太平江水電站水輪機磨損處理及新技術應用

包國強

（大唐（云南）水電聯合開發有限責任公司，云南 昆明 650000）

1 電站概況

太平江水電站位于緬甸克欽邦（Kachin）太平江上，北鄰云南省盈江縣，距中緬第37號界樁約5.5km。太平江上游稱大盈江，在八莫（Bhamo）附近匯入伊洛瓦底江。電站廠房距盈江縣縣城約70 km。裝機容量4×60 MW。主要水工建筑物包括：首部樞紐、引水系統、調壓井和廠區樞紐。本電站為徑流式電站，工程任務為發電。

2007年12 月主體工程開工，2008年10月截流，2010年12月31日首臺機組發電，2011年6月全部建成投產。電站建成后90%以上的電量回送中國南方電網。在系統中主要擔任基荷和腰荷。電站由江西省水利規劃設計院參與投資建設。哈電多能負責機組的設計制造。

2 過水部件磨損情況

2.1 部件材質

太平江是流域“三高”（高泥沙、高硬度、高利用小時數，多年平均含沙量0.425 kg/m3，實測最大含沙量9.21 kg/m3）的水電站。根據流域電站運行情況，機組過水部件磨損較為嚴重，部分電站轉輪及頂蓋有磨損報廢先例，因此我廠水輪機過水部件在設計及制作階段已經考慮了上述磨損誘因，針對相對磨損嚴重、承壓較大、技術相對薄弱的地方采取了材質及強度較高一級的材料。

（1）轉輪材質及其制作

考慮到抗泥沙和臺數多，轉輪采用鑄焊結構。上冠和下環采用馬氏體ZG00Cr13Ni5Mo材料VOD精煉鑄造。葉片采用13-5不銹鋼等厚鋼板模壓成型，全方位數控加工。以達到超低碳、低硫、磷、高純凈度的要求，進一步提高材料的韌性、抗晶間腐蝕和水下疲勞等性能。轉輪熱處理后進行100%超聲波探傷，按CCH-70-3標準驗收。

（2）頂蓋材質及制作

頂蓋主材質采用Q235B，上止漏環采用HOOCr18Ni14Mo2，頂蓋抗磨環采用同樣的OOCr18Ni14Mo2材質，抗磨環是鑲嵌在頂蓋整體加工環面內。上止漏環與抗磨環是采用410NiMo焊條焊接加工，所有焊接部位均做了100%超聲波探傷，按CCH-70-3標準驗收。

（3）底環材質制作

底環主要材質采用高錳鋼ZG20MnSi，下止漏環采用鉚壓在底環上，固定底部與上端部采用HOOCr18Ni14Mo2焊接與底環形成整體，焊接部位采用100%超聲波探傷，按CCH-70-3標準驗收。

2.2 1號機組過水部件的磨損

（1）1號機組磨損情況（見表1）

表1 1號機組磨蝕部位與程度

（2）頂蓋止漏環不銹鋼段與頂蓋抗磨板結合角處磨損嚴重，磨損部位沿著頂蓋止漏環頂部形成整圈深為15 mm、寬為30 mm的環形凹槽，且抗磨板背部的頂蓋母材已外露。頂蓋抗磨板局部不銹鋼已脫落，脫落長度約500 mm，頂蓋抗磨環有兩處明顯裂縫，處于半脫落狀態（見圖1）

圖1

（3）轉輪磨損情況

轉輪下環沿著止漏環頂部之下2 mm處磨損形成最深為7 mm，最寬為45 mm的不規則環形圈（圖2），一葉片與下環焊接部位有一個缺口深為48 mm，寬為95 mm，葉片出水邊與下環焊縫整體磨損明顯，焊縫凸出部分明顯下降，具體數據無法測量還原；葉片出水邊整體磨成鋒利的刀鋒狀；轉輪下環圖紙高度為160 mm，實際測量高度為146 mm，整體平均磨損14 mm。

（4）底環止漏環頂部邊緣處沿底環一周形成深10 mm，寬為50 mm的不規則圓環（見圖3）。

根據上述現場檢查情況，頂蓋抗磨板與止漏環不銹鋼段結合角部、轉輪下止漏環、轉輪葉片出水邊背部、底環止漏環等磨損較為嚴重。

圖2

圖3

3 轉輪、頂蓋、底環修復處理

3.1 轉輪修復工作內容及流程（見圖4）

圖4 轉輪修復流程框圖

3.2 葉片（進、出水邊）裂紋的修復方案

用抗氣蝕、抗磨損性能較好焊條進行堆焊修復，方法如下：

（1）使用角磨機或風銑刀對葉片出水邊貫穿性裂紋開V型坡口（進水邊側貫穿性裂紋可開X型坡口），裂紋周圍打磨露出金屬光澤，并采用PT檢查是否清凈裂紋。

（2）在V型坡口背面隨型墊3～5 mm不銹鋼板，點焊固定，使用焊條填充V型坡口，逐漸填平坡口，層間應錘擊，消除應力；第一層及最后一層不錘擊。焊接過程中應控制焊接速度，分散進行，盡量減小焊接變形。

