水輪機磨蝕防護技術研究進展

楊 勇，喻 冉，孔令輝

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南省鄭州市 450003；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350）

0 引言

高水頭大流速含沙水流對水力機械過流部位產生不同程度的磨損和空蝕[1-3]，黃河以其高挾沙量聞名，磨蝕問題更加突出。黃河干支流已建的水利工程運行實踐表明，水力機械和水工建筑物長期受泥沙磨損、空化空蝕、腐蝕銹蝕、沖擊振動及耦合作用，過流部位出現了嚴重的破壞，影響了發電或灌溉等效益，增加了運行維護費用，嚴重時還會導致水利工程的運行安全。

針對磨蝕問題，自20世紀70年代，開展了大量機理、測試及防護技術的研究[4-6]，取得了豐碩的成果，積累了豐富的經驗。相關成果在黃河流域、長江流域、新疆、東北以及臺灣等地區得到大力推廣和應用，對解決水利工程的磨蝕問題起到了巨大的作用。

1 常見磨蝕防護技術

水輪機在低壓區會發生空泡現象，空泡潰滅時對水輪機造成的破壞稱為空蝕，流道表面呈現出針孔狀或蜂窩狀破壞特征。如果是含沙水流，泥沙顆粒還會對水輪機造成磨粒磨損，流道表面出現魚鱗坑或溝槽破壞特征。含沙水流過機，往往同時存在空蝕與磨損，流道表面會呈現以上兩種不同的破壞特征。但是當一種破壞強度遠大于另一種時，較弱破壞的特征會被掩蓋。因此，磨蝕在機理上十分復雜。磨蝕破壞的主要危害在于檢修周期縮短、檢修工作量增大、檢修成本高、機組運行效率降低，用于水力機械的磨蝕防護材料或技術主要包括以下幾類：

（1）補焊。這是最常用的修復技術，焊條種類和牌號較多，主要有高奧氏體不銹鋼型[7]（如A102、A132等）、低碳馬氏體不銹鋼型[8]（如0Cr13Ni5MoRe、16-5、17-4系列等）和高鉻鑄鐵型[9]（如耐磨一號、瑞士5006等）。王者昌等[10]將GB1堆焊焊條在水輪機抗磨蝕修復中進行應用，該焊條既具有優異的抗空蝕性能，為A102的21.8倍、低碳Co-Cr-W的3倍，又具有良好的抗磨損性能，為低碳Co-Cr-W的0.93倍、A102的2.31倍，優良的抗磨蝕性能，為1Cr18Ni9Ti的6.7倍、0Cr13Ni5Mo的5.6倍。如果加入適量稀土或微量細化晶粒元素，可使其抗空蝕、磨損和磨蝕性能進一步提高。與單一的金屬材料和陶瓷材料相比，金屬/陶瓷復合材料具有硬度高、耐磨抗高溫耐腐蝕等特點的優良工程材料。Bolelli[11]利用WC10Co4Cr作為噴涂材料，在基材45號鋼上制備涂層，通過耐磨蝕試驗證明，抗磨蝕WC10Co4Cr涂層既有高的硬度、強度來抵抗泥沙磨損，又有好的塑性與沖擊韌性來防御空蝕破壞，能提高實際葉輪的抗磨蝕壽命，取得良好效果。

（2）金屬涂層防護。如金屬熱噴涂[12]、超音速噴涂[13]、等離子噴涂[14]、電鍍等。因具有較高的硬度和彈性模量，較小的熱膨脹系數和優良的化學性能而備受關注。金屬涂層中廣泛使用以WC、TiC等碳化物與金屬Fe、Co、Ni等制成的黏結相合金粉末，其中碳化物相使涂層具有高硬度和耐磨性，黏結相則賦予涂層一定的強度和韌性。抗磨性能好，抗空蝕性能與不銹鋼材料相當。

（3）非金屬涂層防護。如樹脂砂漿類涂層[15]、高分子涂料等。環氧砂漿由環氧樹脂、磨料、固化劑、添加劑等組成，作為一種成本較低的非金屬材料，在水力機械磨蝕修復方面廣泛應用。聚氨酯和高密聚乙烯等工程塑料也分別應用于水輪機磨蝕防護，均取得了較好的效果。

2 熔覆技術及其應用

熔覆技術主要采用激光或電磁能量加熱熔覆材料和基材表面，使所需的抗磨蝕材料熔焊于工件表面的表面改性技術。與傳統噴涂技術比，具有以下特點：一是涂層與基體是冶金結合，結合強度高；二是不僅具有良好的耐磨性能，同時具備良好的韌性，抗空蝕性能好；三是成型質量高，熱變形小。

新疆某引水式水電站，水輪機運行工況較為惡劣，過流部件磨蝕嚴重，活動導葉運行一年后小頭減薄甚至破損。利用釬涂技術，在導葉小頭熔覆鎳基涂層材料，導葉小頭修復后如圖1所示。運行三年，涂層沒有剝落或嚴重損傷。由此可見，熔覆工藝雖然成本較高、操作復雜，但是良好的機械性能也能夠在水輪機的其他過流部位有更廣泛的應用潛力。

