李永红，郭旭东，温佩佩，卢 彬，徐 桅

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 概述

张河湾抽水蓄能电站位于太行山深处井陉县境内，距石家庄市（负荷中心）直线距离为 52 km，公路里程77 km，装机总容量为100万kW，安装4台25万kW的单级混流可逆式机组，以一回500 kV线路接入河北南部电网。承担电网的调峰、填谷、事故备用等任务，起到十分重要的作用。

张河湾抽水蓄能电站机组的额定水头为305 m，每台机组均为20个固定导叶，高度约为0.46 m，表面覆盖防腐漆。

2 水泵水轮机汽蚀情况

张河湾抽水蓄能电站3号、4号机组运行至今，固定导叶上下端面、立面端面、立面密封附近、以及在顶盖、底环和活动导叶背部区域有较明显的汽蚀现象，如图1～图4。

图1 固定导叶立面端面

图2 固定导叶上下端面

图3 活动导叶背面

图4 底环

3 汽蚀原因分析

汽蚀是水工建筑和水力机械运行过程中普遍存在的一种破坏形式，它属于磨损腐蚀的一种特殊形式，是由于过流部件附近的气泡剧烈溃灭瞬间产生的高压冲击波或高速微射流，高频进攻过流部件外表面，在材料外表面局部发生较大的塑性形变，致使材料表面产生破碎，形成蚀坑并裸露出新的基材。随着空蚀时间增加，蚀坑逐渐增大增深，当蚀坑扩展到一定程度后，过流部件就会发生断裂。

3.1 材料汽蚀破坏机理

由于汽蚀涉及流动条件、机械力、材料冶金与电化学交互作用等方面。材料表面产生空化导致破坏的主要有机械作用、化学腐蚀作用、电化学作用和热力作用等。

3.2 空蚀的类型

水在水轮机过道中的流动是极其复杂的，空化现象可以出现在不同部位，在不同条件下形成空化初生，根据汽蚀发生的条件和部位的不同，可将汽蚀分为翼型汽蚀、间隙汽蚀、局部汽蚀、空腔汽蚀和局部空蚀5种。

综合上述材料汽蚀破坏机理和汽蚀类型分析，固定导叶立面端面、上下端面都属于间隙汽蚀，其破坏同时涉及机械作用、化学腐蚀和电化学腐蚀。由于固定导叶线型的原因，固定导叶出口处（图5中C）的空间会增加，导致此处水流速度存在小幅减小的情况，特别是固定导叶转轮端的端面处（图5中D），会因其水流速度小于周围水流速度而形成负压状态，导致汽蚀现象的产生。在汽蚀作用下，导叶该区域表面的涂层首先被破坏脱落失效，耐腐蚀性较差的导叶碳钢基材裸露，同时受到腐蚀、汽蚀和冲刷的作用，另外与其连接的不锈钢活动导叶因其电位高于固定导叶，会形成电偶腐蚀，加速固定导叶汽蚀破坏区域的腐蚀。

图5 水轮机作用示意图

活动导叶背面的汽蚀应属于翼型汽蚀，主要是由水轮机经常在非最优工况下运行时而引发，其表面的破坏主要是汽蚀过程中的微射流破坏产生，因是不锈钢材质，无腐蚀和电化学腐蚀情况。

4 汽蚀危害

汽蚀缺陷增加了导叶的表面粗糙度、破坏了导叶的线型、增加了水流摩擦阻力，影响了导叶周围应有的绕流条件，使导叶内的能量损失增大，严重影响水轮机的出力和运行效率。同时，导叶表面粗糙度的增大，会对空化的产生形成促进作用，加速其汽蚀、冲刷和磨损腐蚀，长期下去，腐蚀破坏加重，会使机组产生强烈振动、噪音和负荷波动，直接影响机组的运行安全。

5 汽蚀的应对措施

5.1 选择最优化的运行方式

通过多年来运行实践证明，运行工况对汽蚀有一定的影响。水轮发电机组运行过程中，值班人员应定期观察并记录水轮机尾水管真空表上的数值变化，选择最优工况运行，尽量避免水轮机长期在低水头和低负荷状态下运行，以避开汽蚀严重的运行工况区域。同时，要确保顶盖处真空破坏阀和尾水管补气装置完好，便于降低真空压力，破坏真空涡带形成，减轻汽蚀、振动程度。

5.2 及时检修和修补

材料汽蚀破坏的过程可分为3个典型阶段：汽蚀孕育期，汽蚀加速期和汽蚀稳定期。在汽蚀初期进行维护和保养可避免经历汽蚀加速期。另外汽蚀、磨损和化学腐蚀造成的表面粗糙度增加，会对空化的产生形成促进作用，光滑表面可推迟空化发生减少汽蚀。因此，针对易发生汽蚀的部位和已出现的汽蚀缺陷，应及时检修处理，这样既能缩短检修时间，又能提高转轮运行的寿命和运行质量。在日常检修中，采用先进的材料和工艺对表面的腐蚀缺陷及时修复和涂层防护，可避免汽蚀的加速破损，对水轮机过流部件的防护起到事半功倍的效果。SOTO 1131抗汽蚀耐冲刷涂层是一种弹性高分子聚合物材料，能够耗散空泡溃灭时对工件表面的冲击能量和沙粒的动能，起到“以柔克刚”的效果，经过应用试验，对水轮机过流部件的汽蚀区域的防护具有良好的保护效果。

