李永紅，郭旭東，溫佩佩，盧 彬，徐 桅

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 概述

張河灣抽水蓄能電站位于太行山深處井陘縣境內(nèi)，距石家莊市（負荷中心）直線距離為 52 km，公路里程77 km，裝機總?cè)萘繛?00萬kW，安裝4臺25萬kW的單級混流可逆式機組，以一回500 kV線路接入河北南部電網(wǎng)。承擔(dān)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、事故備用等任務(wù)，起到十分重要的作用。

張河灣抽水蓄能電站機組的額定水頭為305 m，每臺機組均為20個固定導(dǎo)葉，高度約為0.46 m，表面覆蓋防腐漆。

2 水泵水輪機汽蝕情況

張河灣抽水蓄能電站3號、4號機組運行至今，固定導(dǎo)葉上下端面、立面端面、立面密封附近、以及在頂蓋、底環(huán)和活動導(dǎo)葉背部區(qū)域有較明顯的汽蝕現(xiàn)象，如圖1～圖4。

圖1 固定導(dǎo)葉立面端面

圖2 固定導(dǎo)葉上下端面

圖3 活動導(dǎo)葉背面

圖4 底環(huán)

3 汽蝕原因分析

汽蝕是水工建筑和水力機械運行過程中普遍存在的一種破壞形式，它屬于磨損腐蝕的一種特殊形式，是由于過流部件附近的氣泡劇烈潰滅瞬間產(chǎn)生的高壓沖擊波或高速微射流，高頻進攻過流部件外表面，在材料外表面局部發(fā)生較大的塑性形變，致使材料表面產(chǎn)生破碎，形成蝕坑并裸露出新的基材。隨著空蝕時間增加，蝕坑逐漸增大增深，當蝕坑擴展到一定程度后，過流部件就會發(fā)生斷裂。

3.1 材料汽蝕破壞機理

由于汽蝕涉及流動條件、機械力、材料冶金與電化學(xué)交互作用等方面。材料表面產(chǎn)生空化導(dǎo)致破壞的主要有機械作用、化學(xué)腐蝕作用、電化學(xué)作用和熱力作用等。

3.2 空蝕的類型

水在水輪機過道中的流動是極其復(fù)雜的，空化現(xiàn)象可以出現(xiàn)在不同部位，在不同條件下形成空化初生，根據(jù)汽蝕發(fā)生的條件和部位的不同，可將汽蝕分為翼型汽蝕、間隙汽蝕、局部汽蝕、空腔汽蝕和局部空蝕5種。

綜合上述材料汽蝕破壞機理和汽蝕類型分析，固定導(dǎo)葉立面端面、上下端面都屬于間隙汽蝕，其破壞同時涉及機械作用、化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。由于固定導(dǎo)葉線型的原因，固定導(dǎo)葉出口處（圖5中C）的空間會增加，導(dǎo)致此處水流速度存在小幅減小的情況，特別是固定導(dǎo)葉轉(zhuǎn)輪端的端面處（圖5中D），會因其水流速度小于周圍水流速度而形成負壓狀態(tài)，導(dǎo)致汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。在汽蝕作用下，導(dǎo)葉該區(qū)域表面的涂層首先被破壞脫落失效，耐腐蝕性較差的導(dǎo)葉碳鋼基材裸露，同時受到腐蝕、汽蝕和沖刷的作用，另外與其連接的不銹鋼活動導(dǎo)葉因其電位高于固定導(dǎo)葉，會形成電偶腐蝕，加速固定導(dǎo)葉汽蝕破壞區(qū)域的腐蝕。

圖5 水輪機作用示意圖

活動導(dǎo)葉背面的汽蝕應(yīng)屬于翼型汽蝕，主要是由水輪機經(jīng)常在非最優(yōu)工況下運行時而引發(fā)，其表面的破壞主要是汽蝕過程中的微射流破壞產(chǎn)生，因是不銹鋼材質(zhì)，無腐蝕和電化學(xué)腐蝕情況。

