表面涂層技術在水輪機抗磨蝕中的應用及發展

鄭 凱，朱海峰，常 龍，李甲駿

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北省石家莊市 050000）

表面涂層技術在水輪機抗磨蝕中的應用及發展

鄭 凱，朱海峰，常 龍，李甲駿

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北省石家莊市 050000）

本文簡述了水輪機過流面磨蝕的情況及影響因素，著重論述了各種表面涂層技術在水輪機過流面上的抗磨蝕應用情況以及涂層技術在水輪機上的最新應用和發展。

水輪機抗磨蝕；非晶陶瓷涂層；空蝕

0 引言

在水力發電機機組的運行中，運行環境的優劣將對機組設備的運行安全性和穩定性以及使用壽命產生較大影響，其中水輪機的空蝕和磨損影響最大。本文對水輪機磨蝕機理進行了分析，并依此重點對目前各種表面涂層技術在水輪機抗磨蝕的應用和發展進行了論述。

1 我國河流泥沙及其對水力設備的磨損概況

中國河流攜沙量之多在世界幾乎居于首位，黃河、長江的總輸沙量占世界12條大河總輸沙量的34%。黃河是我國泥沙最多的河流，也是世界上少有的多沙河流，它的年輸沙量達16億t，年平均含沙量37.5kg/m3。長江平均年輸沙量僅次于黃河，宜昌站統計平均年輸沙量為5.14億t。遼河流域泥沙主要來自西遼河，例如其太平莊站平均年輸沙量為0.13億t，通遼站的年輸沙量為0.22億t，鐵嶺站年輸沙量為0.48億t。海灤河的官廳站年輸沙量為0.82億t，灤縣站年輸沙量為0.22億t。

我國南方大部分河流含沙量不大，但徑流量大，輸沙量也較大，如珠江流域的西江梧州站年輸沙量為0.72億t，元江年輸沙量為0.36億t，瀾滄江年輸沙量為0.74億t。因此，我國多泥沙河流總量不少，我國水輪機的泥沙磨損問題是相當突出的。水輪機泥沙磨損會使機組運行效率降低導致年發電量減少，一些中小型水輪機磨損后的效率下降可達3%～10%，由于磨損問題水電站不得不縮短大修間隔，增加大修費用及備品費用，磨損嚴重的水輪機，若檢修不及時，機組等效強迫停運率增大，降低了機組等效可用系數及運行靈活性。

為了提高水力機械運行的效率，在設計上正不斷地向低壓值、高比速方向發展，但在多泥沙的河流上，這樣更容易讓水輪機轉輪以及其他流部件的空蝕和磨損變得嚴重，很多水電站的水輪機經過一次汛期或一次攔洪排沙的運行，轉輪就必須大修了。由此，大家意識到單靠流體力學方面的設計去解決空蝕與磨損問題是不現實的，還需要在過流面上采取嘗試更加抗空蝕、抗磨損的表面防護對策。

圖1～圖3為舉例水輪機磨蝕現象。

圖1 葉片邊緣磨蝕最大缺口15cm

圖2 底環磨蝕嚴重最大50mm深坑

圖3 導葉整體磨蝕嚴重失重量達到30%

2 水力設備過流面磨蝕機理及影響因素分析

2.1 空蝕

水輪機空蝕的主要原因是由于過流速度加快之后，在低壓至汽化壓力以下的情況下，水就由液態變為氣態，這種氣穴逐漸成長，到達高壓區后，瞬間的潰滅而出現相當大的沖擊力，在這種力的連續作用下產生空蝕破壞?？瘴g破壞的表征是：金屬表面先被破壞呈針狀小孔、小麻點，以后逐漸發展為灰暗無光澤的海綿狀蜂窩。影響空蝕的主要因素是流體與過流面的相對速度，空蝕與速度的高次方成正比，故高水頭、高參數的水輪機的空蝕程度往往高于低水頭和低流速的水輪機。

2.2 磨損

泥沙磨損的表征是：與沙粒運動方向一致的刮痕、擦傷小溝，以后發展為深溝、波紋、魚鱗坑。如金屬表面已經被空蝕破壞呈蜂窩狀，則泥沙顆粒就極易切削或沖擊海綿狀的粗糙表面擴大損傷。

2.3 空蝕與磨損聯合——磨蝕

如果金屬表面被沙粒刮傷，破壞了表面的光滑，則不光滑的凹凸表面又極容易產生空蝕，這又加劇了刮傷處的破壞，宏觀表現為魚鱗坑和溝槽，如此惡性循環，形成了沙粒與空蝕聯合破壞作用，即磨蝕。在含沙渾水條件下做空蝕失重試驗，1Cr3不銹鋼的失重量比清水純氣蝕條件下增加8～14倍?？梢姡摵献饔孟碌哪ノg其破壞力是驚人的。

