抽水蓄能泵叶轮汽蚀的分析与处理

平措

摘 要：蓄能泵是在运转特性曲线高效稳定区域范围内运行的。运行时摆动、振动和噪音在设计标准范围内，叶轮进水边后侧部位没有汽蚀，蓄能泵吸入高程也满足要求。因此，蓄能泵水力设计基本合理。本文对三机式抽水蓄能机组的蓄能泵叶轮气蝕产生的原因进行了分析，认为磨蚀是促使叶轮气蚀产生和加剧的主要原因，提出了解决方案，取得了满意的效果。

关键词：蓄能泵；气蚀；磨蚀

中图分类号：TV734 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）19-0067-02

1 问题的提出

某发电公司共装设四台抽水蓄能机组，1997年6月投入运行。蓄能泵作为三机式抽水蓄能机组的抽水部件，通过齿轮联轴器实现与发电（电动）机组的同轴系联接，进行抽水工况运行。该公司电站是某孤网运行的主力电厂，也是海拔最高的抽水蓄能电站。由于系统没有富余电力不能进行抽水，因此该站四台机组的蓄能泵长期处于备用状态。2011年实现联网，孤网运行的历史结束。2013年5月开始，该站机组先后恢复抽水工况运行。抽水工况运行中我们发现，机组稳定性降低，各项运行参数如瓦温、振动和摆度等出现不同程度的异常。为此，我们对2号蓄能泵进行了分解，检修中发现2号蓄能泵1-6级叶轮出水边附近上冠平面出现了不同程度的破坏，为蜂窝状，其部位接近叶片与其结合处；从破坏形态看与空腔汽蚀极为相似。见图1、图2、图3。

2 问题原因查找与分析

水泵或反击式水轮机在运行时，转轮出口和尾水管进口处往往形成负压，当压力降低到小于汽化压力时，水就沸腾汽化，在水流中产生许多汽泡，气泡随着水流移动到压力较高处，便骤然消失。在此瞬间，水流质点以高速度向气泡中心撞击，水流质点这种高速度的碰撞会引起水压力的增高（有时达几十到几百个大气压），然后被强烈碰撞而压缩的水流质点，又向相反的方向扩散，从而造成气泡处的压力急骤降低。这样就形成汽泡中心的压力，在一段时间内周期性的波动。

当汽泡的产生和消失发生在固体表面时，水流质点高速度的周期性冲击象锐利的刀尖一样剧烈地打击着固体表面，造成固体表面的机械破坏，如果固体表面粗糙，则更严重。

汽泡受压缩时，由于体积缩小而温度升高，再加上水流质点相互高速度的撞击和对固体的撞击也产生热量；实验证明，当汽泡凝结时，所引起的局部温升可达300℃左右，使得冷热固体形成了热电偶，彼此间产生了电流。

蓄能泵是在运转特性曲线高效稳定区域范围内运行的。运行时摆动、振动和噪音在设计标准范围内，叶轮进水边后侧部位没有汽蚀，蓄能泵吸入高程也满足要求。因此，蓄能泵水力设计基本合理。

蓄能泵安装后闲置16年多，叶轮长期在密闭潮湿偏碱性的环境中。叶片材质选用不当或制造工艺上存在缺陷，氧化锈蚀将大大降低机械性能和表面强度。这是导致汽蚀较快发生的主要内因。

下库水源取自雅鲁藏布江，经沉砂池沉淀后由专门水泵供水。水质中含沙量偏大，下库蓄水池偏小；尤其连续抽水或多台机组同时进行抽水时，很难保证较好的沉沙效果。2013年5月22日，2#蓄能泵进行了连续12小时的抽水试验。从试验数据看，水体含沙量在7.5g/m3～11.8g/m3之间，平均含沙量为9.0g/m3（取样位置位于沉沙池出口），蓄能泵生产厂家要求的汛期平均含砂量为0.1g/m3。泥砂含量偏大导致了泵轮叶片的磨损加剧，并加速了汽蚀的破坏。

蓄能泵的叶轮出水边附近上冠平面出现不同程度的蜂窝状破坏，这正是磨蚀和汽蚀共同作用结果。由于该部位压力大，且线速度高，泥沙的冲击使上冠局部组织产生脱离而生成凹点，而凹点的产生加大了空腔汽蚀产生的可能。磨蚀和汽蚀交替同时产生，彼此恶性循环，二者同时作用破坏很大。

综上所述，泥砂含量偏大，叶片抗磨性能较差，磨蚀造成叶片强度降低，是导致汽蚀加剧的主要原因。虽然材料G-X5CrNi13.4在高水头水轮机转轮和水泵叶轮上使用较多；但应提高其抗氧化性能；根据机组高水头、高转速的运行参数，多泥砂、偏碱性的运行环境，提高和改善耐磨性能。

3 问题的解决与处理

2号蓄能泵叶轮修复工作，力求保证修复后的叶轮不变形，流线尺寸与原来一致，提高叶轮的抗磨蚀性能。

方案一是利用环氧树脂、固化剂加金刚砂或石英砂调和进行修补的方法，实施后不能达到理想效果，予以排除。方案二计划采用高速火焰喷涂（HVOF）技术对汽蚀部分进行填充覆盖；由于蓄能泵叶轮包括三次抛物线形的9个叶片（Cubically bent vanes），加工时在进口及出口区域，利用样板磨削到准确的形状；其叶轮流道小，无法顺利进行高速火焰喷涂；其流道尺寸修复十分困难。由于现场不具备施工条件而无法实施。

方案三是使用Resto高分子复合陶瓷材料进行修复方案。Resto高分子复合陶瓷材料主要由高硬度的碳化硅、氧化铝等无机材料和耐腐蚀高分子有机材料以及抗冲击材料、纳米复合反应组成。与金属材料粘接牢固，提供极高的耐磨性、抗冲击性等性能。资料表明Resto高分子复合陶瓷材料耐磨性能比耐磨合金钢好2-10倍，比其它耐磨涂层产品保护的效果要好4-10倍。同时该修复方案对流道尺寸和形状的改变极小，流道修复容易。我们采用了Resto高分子复合陶瓷材料对叶轮叶片进行修复。

施工过程中对主要工艺进行了控制：

叶轮的整个流道表面进行喷砂处理，使流道表面产生一定粗糙度。采用Resto primer CR陶瓷底涂，对整个流道表面进行底涂处理，增加修补材料和光滑涂层与金属材料结合力。使用Resto Sic Fine Bead小颗粒碳化硅对磨蚀缺口及周边部位进行修补，修复后进行局部流道尺寸检查，打磨或修补。修补材料采用Resto Sic Putty，流道高点使用刮刀进行钳工修复。使用Resto Sic brushable形成光滑涂层，恢复流道部件尺寸，保证叶轮整体尺寸与原来完全一致。对每个修补叶轮进行动平衡试验；合格后，对整个流道表面进行节能陶瓷涂层处理，以减少流道部件粗糙度，节能陶瓷涂层材料为Ceram-Coat。

进一步改造下库沉砂池，增加库容，改进沉砂措施，以降低泥砂含量。对于该蓄能泵长期闲置氧化锈蚀情况，后续安排其余三台蓄能泵进行大修处理。

4 结语

泥砂含量大，叶片抗磨性能较差，是2号蓄能泵汽蚀的主要原因。蓄能泵叶轮材质的选取和改进应根据机组的不同运行环境和系统要求，综合考虑的抗氧化性能、耐磨性能和抗汽蚀能力。从实际运行情况来看，2号蓄能泵取得了明显的改善。endprint