水輪機熱噴涂抗磨防汽蝕技術的應用與探討

一、問題的提出

水輪機汽蝕問題一直長期威脅著水力發電機組的安全穩定運行。水輪機汽蝕隨著不同的運行工況、不同效率區、不同水頭變化而變化。伴隨著水流中泥沙對轉輪的磨損，加劇了水輪機的損耗。雖然采取了防止和減少汽蝕的措施，但對于大多數機組來說，水輪機用于汽蝕修理的費用頗多，并且壽命較低，一些機組在運行十余年左右已經更換轉輪或使用備用轉輪了。然而，熱噴涂技術已經發展成熟，在水輪機抗磨防汽蝕方面得到應用并具有廣闊的前景。

二、熱噴涂技術

熱噴涂技術屬于表面工程學的范疇，材料表面強化和表面改性的新技術。它是利用某種熱源將涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態，同時借助于焰流或高速氣體將其霧化，并推動這些霧化后的粒子噴射到基體表面，沉積成具有某種功能的涂層。它可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。

熱噴涂技術是在1908年由瑞士的schoop博士發明進行噴涂試驗的。1981年在首屆熱噴涂(焊)技術交流推廣會后，我國的熱噴涂技術迅速發展，在我國的各工業領域得到廣泛應用。

1995開始，在西藏羊湖電站機組裝機中，先后對部分機組的部分部件進行了熱噴涂處理。采用的是由METCO開發的熱噴涂技術，應用的涂層材料是“DLATURB”。這種碳化鎢硬性表面材料，是為了用于水輪機結構而專門開發的。其中主要成分碳化鎢(WC)為黑色六方晶體，硬度與金剛石相近，號稱硬王；為電、熱的良好導體，耐磨損、耐腐蝕、耐高溫。采用高速熱噴涂形成的附加碳化鎢涂層，其最小厚度為0.5mm。這些被噴涂的不銹鋼部件最小硬度為300HB。材質為最小硬度為300HB的GX5CrNil3.4不銹鋼。

三、應用實例

西藏羊湖(羊卓雍湖)電站為抽水蓄能電站，安裝4臺伏伊特公司生產的三機式抽水蓄能機組，1臺哈爾濱電機廠制造的常規機組。單機發電容量22.5Mw，單機抽水流量2.0m3/s。

電站廠房安裝間高程為3604.30m；上庫(羊湖)發電／抽水水位最高4442.58m，平均4440.4m，最低4437.06m；下游最高尾水位(發電)3597.40m。發電工況最大水頭843m，三機同時運行工況最大水頭859.0m，額定水頭816.0m，最小水頭790.0m。水輪機為豎軸、三噴嘴水斗式水輪機，轉速750r/min。水輪機轉輪節圓直徑為1565mm，轉輪最大外徑1956mm；水斗20個，內寬390mm，噴嘴出口直徑140mm，進口直徑420mm，噴嘴出口射流速度126.5m/s。水質總堿度12.4Nmg/1，具有一定腐蝕性。

機組安裝時出于抗汽蝕、抗磨和防腐的考慮和造價控制的要求對下述部件進行了噴涂處理：

與有腐蝕性湖水接觸而未用不銹鋼制造的全部水輪機零部件。

用于三機抽水蓄能的1號及2號機的轉輪、噴嘴口、噴針頭、折向器，采用了抗磨防汽蝕保護。

3號機、4號機的噴針頭及噴嘴口和6套備用的噴針頭及噴嘴口也采用了抗磨防保護。

在設備被噴涂之前，進行預熱和噴砂處理，執行的是DIN55928標準。采用乙炔／氧氣，使用預熱噴燈給設備預熱。使用專門的熔凝氧化鋁(剛玉) (顆粒0.5—1.0mm)，通過可移動的噴砂裝置進行噴砂處理。

設備噴涂采用的是METCO的JD型鉆石牌噴射器，采用的方法是利用高速氧燃料(HVOF)噴涂涂層。該噴涂設備使用方便，設備的部件是可移動的。直徑100mm及以上且長度大于50mm的長內腔，可通過噴槍延長的方法進行噴涂；直徑與長度比約1:1的內腔可用DJ型噴槍噴涂涂層。對于旋轉對稱的幾何結構部件，使用特制的翻身轉動裝置。需要在特殊部位噴涂的水輪機轉輪、導葉和類似部件，夾緊在用手易于移動的裝置中。

在噴涂過程中，使用有溫度探針的溫度測量裝置監測涂層的溫度。根據噴涂層厚度的增加量，借助厚度測量裝置進行監測。涂層允許粗糙度用粗糙度測量裝置進行檢測。

最后處理，使用金剛石砂輪進行濕磨；使用特制磨料干磨。這些磨料由METCO提供。

羊湖電廠為拉薩電網的主力電廠，承擔著全網60~70％的電力負荷，每臺機組的年平均運行小時數均在6000小時以上，尤其在10月~4月間，日平均運行均在21小時以上。從1997年運行投產以來，至2004年轉輪汽蝕磨損輕微，但沒有噴涂的3、4#轉輪相繼發生汽蝕。5號機組為國產轉輪，2004年投入運行，一年后就發生汽蝕，并且較為嚴重。噴涂的1#、2#轉輪2007年底涂屢局部脫落，至2008年底，有擴大趨勢，但汽蝕基本沒有，隨著涂層的脫落，汽蝕將會產生。目前羊湖電廠機組定期汽蝕檢查處理的間隔為，1#、2#機組每1000小時，3#、4#機組500小時、5#機組250小時，可見檢修維護量之大。

實際應用表明，碳化鎢涂層至少在10年內有效防止汽蝕的破壞和磨損，同時也發現國產與國外轉輪材質和加工工藝的不同，對汽蝕也會產生不同的效果。

四、效果分析與探討

通過熱噴涂技術在轉輪抗汽蝕耐磨的應用，我們發現具有如下優點：

1、不受或很少受零件的尺寸大小及形狀條件的限制。

2、被噴涂的部件表面受熱的影響較小，不易變形。

3、工藝操作程序簡單，效率高。

4、涂層的厚度容易控制。

5、能夠使普通材料獲得特殊的表面機械性能。

6、成本低，經濟效益顯著。

水力發電機組水輪機防汽蝕抗磨的實際情況看，由于早期投產的轉輪材質和加工工藝的問題，汽蝕和磨損較為嚴重，直接影響著機組的安全穩定運行。黃河流域電站的水輪機汽蝕磨損嚴重，檢修維護費用巨大，一些水廠在運行十年后，相繼加工更換備用轉輪。例如松花江流域的白山電廠，1985年投產，盡管江水泥砂含量較少，但在2008年也已陸續對轉輪進行更換，耗資巨大。

噴涂的良好抗磨防汽蝕效果，并且具有很好的經濟效益比，從羊湖電廠的應用也證明了這一點。我們可以在水輪機轉輪、導葉、尾水管、轉輪室、葉片等易于磨損和發生汽蝕的部位進行局部噴涂或整體噴涂，獲得較高經濟效益的同時，保證機組的安全穩定運行，延長機組的檢修周期。