2.4 磨損狀態及失效評估

目前缺乏對水輪機磨蝕評價的方法及統一行業標準，有研究人員提出用失效期的方式進行評價，即失效初期、失效中期和失效晚期。失效初期為水輪機的小修期；失效中期是水輪機的大修期；失效晚期是水輪機的報廢期。按磨蝕坑的深度尺寸大小來評估如：3mm以內屬于失效初期，3～5mm屬于失效中期，5～30mm屬于失效晚期。也有按效率降低程度來評價水輪機部件的磨蝕失效的，一般失效率下降8%～10%以上評價為失效晚期，葉片修復性很差，接近報廢。

3 表面涂層防護技術

磨蝕是空蝕和磨損的聯合作用，引起磨蝕的因素是復雜的，除空蝕破壞以外，磨蝕還與砂粒大小、形狀、硬度、泥沙濃度、流速、粒子沖擊方向有關，當然過流面金屬表面的粗糙度、流線型、金屬致密度、彈性模量、硬度也是影響磨蝕發展的影響因素。在空蝕和磨損聯合作用時，當聯合作用時間小于材料的空蝕潛伏期時，這時材料破壞主要為磨損作用，僅與流體速度、含沙量及砂粒形狀、硬度有關；當聯合作用時間顯著超過材料的空蝕潛伏時間時，空蝕作用會變本加厲的增大形成快速破壞。因此表面涂層技術也是致力于通過涂層延長空蝕潛伏時間，推遲滯后空蝕爆發時間的一個有效手段。

3.1 國外水輪機抗磨蝕所做的工作

瑞士是世界上開展水輪機泥沙磨損研究最早的國家，早在20世紀30年代起就開始系統地研究水輪機的抗磨選材，斯坦福先后對300多種金屬材料與非金屬材料及表面硬化、堆焊材料等開展了抗磨對比試驗。近些年，隨著材料科學的進步，對磨損部件的檢修，開始從最早的補焊堆焊耐磨合金保護發展到采用噴鍍技術對易損件的表面進行保護，對混流式水輪機的蝸殼、尾水管等表面采用噴涂聚氨酯進行保護。

法國在20世紀50年代前后開始研究，早年對磨損件的修復，主要采用堆焊E48C或銅鋁合金焊條，磨損嚴重的地方采用挖補耐磨鋼板做防護面。噴針噴嘴還采用過電鍍0.2mm厚的硬鉻。從報道看，法國電力公司比較關心機組的效率，所以往往不等損壞嚴重就設法進行檢修更換。法國在20世紀80年代后更多采用機械手堆焊及噴涂代替人工操作，以便進一步提高檢修質量。

日本在20世紀50年代前后開始展開相關研究，對磨損的機組主要采用耐磨焊條補焊。20世紀70年代曾試用過環氧一類涂料，70年代后開展了各種高合金粉末表面噴涂、噴熔技術，近年來日本在陶瓷、環氧和新型不銹鋼領域逐步開展抗磨蝕改進工作。

俄羅斯在20世紀60～70年代就嘗試對各種非金屬材料進行表面防護，如環氧、聚氨酯、熱噴鍍涂等方法，但目前僅在水泵上得到了一定的應用，還未見在水輪機上推廣使用的信息。

印度近年來水電站的磨損問題也在增多，主要與英國水利工程實驗室合作以等離子噴涂碳化鎢涂層以及環氧涂層為主要手段進行保護。

美國、德國等也使用非金屬材料對水輪機、水泵進行修復，但在我國電站使用中大多迅速脫落。

所以，除了要吸吸取國外經驗外，必須結合國內實際情況，加強國內針對性的研究，才能獲得更好的解決辦法。

3.2 過流面抗磨蝕涂層材料的選用

過流部件的抗磨蝕涂層分為金屬涂層（包括金屬—陶瓷涂層）和非金屬涂層兩大類，通常也被稱為硬涂層和軟涂層。硬涂層包括耐磨焊條堆焊、金屬粉末噴熔、碳化鎢噴涂、鍍硬鉻等；軟涂層包括聚氨酯、環氧金剛砂、復合尼龍、超高分子聚乙烯等。20世紀80年代以來引進的國外磨蝕防護技術也不外乎這兩類。對于金屬涂層，在保持有一定韌性的前提下，硬度越高抗磨蝕性越好。對于非金屬涂層而言，涂層與基體的結合強度決定涂層的成敗，無論哪種涂層，表面光滑度也是涂層設計者需要重點考慮的。人們總結抗磨蝕材料應盡量多地具備以下性能：韌性強；硬度高；材料組織均勻；晶粒細小組織致密；抗拉伸強度高；材料加工硬化性能好；疲勞極限高；彈性材料；腐蝕疲勞極限高；與母材結合強度高等。

