动值超标的情况，根据南果河水电站机组多年的运行情况看，机组在出力、稳定运行上效果较好，在2013年才发现掉块情况。

3.转轮叶片掉块情况

2013年检修发现转轮下环和叶片出水边磨蚀严重，#1、#2机组转轮叶片出水边靠近下环侧出现不同程度的磨蚀，厚度由3mm磨蚀为2mm左右，致使叶片刚度、强度不足，机组在运行过程中产生裂纹，同时由于振动、气蚀和泥沙磨损加剧了裂纹发展，当裂纹贯穿后导致叶片掉块。叶片靠下环处有严重裂纹掉块，裂纹掉块处的叶片都已很薄或呈刃口，严重影响机组的安全运行。

4.转轮叶片掉块原因分析

（1）水轮机选型问题。机组投运以来未发现异常工况，出力正常，机组运行未见异常振动和噪声，采用的转轮在同水头段业绩很多，运行都没发现问题，运行范围也无问题，转轮出现掉块以后才出现运行异常问题，由此可见水轮机选型没有问题。

（2）南果河泥沙含量高，沙粒均为石英砂，硬度较大，对过流部件磨蚀较严重。可研究报告中南果河电站泥沙含量为0.19Kg/m3。分别在枯期及汛期在电站进水口及尾水进行两次取水检测。检测结果与可研设计相差不大，从枯期、汛期的水质检测情况看悬浮物进水口相差0.038Kg/m3，尾水相差0.014Kg/m3，枯期、汛期的悬浮物含量差别不大；进水口跟尾水的检测的差值也较小。主要由于南果河电站库区无蓄水调节的功能，来水在库区泥沙无沉积的过程，同时未设沉沙池等设施，与自然河流水质几乎一样，来水直接经引水渠道、压力前池、压力管道后进入机组。过机泥沙大，转轮磨损严重，裂纹掉块处的叶片都已很薄。

因此，我们分析认为严重的泥沙磨损使叶片过薄而导致产生裂，最终发展为掉块是南果河电站转轮掉块的主要原因。

5.转轮叶片掉块问题处理

5.1转轮修复

从2014年开始，每年都将转轮运回制造厂进行修复。对下止漏环段、叶片出水边与下环焊角处、叶片下环侧掉块区域和转轮各部位缺陷进行堆焊后重新加工；转轮各加工面、过流面和各部位缺陷处理完成后进行退火处理；然后进行打磨和静平衡试验。由于机组停用时间长，对机组可靠性指标带来一定影响。

综合各年情况看，每年的返厂处理成为了必须的解决手段，但因此带来的较长的检修工期，较高的检修费用，对南果河电站的生产经营带来较大的压力。因此，重新购买两台转轮进行更换是更好的解决方案。

5.2转轮更换

新转轮如何解决叶片出水边磨损的问题是首先要考虑的问题。南果河转轮的材质为ZG06Cr13Ni5MO是目前较好的转轮制造材料，有较好的抗磨性能，通过更换材料解决转轮磨损的思路显然行不通。通过分析研究，决定采用对转轮叶片出水边进行适当加厚以延长磨损时间的方案。并要求制造厂确定叶片加厚的具体数据。

由于叶片出水边最薄，因此磨损后出现裂纹掉块的部位在叶片出水边，从图１转轮照片上可以看出，裂纹掉块集中出现在叶片出水边靠近下环的部位，因此加厚方案将采取出水边靠上冠处适当加厚，沿出水边厚度逐渐加厚，至有掉块处达到最厚的加厚方案。

叶片加厚的原则为使转轮使用寿命明显增加但对水轮机性能影响尽量小。叶片加厚太少，对增加转轮寿命影响不大，加厚太多则加厚区域延伸太远进行入相邻叶片出口后使叶片开口值减小影响机组出力。

叶片加厚将采取出水边靠上冠处适当加厚，沿出水边厚度逐渐增加，至有掉块处达到最厚的加厚方案。制造厂给出的叶片加厚方案为靠上冠处加厚0.45倍从约3mm加厚至4.4mm，加厚最多处的出水边厚度增加约一倍从约3mm加厚至6mm，加厚后的转轮使用寿命将会有提升。

该方案加厚部位为叶片背面，加厚区域大部分已出相邻叶片工作面出水边，对转轮出水边开口值影响很小，因此预计水轮机的出力下降不会太大。

由于该加厚方案仅是根据实际工作经验作出的，尽量减小对性能的影响，但由于没有进行模型试验验证，对水轮机运行性能的影响有多大没有定量的数据，出力和效率会有一定影响，但量值不会大。另外有可能出现气蚀加速磨损，振动噪音加大影响机组安全运行，尽管概率极低但可能出现的极限情况是需要停机处理，对此电站业主也做好了充足的心理准备。

图1叶片加厚示意图

新转轮开机试验时，机组振动情况较好，机组振动和摆度值均在规程范围内，现场试验1号机组最高负荷为8.27MW，2号机最高负荷8.8MW。

6转轮更换后的生产运行情况

电站两台机组在更换新转轮后运行平稳，效率未受影响，根据不同负荷下，对机组振动和摆度的持续监测，均未出现超标情况，机组运行正常。当年电站发电量创投产以来新高，达到了7303.56万kW·h，第二年由于来水情况较好，发电量再创新高，达到9618.21万kW·h。

7结束语

南果河电站转轮从发现叶片掉块到新转轮更换历经四年时间，新转轮最关键的改变是对叶片出水边加厚，最可喜的地方是未出现方案制定时担心的各种不利情况。通过一年的生产运行，机组整体情况良好，取得了较好的经济效益。

参考文献：

[1]《南果河电站转轮叶片加厚方案》.尔滨电机厂（昆明）有限责任公司.

作者简介：陈永生（1967-），男，云南沧源县人，专科，助理工程师，主要从事金属结构和水轮机的检修管理工作。

马真金（1985-），男，云南寻甸县人，本科，工程师，主要从事水轮机的研究和设计管理工作。