3.3 葉片（進、出水邊）及流道磨蝕的修復

（1）使用角磨機或風銑刀對磨蝕部位及其周圍打磨露出金屬光澤，并采用PT檢查是否清理干凈。

（2）按照實際加工的補材形狀制作硬紙樣板，用樣板在葉片上劃裁邊線，通過氣刨等進行裁邊，裁邊部位打磨露出金屬光澤，可與補材配做。實際操作中對比所有葉片磨損、氣蝕情況，采取磨損、氣蝕較輕的葉片翼型制作硬紙樣板。

（3）使用焊條鋪焊，層間應錘擊，消除應力；第一層及最后一層不錘擊。焊接過程中應控制焊接速度，分散進行，盡量減小焊接變形。

（4）最后根據葉片出水邊磨薄的實際情況確定后續處理方案。

3.4 上冠和下環進水邊修補

（1）葉片出水邊嚴重磨損、氣蝕部位配焊同材質相同的焊條進行堆焊后拋光處理。

（2）葉片材料：Cr≥13%,Ni≥4%不銹鋼材料，根據葉片最大磨蝕面積確定。

3.5 焊接工藝

（1）焊前清理待焊區域，徹底清除水、油及銹等對焊接有害的雜質。

（2）焊接前，采用汽割對待焊區域進行預熱，預熱溫度不低于80℃。

（3）焊接

1）焊接方法：熔化極惰性氣體保護焊；

2）焊接材料：φ1.6 mm，13-5不銹鋼焊絲；

3）保護氣體：95%Ar+5%CO2；

4）焊接位置：橫焊；

5）電源極性：直流反接；

6）焊接工藝參數：焊接電流：110～160 A；焊接電壓：20～24 V；焊接速度：200～400 mm/min；

7）焊接時，分區域跳焊（每個區域約30 mm×30 mm），盡可能分散熱量。除底層及表層外逐層錘擊，打至焊縫表面屈服為止；

8）焊接時盡可能采用小規范，短弧操作；

9）道與道、層與層之間應錯開至少20 mm,并確保熔合良好。接頭處如有異議時，必須使用角向砂輪機打磨清理，操作時注意填滿弧坑；

10）多處補焊區域可交替焊接完成，層間溫度控制在260℃以下。

3.6 修磨

（1）焊接完成后按樣板對葉片進行修整打磨。

（2）根據轉輪木模圖截面半截樣板進行正、背面修整打磨，使型線符合設計圖紙要求，葉片表面粗糙度為Ra1.6。

3.7 轉輪其它磨損部位焊接修補

（1）上冠、下環及主軸配合面修復

上冠、下環及主軸配合面根據磨蝕及車修去量情況，確定鋪焊厚度。

（2）其它部位修復

參照葉片磨蝕缺陷進行清理、探傷、焊接、打磨修復。

（3）按圖重新加工頂蓋固定止漏環和轉輪上止漏環。

3.8 熱處理

（1）流道和葉片焊接修復后葉片進行局部退火，用加熱帶加熱至590℃±10℃，保溫1.5 h，然后冷卻至室溫。

（2）焊后轉輪放置在大氣中自然釋放應力。

3.9 清理

采用角向砂輪機打磨補焊焊縫及補焊區周圍50 mm范圍，清除表面氧化皮及焊渣，露出金屬光澤。

3.10 驗收檢查

（1）修磨后按設計圖紙要求對修理后的葉片及其他葉片進行PT檢查。

（2）按設計圖紙要求進行葉片開口度檢查。

（3）轉輪葉片拋光檢查驗收、整體加工精度驗收、作靜平衡。

4 超音速噴涂新技術應用

4.1 噴涂原理

超音速火焰噴涂是利用丙烷、丙烯等碳氫系燃氣或航空煤油、酒精等液體燃料與高壓氧氣在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒產生高溫高壓焰流，其溫度3 200℃，速度高達1 500 m/s以上。將粉末沿軸向或徑向送進火焰中，產生熔化或半熔化的粒子，其高速撞擊在基體表面上沉積形成涂層。