為更好地研究磨蝕規律和磨損的預先評估，實現材料的抗磨蝕性能比較和篩選，國內外研究機構開發了各種磨損試驗裝置，例如：攪拌式和刮板式磨損試驗裝置、旋轉間隙式磨損試驗裝置、噴射式磨損試驗裝置、繞流式磨損試驗裝置等。這些試驗研究可以幫助我們獲得一些磨蝕規律認識和定性數據，對耐磨蝕材料的開發選擇是很有意義的。

3.2.1 聚合物及其復合涂層

彈性好的天然及合成的樹脂材料有非常好的抗空蝕性能，如橡膠、環氧樹脂、聚氨酯有很好的彈性，有些還具有一定的硬度。為了增加涂層的抗磨粒磨損性能，可加入耐磨性好的硬質顆粒。但是這種涂層因其結合強度受限及其流變性能而影響其廣泛應用。

（1）環氧金剛砂涂層。雙組分環氧樹脂與高硬度金剛砂顆粒以一定比例配成膠泥，涂覆在過流部件表面固化后形成的黏接涂層，改進后的環氧樹脂常溫固化后與基體的黏接強度介于20～40MPa區間。該涂層主要解決磨損為主的部位，不同流域的泥沙粒徑不同，樹脂中的金剛砂也需要做相應的粒度調整才能達到好的耐磨顆粒把持力，從而發揮最佳耐磨特性。環氧金剛砂涂層耐空蝕性能差，對于空蝕強烈的部位環氧涂層還是容易大面積脫落，葉片空蝕部位補焊時，熱輸入量對周圍的膠層損傷很大且涂層容易燒焦。

（2）聚氨酯彈性涂層。聚氨酯彈性體本身是公認的耐磨蝕理想材料，聚氨酯涂層施工速度快，涂層厚度可以輕松控制在設計厚度且成本低廉。近年來國內外許多單位進行了嘗試，但聚氨酯涂層黏結強度還是不夠高，黏接強度只停留在約20MPa的水平，黏結強度不足，故在抵抗空蝕沖擊波破壞時表現得不太穩定，如在葉片背面等易于產生空蝕的區域常常容易成片脫落，這大大制約了聚氨酯涂層在水輪機上的應用，聚氨酯涂層在高速粒子打擊下容易破損故只能在流速小于40m/s的工況下應用，但聚氨酯涂層在國內一些水泵輪的防磨上有成功應用，水輪機專用的新型可靠聚氨酯涂層研究開發仍在積極的進行中。

（3）復合尼龍涂層。采用火焰噴涂的辦法在過流面噴涂復合尼龍粉末，尼龍涂層的耐磨蝕性能是30號鋼的3倍，該技術屬于火焰噴塑的范疇，可在現場靈活操作，粉末直接噴涂在金屬表面一次成型不用后續的烤漆工藝，通過調整噴涂工藝，一次噴涂可形成2mm左右的涂層，但該涂層的致命缺點是：由于它是火焰噴涂瞬間直接成型，所以尼龍與金屬之間沒有過渡黏接底層，與過流面黏接強度甚至低于20MPa，故涂層容易在磨蝕中脫落。

（4）超高分子聚乙烯。超高分子聚乙烯塑料，在泥沙粒徑≤0.065mm的條件下有很好的耐磨性，用做水輪機固定抗磨板及噴嘴口環，已有多年的成功經驗。它具有耐磨性好，易加工，表面光滑，強度高，摩擦系數、吸水率和膨脹系數低，作為抗磨板最容易實現螺釘把合通用互換要求等優點。目前國內一些水電站的頂蓋、底環等靜止部件過流面應用超高分子聚乙烯耐磨襯板取得不錯的效果。

3.2.2 金屬、陶瓷及其復合涂層

（1）焊條堆焊。采用高鉻鑄鐵焊條或鈷鉻鎢焊條堆焊防磨雖然耐磨性良好，但堆焊表面易產生裂紋，且不易打磨修型，目前使用較多的是Cr13為主添加增強元素的不銹鋼焊條，用該類焊材對過流面進行堆焊打磨。該材料抗裂性、抗空蝕性能優良，但由于硬度低，在含沙量大的工況耐磨性還是不夠滿意。

（2）硬質合金片貼焊。硬質合金片是由復合粉末燒結方法制得的一種高硬度耐磨片，該耐磨片由金屬黏結相和碳化物硬質相組成，硬度達到HRC70以上，硬質相可以阻止金屬黏結相的疲勞擴散，故在磨蝕中很難出現磨蝕深坑。將硬質合金片通過火焰釬焊或氣體保護焊的方法貼焊在過流面上形成保護層，雖然硬質合金片抗磨蝕性能優異，但片與片之間拼接的焊縫縫隙容易被磨蝕掏空，使本來就不平滑連續的過流面阻力大幅增加，甚至會引起機組振動變大。

