超音速火焰噴涂工藝在西溪河流域電站水輪機(jī)防護(hù)中應(yīng)用及推廣

馬文波

[摘? ? 要 ]本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了過(guò)流部件的汽蝕磨損是高水頭、高泥沙、高轉(zhuǎn)速水輪輪機(jī)在運(yùn)行中普遍存在的主要問(wèn)題。聯(lián)補(bǔ)電站1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組在2017年首次A級(jí)檢修時(shí)，過(guò)流部件磨損氣蝕十分嚴(yán)重，將過(guò)流部件返廠進(jìn)行修復(fù)，在對(duì)轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)氣蝕磨損嚴(yán)重部位實(shí)施補(bǔ)焊、調(diào)整、找平、拋光處理。修補(bǔ)完成后采用超音速火焰噴涂技術(shù)以增強(qiáng)設(shè)備抗氣蝕磨損性能。經(jīng)過(guò)3年運(yùn)行情況檢查分析，噴涂效果非常顯著，活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)噴涂層牢固無(wú)脫落。此次超音速火焰噴涂工藝的成功應(yīng)用，提高了機(jī)組設(shè)備抗氣蝕磨損的性能，有利于主機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，并將這種新工藝在流域其它機(jī)組進(jìn)行了推廣。

[關(guān)鍵詞]過(guò)流部件;氣蝕磨損;超音速火焰噴涂工藝;運(yùn)行效果

[中圖分類(lèi)號(hào)]O657.3;TG174.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]The cavitation wear of flow passage components is a common problem in the operation of high head， high sediment and high speed turbine. During the first A-level maintenance in 2017， the flow passage parts of No.1 hydro generator unit of Lianbu power station were seriously worn and cavitation erosion was very serious. The flow passage parts were returned to the factory for repair. Repair welding， adjustment， leveling and polishing were carried out on the runner， guide vane， top cover and bottom ring with serious cavitation wear. After the repair， the HVOF spraying technology was used to enhance the cavitation wear resistance of the equipment. After 3 years of operation inspection and analysis， the spraying effect is very remarkable， and the spraying layer of movable guide vane， top cover and bottom ring is firm without falling off. The successful application of the HVOF spraying process has improved the anti cavitation wear performance of the unit equipment， which is conducive to the safe and stable operation of the main unit. This new process has been popularized in other units in the basin.

[Keywords]flow passage parts; cavitation wear; HVOF spraying process; operation effect

1 電站概況

四川華電西溪河水電開(kāi)發(fā)有限公司位于四川省涼山州境內(nèi)，聯(lián)補(bǔ)電站是流域規(guī)劃設(shè)計(jì)“兩庫(kù)”“五級(jí)”的第三級(jí)引水式電站。設(shè)計(jì)安裝兩臺(tái)由通用電氣亞洲水電設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)130 MW。于2009年雙機(jī)投產(chǎn)發(fā)電。水輪機(jī)型號(hào)：HL（E）—LJ—215B型水輪機(jī)，額定轉(zhuǎn)速600r/min。設(shè)計(jì)水頭：416.9 m，最大水頭457.2 m。流域自然環(huán)境條件較差，水質(zhì)特性不好。流域水質(zhì)年平均過(guò)機(jī)含砂量：0.200 kg/m3，汛期最大過(guò)機(jī)含沙量：5.530 kg/m3。導(dǎo)致各種過(guò)流設(shè)備運(yùn)行環(huán)境十分惡劣。

2 水輪機(jī)過(guò)流部件氣蝕磨損破壞機(jī)理

2.1 沙粒磨損破壞

沙粒磨損過(guò)程屬于復(fù)合磨損，即變形磨損與微切削磨損的復(fù)合作用。具有一定沖擊動(dòng)能的沙粒沖擊材料表面時(shí)，在接觸點(diǎn)處首先產(chǎn)生彈性變形，然后水流流態(tài)改變，最后形成沖擊“凹坑”。這一過(guò)程稱之為變形磨損。如果尖角堅(jiān)硬的沙粒以小角度方向撞擊材料表面。而以角與材料表面接觸時(shí)，接觸點(diǎn)很小的面積將集中很大的壓力，沖擊壓力的垂直分量將使沙粒人材料表面。同時(shí)沖擊沙粒在小沖角下有較大的剪切動(dòng)能分量，將使其沿著大致平行于材料表面方向移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)便切出一定數(shù)量的微體積材料，這一過(guò)程稱為微切削磨損。當(dāng)過(guò)流部件表面被切削磨損后，表面的磨痕相當(dāng)于局部阻力結(jié)構(gòu)，繼而引起繼發(fā)局部漩搦，漩渦區(qū)沙粒獲得附加動(dòng)能，使磨損加劇，并形成與漩渦尺度相適應(yīng)的“波紋狀磨損”。