4 汽蝕危害

汽蝕缺陷增加了導(dǎo)葉的表面粗糙度、破壞了導(dǎo)葉的線型、增加了水流摩擦阻力，影響了導(dǎo)葉周圍應(yīng)有的繞流條件，使導(dǎo)葉內(nèi)的能量損失增大，嚴重影響水輪機的出力和運行效率。同時，導(dǎo)葉表面粗糙度的增大，會對空化的產(chǎn)生形成促進作用，加速其汽蝕、沖刷和磨損腐蝕，長期下去，腐蝕破壞加重，會使機組產(chǎn)生強烈振動、噪音和負荷波動，直接影響機組的運行安全。

5 汽蝕的應(yīng)對措施

5.1 選擇最優(yōu)化的運行方式

通過多年來運行實踐證明，運行工況對汽蝕有一定的影響。水輪發(fā)電機組運行過程中，值班人員應(yīng)定期觀察并記錄水輪機尾水管真空表上的數(shù)值變化，選擇最優(yōu)工況運行，盡量避免水輪機長期在低水頭和低負荷狀態(tài)下運行，以避開汽蝕嚴重的運行工況區(qū)域。同時，要確保頂蓋處真空破壞閥和尾水管補氣裝置完好，便于降低真空壓力，破壞真空渦帶形成，減輕汽蝕、振動程度。

5.2 及時檢修和修補

材料汽蝕破壞的過程可分為3個典型階段：汽蝕孕育期，汽蝕加速期和汽蝕穩(wěn)定期。在汽蝕初期進行維護和保養(yǎng)可避免經(jīng)歷汽蝕加速期。另外汽蝕、磨損和化學(xué)腐蝕造成的表面粗糙度增加，會對空化的產(chǎn)生形成促進作用，光滑表面可推遲空化發(fā)生減少汽蝕。因此，針對易發(fā)生汽蝕的部位和已出現(xiàn)的汽蝕缺陷，應(yīng)及時檢修處理，這樣既能縮短檢修時間，又能提高轉(zhuǎn)輪運行的壽命和運行質(zhì)量。在日常檢修中，采用先進的材料和工藝對表面的腐蝕缺陷及時修復(fù)和涂層防護，可避免汽蝕的加速破損，對水輪機過流部件的防護起到事半功倍的效果。SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層是一種彈性高分子聚合物材料，能夠耗散空泡潰滅時對工件表面的沖擊能量和沙粒的動能，起到“以柔克剛”的效果，經(jīng)過應(yīng)用試驗，對水輪機過流部件的汽蝕區(qū)域的防護具有良好的保護效果。

5.3 抗汽蝕涂層

目前抗汽蝕、耐磨損和防腐蝕涂層主要有金屬涂層和有機涂層2類。國內(nèi)在抗汽蝕金屬涂層材料的研究與應(yīng)用方面開展了大量的工作，并取得了較大的進展。如金屬表面堆焊奧氏體不銹鋼并進行表面重熔改性、熱噴涂鈷基合金涂層、等離子熔覆高鉻鐵基合金、表面堆焊鈷基合金等，都能在一定程度上提高基材的抗汽蝕性能。但金屬涂層的施工工藝難度大、工藝溫度較高，容易導(dǎo)致工件產(chǎn)生熱變形，施工涂層厚度不易控制，施工后需重新進行機械加工，同時對前處理工藝和設(shè)備均具有較高的要求，使現(xiàn)場修復(fù)操作難度較大，成本較高，因此未能在水電行業(yè)的檢修中大規(guī)模推廣應(yīng)用。

有機抗汽蝕涂層材料主要有剛性環(huán)氧涂層和彈性聚氨酯2類?？蛊g、耐磨損和防腐蝕環(huán)氧涂層是以環(huán)氧樹脂為基體，Al2O3、SiO2、SiC等硬質(zhì)陶瓷粉末增強的一類涂層。環(huán)氧樹脂是含有2個或2個以上活潑環(huán)氧基團的高分子化合物，與氨基固化劑交聯(lián)固化后，形成產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)為交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，賦予其優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，同時分子鏈中固有的極性羥基和醚鍵使其與金屬具有很高的粘結(jié)性。采用硬質(zhì)陶瓷粉末增強后具有粘接強度大、硬度高、耐沖刷、耐磨損性能好等優(yōu)點。該涂層在水電站的應(yīng)用情況表明，涂層對水輪機轉(zhuǎn)輪體、葉片正面等非汽蝕區(qū)具有良好的抗沙粒磨損效果，但葉片背面及根部、轉(zhuǎn)輪室中環(huán)等強汽蝕區(qū)脫落嚴重，防護效果較差，這主要是由于固化后的環(huán)氧樹脂基體韌性較差，涂層內(nèi)應(yīng)力大，抗汽蝕性能不足，在汽蝕的疲勞破壞作用下，易脆裂脫落而失效，因此不適合在汽蝕破壞嚴重的場合使用。