（3） 表面噴熔合金粉末。用特制的氧乙炔氣焊槍將合金粉末噴熔在過流面表面形成約1mm厚的焊層，涂層與金屬基體的結合達到300MPa以上，硬度約HRC60，該技術綜合抗磨蝕性效果不錯，自1980年以來甘肅省約有近200余臺小型水輪機進行了過流面噴熔合金粉末防護，但該工藝熱輸入量大，且容易引發變形，目前只適用于小型水輪機的防護。

（4）熱噴鍍涂層。熱噴鍍技術是將高硬度的合金粉末或炭化鎢粉末用噴槍熔化噴鍍在過流表面形成一個低于0.5mm厚的保護涂層，其中氧乙炔火焰噴鍍涂層結合強度只有20～30MPa容易脫落。等離子和高速火焰噴鍍涂層稍好但設備較復雜，兩種工藝在現場高濕度環境下制備的涂層與基體結合強度平均在40～60MPa，噴鍍涂層硬度高耐磨但涂層韌性差還不足以抵抗空蝕的沖擊，在易于發生空蝕區域涂層還是容易脫落。所以，碳化鎢涂層在磨損為主空蝕不嚴重的機組中效果很明顯，但在空蝕和磨損都較嚴重的機組中，它的防護效果往往是有爭議的，這也是制約碳化鎢涂層大范圍推廣的發展的一個原因。

（5） 高頻爆震熔射非晶—陶瓷高韌高硬涂層抗磨蝕。一般認為，延伸性強的材料可以長時間經受空蝕作用而不受損，而脆性材料很快就會出現損耗，不銹鋼及合金材料均屬于結晶材料隨著空蝕的不斷作用容易出現局部塑性變形或晶界上的疲勞破壞。一種非晶—陶瓷涂層的出現很好地兼顧了以上概念，非晶—陶瓷具有高的彈性模量和金屬延伸性強，表面既保持陶瓷的高硬度又兼有良好的金屬韌性，同時非晶—陶瓷本身不屬于結晶體材料的范疇，它沒有晶界，更沒有網狀組織，空蝕的反復作用仍無法讓它產生晶界上的疲勞受損，非晶—陶瓷組織中既有高硬度抗劃傷的密排硬質陶瓷相又有高韌性耐空蝕的非晶金屬相，且涂層表面平滑均勻，這正符合理想中的耐磨蝕材料的設計理念，這為水輪機的耐磨蝕打開了一個新的方向，國內有數家電站應用了抗空蝕磨損的系列非晶—陶瓷復合粉末材料，通過一種連續爆炸熔射的方法制備出高結合強度的抗空蝕耐磨涂層，效果不錯。

（6）其他防護層。其他防護層如滲鋁、電鍍、陶瓷、激光強化、電火花沉積、納米陶瓷粉復合刷鍍等，由于種種原因，經過真機試驗后，均存在一定問題或局限，目前尚未推廣應用。

4 結束語

水輪機過流面抗磨蝕防護的方法很多，每種方法都有其固有的特點，國內外的研究人員一直在探索綜合性好的表面防護涂層技術。筆者認為，在材料方面尋找創新突破是最容易取得成效的，通過科學嚴謹的工藝設計及條件保障，嚴格控制現場施工條件，將性能優異的涂層材料制備在過流表面，讓真機的涂層各項指標真正達到或接近試驗態理想水準是行之有效的。當然，材料和工藝也可以是優勢互補的組合，如熱噴涂與激光熔覆的復合、硬涂層與軟涂層的復合等。因此，表面新材料的開發和工藝的現場化匹配復合是今后一段時期內的主要研究課題。

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鄭 凱（1982—），男，本科，工程師，水機專工，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設備技術管理。E-mail:18032155099@189.cn

常 龍（1979—），男，本科，工程師，計劃專責，主要研究方向：抽水蓄能電站計劃管理。E-mail: 234215471@qq.com

李甲駿（1984—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站生產管理。E-mail: lijiajun2001@163.com

Sutrace Coating Technology in the Application and Development of Water Turbine Abrasion Resistance

ZHENG Kai，ZHU Haifeng CHANG Long，LI Jiajun
（Hebei ZhangHewan Pump Storage Power Station Co.Ltd.,Shijiazhuang 050000，China）

This article has summarized the turbine flow surface abrasion situation and influencing factors,Emphatically discusses all kinds of surface coating technology application in abrasion resistance on the surface of the water turbine flow and coating technology on the turbine applications and latest development.

turbine abrasion resistant; amorphous ceramic coating; cavitation