5.3 抗汽蚀涂层

目前抗汽蚀、耐磨损和防腐蚀涂层主要有金属涂层和有机涂层2类。国内在抗汽蚀金属涂层材料的研究与应用方面开展了大量的工作，并取得了较大的进展。如金属表面堆焊奥氏体不锈钢并进行表面重熔改性、热喷涂钴基合金涂层、等离子熔覆高铬铁基合金、表面堆焊钴基合金等，都能在一定程度上提高基材的抗汽蚀性能。但金属涂层的施工工艺难度大、工艺温度较高，容易导致工件产生热变形，施工涂层厚度不易控制，施工后需重新进行机械加工，同时对前处理工艺和设备均具有较高的要求，使现场修复操作难度较大，成本较高，因此未能在水电行业的检修中大规模推广应用。

有机抗汽蚀涂层材料主要有刚性环氧涂层和弹性聚氨酯2类。抗汽蚀、耐磨损和防腐蚀环氧涂层是以环氧树脂为基体，Al2O3、SiO2、SiC等硬质陶瓷粉末增强的一类涂层。环氧树脂是含有2个或2个以上活泼环氧基团的高分子化合物，与氨基固化剂交联固化后，形成产物的分子结构为交联网状结构，赋予其优异的力学性能和化学稳定性，同时分子链中固有的极性羟基和醚键使其与金属具有很高的粘结性。采用硬质陶瓷粉末增强后具有粘接强度大、硬度高、耐冲刷、耐磨损性能好等优点。该涂层在水电站的应用情况表明，涂层对水轮机转轮体、叶片正面等非汽蚀区具有良好的抗沙粒磨损效果，但叶片背面及根部、转轮室中环等强汽蚀区脱落严重，防护效果较差，这主要是由于固化后的环氧树脂基体韧性较差，涂层内应力大，抗汽蚀性能不足，在汽蚀的疲劳破坏作用下，易脆裂脱落而失效，因此不适合在汽蚀破坏严重的场合使用。

有机聚氨酯弹性体涂层能大量吸收空蚀产生的高频冲击能量，同时其力学强度高，耐磨、抗冲刷等性能优良，是优异的抗汽蚀涂层材料。聚氨酯弹性体涂层目前已应用于三门峡、青铜峡、小浪底等水电站的水轮机叶片、导叶、底环和顶盖等过流部件的防护，并取得了良好的抗磨损效果。聚氨酯弹性体涂层的失效案例表明，涂层与基材粘结性和耐高速水流冲刷性能不足是涂层脱落失效的主要原因，因此优化涂层结构设计，改善聚氨酯弹性体涂层的粘接强度和耐高速水流冲刷性能对其在水轮机过流部件表面推广具有重要意义。

5.4 汽蚀修复与涂层防护应用试验

SOTO 1131抗汽蚀耐冲刷涂层、SOTO 9211橡胶底涂剂、SOTO 3112无溶剂环氧涂料的梯度复合防护涂层体系和SOTO 2122金属陶瓷修补材料是硕投（武汉）高分子技术有限公司针对水轮机过流部件的汽蚀修复与防护设计开发。SOTO 1131抗汽蚀耐冲刷涂层为具有优异耐磨性和抗汽蚀性能的无溶剂聚氨酯弹性体涂层，用于面涂层，可有效抵抗汽蚀和泥沙磨蚀破坏；具有高粘接强度的SOTO 3112无溶剂环氧涂料作为底层材料使用，保证涂层体系与基材界面的结合强度；SOTO 9211橡胶底涂剂为高韧性的聚氨酯中间层，与无溶剂环氧和聚氨酯耐磨橡胶均具有化学键合能力，可起到过渡粘接作用，保证涂层的层间结合强度和配套性。由刚性至弹性过渡复合涂层体系的应用，可充分发挥各涂层的优势，有效解决水轮机过流部件的汽蚀、磨损、冲刷和腐蚀问题。

在2018年9月张河湾抽水蓄能电站1号和4号机组检修期间，选用SOTO的修补材料和梯度复合防护涂层体系在2个机组的1～15号固定导叶上进行汽蚀的修复与防护应用试验，汽蚀缺陷经过修复和涂装后，表面平整光滑，其性能及使用效果有待跟踪考察。见图6～图9。

图6 尖部汽蚀

图7 立面汽蚀

图8 第一道修补涂层

图9 第二道无溶剂底涂层

6 结语

汽蚀在水电行业的运行中普遍存在，危害性大。当前由于抽水蓄能行业的机组水头较高，水流流速较快，所以在抽水蓄能的机组中固定导叶、活动导叶、转轮及其他通流部件均容易出现汽蚀，汽蚀的出现将直接导致机组效率下降、振动加剧、噪声加大、水泵水轮机使用寿命缩短，严重时将危及安全运行。水电站应适时采用有效的防护措施进行预防，同时，电站人员应特别关注和研究电站的运行特点，科学管控，合理调度，确保电站安全、经济、可靠、优质运行。