有機聚氨酯彈性體涂層能大量吸收空蝕產(chǎn)生的高頻沖擊能量，同時其力學(xué)強度高，耐磨、抗沖刷等性能優(yōu)良，是優(yōu)異的抗汽蝕涂層材料。聚氨酯彈性體涂層目前已應(yīng)用于三門峽、青銅峽、小浪底等水電站的水輪機葉片、導(dǎo)葉、底環(huán)和頂蓋等過流部件的防護，并取得了良好的抗磨損效果。聚氨酯彈性體涂層的失效案例表明，涂層與基材粘結(jié)性和耐高速水流沖刷性能不足是涂層脫落失效的主要原因，因此優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計，改善聚氨酯彈性體涂層的粘接強度和耐高速水流沖刷性能對其在水輪機過流部件表面推廣具有重要意義。

5.4 汽蝕修復(fù)與涂層防護應(yīng)用試驗

SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層、SOTO 9211橡膠底涂劑、SOTO 3112無溶劑環(huán)氧涂料的梯度復(fù)合防護涂層體系和SOTO 2122金屬陶瓷修補材料是碩投（武漢）高分子技術(shù)有限公司針對水輪機過流部件的汽蝕修復(fù)與防護設(shè)計開發(fā)。SOTO 1131抗汽蝕耐沖刷涂層為具有優(yōu)異耐磨性和抗汽蝕性能的無溶劑聚氨酯彈性體涂層，用于面涂層，可有效抵抗汽蝕和泥沙磨蝕破壞；具有高粘接強度的SOTO 3112無溶劑環(huán)氧涂料作為底層材料使用，保證涂層體系與基材界面的結(jié)合強度；SOTO 9211橡膠底涂劑為高韌性的聚氨酯中間層，與無溶劑環(huán)氧和聚氨酯耐磨橡膠均具有化學(xué)鍵合能力，可起到過渡粘接作用，保證涂層的層間結(jié)合強度和配套性。由剛性至彈性過渡復(fù)合涂層體系的應(yīng)用，可充分發(fā)揮各涂層的優(yōu)勢，有效解決水輪機過流部件的汽蝕、磨損、沖刷和腐蝕問題。

在2018年9月張河灣抽水蓄能電站1號和4號機組檢修期間，選用SOTO的修補材料和梯度復(fù)合防護涂層體系在2個機組的1～15號固定導(dǎo)葉上進行汽蝕的修復(fù)與防護應(yīng)用試驗，汽蝕缺陷經(jīng)過修復(fù)和涂裝后，表面平整光滑，其性能及使用效果有待跟蹤考察。見圖6～圖9。

圖6 尖部汽蝕

圖7 立面汽蝕

圖8 第一道修補涂層

圖9 第二道無溶劑底涂層

6 結(jié)語

汽蝕在水電行業(yè)的運行中普遍存在，危害性大。當前由于抽水蓄能行業(yè)的機組水頭較高，水流流速較快，所以在抽水蓄能的機組中固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪及其他通流部件均容易出現(xiàn)汽蝕，汽蝕的出現(xiàn)將直接導(dǎo)致機組效率下降、振動加劇、噪聲加大、水泵水輪機使用壽命縮短，嚴重時將危及安全運行。水電站應(yīng)適時采用有效的防護措施進行預(yù)防，同時，電站人員應(yīng)特別關(guān)注和研究電站的運行特點，科學(xué)管控，合理調(diào)度，確保電站安全、經(jīng)濟、可靠、優(yōu)質(zhì)運行。