2.2 氣蝕破壞

氣蝕破壞是指在低壓流動(dòng)的液體中，溶解的氣體或蒸發(fā)的氣體潰滅時(shí)對(duì)材料表面形成高壓細(xì)射流沖擊所造成的破壞。氣蝕主要表現(xiàn)磨蝕面為針孔、麻面、海棉狀、無(wú)方向性，嚴(yán)重時(shí)過(guò)流部件很快被破壞失效。在水輪機(jī)流道中經(jīng)常產(chǎn)生旋渦與遇到脫流現(xiàn)象，由于旋渦中心壓力低所以容易發(fā)生氣蝕;脫流引起水流紊亂擾動(dòng)，水流與過(guò)流部件表面不再是順流，而是有一定夾角的沖擊流，水流的局部損失加大，比壓能降低，產(chǎn)生氣蝕磨損，脫流還引起水流流速的加快，叉加速了磨蝕。

2.3 沙粒磨損與氣蝕聯(lián)合作用破壞

從磨蝕表面觀察表明，以含沙水流作為工作介質(zhì)的水輪機(jī)，過(guò)流部件的磨蝕一般情況下既沒(méi)有單純的沖蝕磨損，也沒(méi)有單純的氣蝕破壞。在氣蝕破壞區(qū)域，含沙水流會(huì)對(duì)過(guò)流部件造成更為嚴(yán)重的破壞。同時(shí)，含沙水流又引起氣蝕范圍的擴(kuò)大和程度的加劇，兩者的聯(lián)合作用，加劇了對(duì)過(guò)流部件的材料破壞。

3 聯(lián)補(bǔ)電站2017年1號(hào)機(jī)A修前過(guò)流部件實(shí)際氣蝕磨損狀況

3.1 活動(dòng)導(dǎo)葉氣蝕磨損狀況

聯(lián)補(bǔ)電站水輪機(jī)的活動(dòng)導(dǎo)葉，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮到西溪河流域的水質(zhì)特點(diǎn)，采用電渣熔鑄工藝鑄造，材料選用耐磨性良好的不銹ZG06Cr16Ni5Mo。但是，從聯(lián)補(bǔ)電站每次汛末過(guò)流部件檢查以及2017年首次A級(jí)檢修時(shí)拆機(jī)的情況來(lái)看，活動(dòng)導(dǎo)葉的氣蝕磨損情況仍然十分嚴(yán)重，如圖1所示。

活動(dòng)導(dǎo)葉上下端面好像是用火焊切割的一樣，大面積形成了深度為5～10 mm波浪形的沖刷“溝槽”。根據(jù)材料的氣蝕磨損破壞機(jī)理，造成這種狀況主要原因有變形磨損和微切削磨損兩種。當(dāng)過(guò)流部件表面被切削磨損后，表面的磨痕相當(dāng)于局部阻力結(jié)構(gòu)，繼而引起繼發(fā)局部漩搦，漩渦區(qū)沙粒獲得附加動(dòng)能，使磨損加劇，并形成與漩渦尺度相適應(yīng)的“波紋狀磨損”。在活動(dòng)導(dǎo)葉背面的氣蝕磨損情況如圖1所示。形成了大量的蜂窩狀組織，活動(dòng)導(dǎo)葉背面在機(jī)組運(yùn)行中屬于低壓區(qū)，水流很容易產(chǎn)生氣泡、渦帶，水輪機(jī)過(guò)流部件容易受到氣蝕的破壞，表面組織破壞狀況與氣蝕破壞特征相近。

3.2 頂蓋與底環(huán)氣蝕磨損狀況

聯(lián)補(bǔ)電站頂蓋與底環(huán)設(shè)計(jì)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，頂蓋與底環(huán)過(guò)流表面設(shè)有不銹鋼材料抗磨層，具有較好的抗擊氣蝕磨損的能力。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間在西溪河流域這種高含沙量的水流中運(yùn)行后，氣蝕磨損狀況還是比較嚴(yán)重，如圖2所示。

通過(guò)對(duì)頂蓋過(guò)流面氣蝕磨損狀況觀察，主要是以“凹坑”、“溝槽”為主，檢查發(fā)現(xiàn)最大沖刷“溝槽”深度超過(guò)10 mm。底環(huán)的氣蝕磨損更為嚴(yán)重一些，活動(dòng)導(dǎo)葉軸孔周?chē)霈F(xiàn)了大量波紋狀“溝槽”及魚(yú)鱗狀“凹坑”，有的地方已經(jīng)穿過(guò)了抗磨層對(duì)基材已有一定破壞損傷。從頂蓋與底環(huán)過(guò)流表面材料損傷破壞的實(shí)際形狀來(lái)看，與沙粒磨損的破壞特征相近，更大可能是沙粒磨損與氣蝕破壞聯(lián)合作用的結(jié)果。

