碳化鎢涂層在水輪機過流部件上的應用

史琳元

摘要：本文簡單介紹了碳化鎢涂層防護在水輪機過流部件上應用，其防護優越性表露無遺，11年的運行應用，經過兩次修復，取得了一定的效果，為今后的過流部件抗磨蝕防護工作開拓了思路。

關鍵詞：軸流轉槳式水輪機；過流部件；碳化鎢涂層防護

1.概述

某水電廠有7臺水輪發電機組，由于該水電廠位于黃河中下游，因長期受黃河高泥沙水流的影響，機組磨蝕現象十分嚴重。為解決這一制約發電生產的技術難題，分別在1號、4號和5號機組上進行了38種國內外抗磨蝕材料試驗，取得了一定的成績。并于1999年11月，中德合作對1號水輪發電機組進行了針對特殊水沙條件的技術改造，為解決水輪機的嚴重磨蝕，進行過大量的試驗研究工作，非金屬材料方面，先后用過環氧金剛砂、S80（美國）、聚氨脂橡膠（德國）、熱噴涂尼龍、高分子聚乙烯進行過試驗。改造后的1號發電機組運行安全可靠性和穩定性大大提高，水輪機抗磨蝕性能及機組效率大大提高，單機負荷由原來的50MW提高到60MW。

2.號水輪發電機改造后碳化鎢涂層的主要防護部位

碳化鎢涂層屬金屬陶瓷材料，應用在水輪機轉輪室、葉片正面、背面、頭部及轉輪體等強氣蝕區。根據碳化鎢涂層特性，在改造后的1號水輪機過流部件的以下部位應用碳化鎢涂層進行了防護，即水輪機轉輪室、7個葉片、葉片裙邊、轉輪體及24個導葉的立面密封面均采用碳化鎢涂層防護。

3.碳化鎢層的物理性能

碳化鎢涂層是一種金屬化合物涂料，為金屬陶瓷。在經過底基表面噴砂除銹及表面拋光打磨后，進行無損探傷；對發現的表面缺陷利用氬弧焊技術進行修補，再利用進口砂輪片進行表面拋光打磨除脂除污后，對表面進行活化處理；然后進行控制噴涂，也就是控制基材溫度不超過120°C，每遍涂層厚度不大于12μM，涂層無臺階、脫落及不均勻現象；最后進行滲透保護，即采用專用材料進行涂層表面保護。

該涂層專用于含泥沙河流中，尤其是當含沙量大于0.01 Kg/ m3時的過流表面金屬防護，具體的使用壽命與水流流速，沖擊角，泥沙含量，泥沙類型有關。

4.碳化鎢層的應用及修復

1號機自1999年11月開工改造，到2000年12月投運，至今已運行十多年，并經歷了九個汛期的運行，其碳化鎢涂層的應用修復情況如下：

4.1 檢查情況

2005年汛前對1號機五年汛期運行情況進行了全面檢查， 其結果為上、下轉輪室連接環縫兩側均有碳化鎢涂層脫落現象，在活動導葉7#、8#下方4m長范圍內有大約二十幾片碳化鎢涂層脫落，順水流方向明顯出現條狀局部汽蝕坑（最大長度約100～200mm），最大面積約為5～6cm2，深約5mm，寬度在25mm。轉輪室上部過度圓即底環在24#活動導葉對應的下部有一長近1m寬約260mm的碳化鎢涂層脫落，出現這種現象初步分析認為是由于轉輪室局部凸出，在轉輪運行中該間隙過小夾有物體摩擦引起，其中離底環下部400mm即整個圓周方向間斷存在碳化鎢涂層脫落形成磨蝕亮帶。