圖1 導葉小頭熔覆修復Figure 1 Repair of guide vane tip by cladding

3 聚氨酯材料及其應用

聚氨酯材料品種眾多，經過長期的室內試驗和實際應用，黃河水利科學研究院積累了豐富經驗，遴選出數種耐磨蝕性能優異的聚氨酯材料，改進并提高了其耐撕裂性、耐水性和黏接性能，形成了系列產品，這是在抗磨蝕方面具有代表性的成果。

（1）聚氨酯修復強空蝕破壞區。通過改性助劑和真空澆鑄，突破了與金屬材料界面黏接力低的難題，能夠對水輪機過流強空蝕區進行修復。如牡丹江蓮花水電站是清水水庫，經過多年運行，兩葉片之間靠右側上冠出現空蝕現象。經過補焊技術，可以對空蝕區域進行修補，但補焊工作量大，需要工期較長，影響整個機組大修時間，同時補焊后，上冠采用的合金鋼經過高溫會破壞材料結構，致使其性能受到影響。再者，經過補焊后運行一段時間，上冠會再次出現空蝕現象，隨著時間延長，空蝕區域擴大速度呈爆發式增長。2014年上冠空蝕區長度為70cm，2015年空蝕區長度增加到120cm，如圖2（a）所示。

由于上述原因，本次采用改性氧化石墨烯/聚氨酯復合涂層技術對蓮花廠水輪機轉輪上冠強空蝕破壞區域進行處理，效果如圖2（b）所示。歷經4個大修周期后，修復效果如圖2（c）所示。可以看出，除少量復合樹脂砂漿被磨掉外，聚氨酯復合涂層幾乎未受到任何破壞，仍能夠起到很好的保護作用，這是目前國內外抗空蝕修復效果最好的案例。

圖2 水輪機上冠空蝕修復Figure2 Repair of cavitation erosion in upper crown of hydraulic turbine

（2）研制多種鋼塑復合（聚氨酯+不銹鋼）抗磨蝕零部件，應用于水力機械，性能優異[16]。圖3導葉大頭嵌入安裝的是鋼塑密封板，中間突起與導葉小頭搭接形成軟硬結合密封面，有效解決了漏水和磨損問題，多個水電站多年運行實踐表明，這是目前應用效果最好的導葉密封技術。圖4是鋼塑底環抗磨板，高含沙水庫應用表明，抗磨效果優于不銹鋼抗磨板。

圖3 鋼塑導葉密封板Figure3 Steel plastic guide vane sealing plate

圖4 鋼塑底環抗磨板Figure4 Steel plastic bottom ring wear plate

4 綜合防護技術及其應用

4.1 綜合防護措施

水輪機的全壽命周期管理包括采購、使用、維修、報廢等一系列過程，水電站往往根據使用工況，設計合理的維修策略（事后維修、預防維修、點檢、視情維修、狀態維修、機會維修等），確定維修時間和維修目的。

單一技術無法滿足惡劣工況下的抗磨蝕要求，甚至在同一過流部件單一技術也很難解決磨蝕問題。因此，需要在設備（設施）的全壽命周期的不同階段，針對具體部位和工況，基于對破壞機理、性能試驗、應用效果的深刻理解，設計合適的材料（焊條、砂漿類涂層、橡膠類涂層、鋼塑復合材料、金屬涂層等）、結構和工藝，提供高性價比的綜合防護措施，以達到維修目的。

4.2 水輪機導水機構綜合防護案例

新疆某引水電站，含沙量大、沙質硬，水輪機磨蝕嚴重，導致漏水量增大且機組出力下降。轉輪、活動導葉以及底環抗磨板破壞嚴重，如圖5所示，每年需要大修，維修工作量大。

圖5 底環抗磨板和活動導葉破壞Figure5 Failure of bottom ring wear plate and movable guide vane

對此，綜合防護措施設計如下：①轉輪修復。轉輪工況最為惡劣，采用補焊和超音速噴涂進行防護。②活動導葉修復。活動導葉立面采用復合樹脂砂漿抵抗泥沙磨損；在大頭搭接處，采用鋼塑復合立面密封板；在小頭搭接處，采用超音速噴涂進行處理。搭接處形成軟硬材料接觸，能夠達到更好的密封效果。③抗磨板采用鋼塑復合材料，內圈密封環進行超音速噴涂處理，增強抗磨能力。

目前采用兩年一個維修周期，一年大修一年小修；活動導葉及抗磨板報廢期由2年提高到4年。 運行實踐表明，機組導水機構抗磨蝕性能得到明顯提高，維修工作量大為減少。

5 結束語

水輪機磨蝕問題是電站運行和工程設計必須考慮的問題之一，近些年來金屬熔覆技術和抗撕裂聚氨酯材料等取得了較大進展，有效提高了水輪機抗磨蝕性能，未來具有良好的應用潛力。單一技術無法解決水輪機磨蝕修復問題，必須針對不同過流部位設計綜合防護措施，并且解決方案的有效性和先進性需要在運行實踐中檢驗。