3.3 轉(zhuǎn)輪氣蝕磨損狀況

聯(lián)補(bǔ)電站轉(zhuǎn)輪葉片為15+15帶X形的長(zhǎng)短葉片，在（a）設(shè)計(jì)制造時(shí)已考慮到西溪河流域的水質(zhì)特點(diǎn)，采用耐磨的0Cr16NI5Mo不銹鋼板熱壓。2017年A修拆機(jī)時(shí)實(shí)際氣蝕磨損情況如圖3所示：

葉片進(jìn)水邊存在有少量沖刷溝槽及凹坑，最深為6 mm，在轉(zhuǎn)輪下環(huán)沿著葉片邊緣，存在局部氣蝕磨損情況，有少量沖刷“溝槽”及“凹坑”，最深為5 mm。轉(zhuǎn)輪上冠表面整體光滑平整，葉片出水邊通過(guò)用葉片標(biāo)準(zhǔn)樣板測(cè)量，平均磨損厚度低于20%，葉片表面整體光滑。從總的情況來(lái)看，聯(lián)補(bǔ)電站1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕磨損情況比較輕微。象聯(lián)補(bǔ)電站這種高轉(zhuǎn)速、高水頭的機(jī)組轉(zhuǎn)輪，在這西溪河流域這種高泥沙含量的種惡劣環(huán)境工況下，運(yùn)行了8年以后能保持這種狀況確實(shí)難得。說(shuō)明在防止水輪機(jī)過(guò)流部件氣蝕磨損問(wèn)題上，對(duì)于機(jī)組的選型、選材以及設(shè)備加工制造工藝有直接關(guān)系，從各方面提高設(shè)備自身抗氣蝕磨損性能對(duì)于防止水輪機(jī)過(guò)流部件氣蝕磨損破壞非常關(guān)鍵。

4 過(guò)流部件氣蝕磨損破壞給機(jī)組造成的實(shí)際影響

水輪機(jī)過(guò)流部件的氣蝕嚴(yán)重威脅了機(jī)組的安全穩(wěn)定性，它不僅使水輪機(jī)的工作效率降低，而且造成材料破壞，威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。特別是對(duì)于一些高水頭混流式機(jī)組來(lái)說(shuō)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的氣蝕磨損后造成機(jī)組導(dǎo)葉間隙增大，漏水量增加，直接會(huì)導(dǎo)致機(jī)組開(kāi)停機(jī)困難，甚至?xí)斐蓹C(jī)組超速和推力瓦燒毀事故。聯(lián)補(bǔ)電站兩臺(tái)機(jī)機(jī)組在A修前幾年，正是由于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)氣蝕磨損破壞嚴(yán)重，導(dǎo)葉端面間隙嚴(yán)重超標(biāo)，機(jī)組漏水增大。導(dǎo)致每次開(kāi)機(jī)時(shí)只要進(jìn)水球閥（主閥）稍微開(kāi)一點(diǎn)，機(jī)組就會(huì)墮走，經(jīng)常造成開(kāi)機(jī)流程中斷，無(wú)法長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)機(jī)。停機(jī)時(shí)在球閥沒(méi)有完全全關(guān)情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速很難下降。有幾次在停機(jī)過(guò)程中，由于球閥工作密封位置信號(hào)原因，球閥關(guān)閉后工作密封沒(méi)有自動(dòng)投入，機(jī)組轉(zhuǎn)速一直在加閘轉(zhuǎn)速以上墮走，機(jī)組無(wú)法自動(dòng)加閘，險(xiǎn)些造成推力瓦燒毀的嚴(yán)重事故。

5 新型噴涂工藝的應(yīng)用

5.1 抗氣蝕磨損方案的選擇

聯(lián)補(bǔ)電站兩臺(tái)機(jī)組在每次汛末過(guò)流部件檢查時(shí)就發(fā)現(xiàn)氣蝕磨損破壞情況十分嚴(yán)重，尤其是到后期氣蝕磨損破壞速度越來(lái)越快。為了延長(zhǎng)檢修周期，保證機(jī)組A修后過(guò)流部件具有更好抗氣蝕磨損性能，公司組織了各級(jí)技術(shù)人員進(jìn)行專題討論，成立了技術(shù)攻關(guān)小組。雖然在水電行業(yè)中已有很多關(guān)于一些水輪機(jī)過(guò)流部件采用各種先進(jìn)工藝進(jìn)行防護(hù)的經(jīng)驗(yàn)介紹，確定在水輪機(jī)過(guò)流部件防護(hù)中利用碳化鎢粉末噴涂技術(shù)也很成熟，并且在其它電站也有采用的成功案例，但在四川華電系統(tǒng)水電領(lǐng)域還沒(méi)有成功經(jīng)驗(yàn)借鑒，特別是像我們西溪河流域這種水質(zhì)情況，并且聯(lián)補(bǔ)電站又是屬于高水頭、高轉(zhuǎn)速機(jī)組，到底采用哪種防護(hù)方案更為合理，大家當(dāng)時(shí)還是有點(diǎn)糾結(jié)。通過(guò)各種渠道收資、論證、調(diào)研，并到德陽(yáng)廠家進(jìn)行了實(shí)地考察，最終確定使用超音速火焰噴涂碳化鎢粉末工藝。