2008年汛前對1號機的過流部件進行了全面檢查和修復。葉片頭部邊緣汽蝕破壞嚴重已傷及母材，裙邊破壞呈鋸齒狀且其厚度明顯削薄，葉片背部因汽蝕局部出現碳化鎢涂層脫落現象；中環上部05年5月曾修復過的碳化鎢涂層部分脫落，脫落面積逐年增大；修復后，修復部位以下原涂層破壞加劇，因涂層脫落出現的亮帶區寬度逐年加大，由 06年的150mm已增至300mm。07年進行軟涂層修復葉片裙邊時，因沒有清理干凈粘接在中環上的聚氨酯涂料，破壞了轉輪室流態，造成中環碳化鎢涂層破壞加劇，破壞在中環上呈線狀，沿葉片裙邊型線分布。

4.2 碳化鎢涂層修復

在全面檢查完成后，對1號水輪機過流部件碳化物涂層脫落部分進行了全面、徹底的修復。

4.2.1 修復材料

焊接采用鄭州機械研究所生產的0Cr13Ni5Mo直徑3.2mm焊條和直徑1.2㎜的焊絲；噴涂材料采用美國METCO公司生產的5843粉末材料。

4.2.2修復工藝

將涂層厚度小于0.1mm，或間隔型涂層損壞部位面積已達50%左右的舊涂層，采用涂層表面活化方式進行去除。除塵除污，用工業丙酮除脂清洗。采用磨具將破壞區域打磨使其顯露基礎材料。利用石油液化氣，使用專用噴火加熱工具對補焊區進行預熱。使用紅外測溫儀進行溫度監控，加熱使補焊區溫度達到施焊溫度。利用TIG氬弧焊及直流手弧焊交替焊接，最底層及面層用氬弧焊進行。在施焊過程中，使用紅外測溫儀進行溫度監控，當補焊區溫度達到停焊溫度時停止焊接，補焊區域自然降溫，測量補焊區域溫度，當達到施焊溫度時再進行控溫焊接，直到完成補焊操作。利用磨光、拋光工具進行打磨，使補焊表面與原轉輪型線光滑過渡。拋光表面到▽5。利用PT滲透劑進行檢查，無裂縫及氣孔、砂眼。最后進行表面活化處理，控制噴涂，滲透保護。

4.3 修復后的應用情況

05年中環破壞部位碳化鎢現場噴涂處理，經過一個汛期的發電運行，修復的碳化鎢涂層基本上保留了下來，涂層的厚度修復前后相比也沒有太大的變化，涂層的整體防護效果良好。但在主要的修復區域內仍發現有小塊涂層脫落的現象，其主要原因認為是新噴涂層與原涂層間的粘接強度不夠造成的；另外，對中環汽蝕坑點密集的區域同樣進行了噴涂修復處理，實踐證明效果并不理想，修復的涂層幾乎全部脫落；特別是：在檢查中發現原中環出現的環形亮帶區的下方，又出現了寬約150mm新亮帶區，涂層厚度基本在0～0.25mm之間，并且通過厚度測量發現亮帶區有向下延伸的趨勢，其形成的原因主要還是水輪機磨蝕破壞造成的。

08年1號機過流部件經過碳化鎢現場噴涂處理后，經過一個汛期的發電運行，葉片頭部修復過的碳化鎢涂層保留較好，個別葉片正面進水邊頭部靠外緣側出現局部汽蝕破壞致使碳化鎢涂層脫落。葉片裙邊頭部汛前修復部位存在明顯汽蝕破壞，分析原因認為是受現場條件限制該部位修復時工藝控制較難達標造成的；中環05年基本相同，有明顯汽蝕破壞現象，汛前修復的碳化鎢涂層存在部分脫落。

5.結束語

經過十余年的運行應用，該廠在1號水輪機過流部件上應用碳化鎢涂層的防護及修復取得了一定的成果，特別是在2005和2008年西安宇豐電子機械有限公司兩次對上部轉輪室上、下兩條不同區域的磨蝕亮帶、葉片頭部及裙邊進行了全面修復后，經過多年汛前汛后的檢查，取得較為滿意的結果，除葉片頭部、外緣裙邊有局部脫落外，葉片的其它部位基本完整無損，上下轉輪室由于葉片與轉輪室之間夾帶雜物磨損出現脫落，其它部位基本完好，確實起到了抗磨蝕防護效果，為今后的過流部件抗磨蝕防護工作開拓了思路。