5.2 超音速火焰噴涂工藝介紹

超音速火焰噴涂是利用特殊設(shè)計(jì)的噴槍，并采用高壓和高能燃料，使噴涂的粉末粒子以高速度噴涂到工件表面而形成結(jié)合強(qiáng)度高和致密涂層的熱噴涂技術(shù)。采用高速火焰噴涂工藝的涂層具有與基體結(jié)合強(qiáng)度高、孔隙率低、材料氧化少，涂層近乎鑄態(tài)組織的特點(diǎn)。與熱噴熔與堆焊工藝方法相比，它不會(huì)使工件產(chǎn)生明顯的熱變形，基體材料的組織結(jié)構(gòu)不受影響，對(duì)于同種材料，它比等離子噴涂層的汽蝕率要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。目前高速火焰噴涂工藝作為抗汽蝕防護(hù)涂層應(yīng)用到水力機(jī)械表面取得了較好的防護(hù)效果。但由于涂層中不可避免的存在顯微空穴，使微裂紋易在這些空穴處產(chǎn)生，在較大外力沖擊時(shí)，涂層易破壞。使用這種工藝的設(shè)備在安裝調(diào)試時(shí)要特別小心，要避免設(shè)備在吊裝過(guò)程發(fā)生碰撞，不允許使用硬質(zhì)工具直接敲擊。

6 聯(lián)補(bǔ)電站過(guò)流部件采用超音速火焰噴涂工藝后設(shè)備運(yùn)行狀況

6.1 噴涂區(qū)域

聯(lián)補(bǔ)電站在2017年底1號(hào)機(jī)A修中，對(duì)過(guò)流部件采用超音速火焰噴涂工藝防護(hù)的區(qū)域，主要針對(duì)在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的氣蝕磨損破壞特別嚴(yán)重中的幾個(gè)部位，根據(jù)聯(lián)補(bǔ)電站實(shí)際情況，最后公司確定以頂蓋、底環(huán)過(guò)流面抗磨層和活動(dòng)導(dǎo)除軸柄之外工作面作為計(jì)劃噴涂區(qū)域。碳化鎢粉末涂層厚度：0.20～0.25 mm。噴涂完成后驗(yàn)收合格，噴涂后涂層外觀顏色均勻，涂層無(wú)剝落、起皮等缺陷。

6.2 噴涂后的運(yùn)行效果

聯(lián)補(bǔ)電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)過(guò)流面采用超音速火焰噴涂工藝后，通過(guò)三年時(shí)間運(yùn)行觀察，證實(shí)防護(hù)效果非常明顯，與地洛電站（西溪河流域下一級(jí)電站）沒(méi)有采用噴涂工藝但運(yùn)行時(shí)間接近的活動(dòng)導(dǎo)葉比較，差別非常明顯。如圖4所示：

聯(lián)補(bǔ)電站活動(dòng)導(dǎo)葉表面以及頂蓋、底環(huán)的過(guò)流面抗磨噴涂層表面光滑完整，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的氣蝕、磨損的痕跡，而地洛電站活動(dòng)導(dǎo)葉，大面積明顯存在“劃痕”、“溝槽”、“凹坑”，特別是左上部“溝槽”深度超過(guò)5 mm，象這種狀況的設(shè)備，在運(yùn)行中氣蝕磨損破壞速度會(huì)急劇升高。通過(guò)聯(lián)補(bǔ)電站1號(hào)機(jī)A修后機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況分析總結(jié)，表明在這次檢修中采用超音速火焰噴涂碳化鎢粉末對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件進(jìn)行防護(hù)方案獲得了成功。在2019西溪河公司將這種超音速火焰噴涂工藝在聯(lián)補(bǔ)電站2號(hào)機(jī)組A修時(shí)進(jìn)行了應(yīng)用推廣，并在1號(hào)機(jī)噴涂區(qū)域的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊的噴涂。

7 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明采用碳化鎢粉末火焰噴涂工藝能夠?qū)λ啓C(jī)過(guò)流部件進(jìn)行有效防護(hù)，通過(guò)噴涂后的設(shè)備表面抗氣蝕、磨蝕性能明顯提高。超音速火焰噴涂工藝在聯(lián)補(bǔ)電站1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)過(guò)流部件的的成功應(yīng)用，為該項(xiàng)技術(shù)在西溪河流域其它機(jī)組上的應(yīng)用推廣積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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