4.2 噴涂工藝

燃氣助燃超音速（HVOF）工藝通過氧氣助燃，燃燒氣體或者液體燃料，對熱輸入量加以控制，以此產生動能。粉末噴涂材料置于熱氣流中，通過熱氣流對其進行均勻加熱至熔化或半熔化狀態、火焰焰流和粉末通過匯聚/噴射噴嘴（空氣帽）進行加速，以產生超音速的焰流和粉末，將粉末粒子推向預先處理過基材形成涂層。

超音速火焰噴涂具有以下優勢：粉末粒子以很高的速度噴射到工件表面，可形成致密、結合強度高而無分層現象的高質量涂層；超音速火焰溫度適當且粉末在火焰中加熱時間短，因此，材料不易發生相變、氧化和分解。同時噴涂過程中通過控制噴涂速度，控制基體溫度低于150℃，噴涂過程對基材基本無熱影響。

4.3 噴涂現場實施

水輪機抗磨蝕涂層研制同時，為滿足現場的施工要求。我方聯系了東方汽輪機有限公司表面工程研究所項目組（簡稱東電）協商、現場調研、多方協調確認由東電廠自行采購了適合現場施工的便攜式超音速火焰噴涂系統，并完成設備調試、噴涂工藝參數優化等工作，為抗磨蝕涂層技術的工程應用做好準備。2016年對我廠1號、2號水輪機實施涂層施工，并圓滿完成。

現場施工流程如圖5所示：

現場勘查：主要是和東電人員一同確認水輪機過流部件的磨蝕情況，確認現場施工所需氣源、電源情況；

確認噴涂方案：根據現場勘查情況，和噴涂廠人員溝通后制定施工方案和簽訂技術協議；

辦理入場手續：根據我廠要求，完成對東電廠噴涂人員安全培訓，辦理工作票等；

施工前準備：主要包括施工現場清理、設備安裝調試、工作棚準備等工作；

涂層施工：涂層施工主要工作包括基材清洗、非噴涂區域保護、噴砂、噴涂、封孔處理等工作，現場施工為保證涂層質量，施工時除嚴格遵守工藝要求，在每道工序結束后采用工人自檢+技術專檢+我廠技術人員巡檢的方式保證涂層質量。

涂層驗收：施工方、我廠人員根據之前的噴涂方案和技術協議對涂層進行驗收 (噴涂后涂層外觀照片如圖6所示)；

現場清理、撤場：驗收通過后，清理現場、拆除設備，撤離工作現場。

噴涂后涂層外觀顏色均勻一致，涂層無剝落、起皮等缺陷。表面封孔涂層無流掛、堆積等缺陷，項目一次通過驗收。

圖6 水輪機抗磨蝕涂層施工后涂層外觀照片

4.4 噴涂面積和厚度

轉輪噴涂區域上止漏環計劃噴涂區域：H=121mm，φ=3080mm；下止漏環計劃噴涂區域：H=145mm，φ=3545mm。下止漏環上端面計劃噴涂區域：W=25 mm；

上止漏環和葉片結合部計劃噴涂區域：從結合部往葉片和上止漏環兩側各延伸W=150 mm，深度D=700 mm；

下止漏環和葉片結合部計劃噴涂區域：從結合部往葉片和下止漏環兩側各延伸W=150 mm，深度D=700 mm；

葉片出水側計劃噴涂區域：出水側往葉片延W=100～150 mm；

葉片出水側和轉輪下冠結合部位計劃噴涂區域：從葉片出水側和下冠結合部，兩葉片正反側三角區域，底邊L=500 mm，高H=200 mm；

底環：止漏環部分計劃噴涂區域：H=175 mm，φ=3 549 mm；

頂蓋：和葉輪上止漏環配合部分計劃噴涂區域：H=141.5 mm，φ=3 083 mm, 頂 蓋 抗 磨 板 寬 度W=100～150 mm；

活動導葉：24個導葉和軸柄結合部分；

其他噴涂區域由雙方協商確定。

碳化鎢（WC）金屬陶瓷涂層厚度：0.20～0.35mm。

涂層驗收：噴涂后涂層外觀顏色均勻，涂層無剝落、起皮等缺陷。噴涂后表面封孔涂層無流掛、堆積等缺陷。

5 噴涂后運行效果

經過1年的機組運行情況來看，水輪機轉輪的噴涂痕跡清晰可見，水輪機轉輪至漏環噴涂部位均未脫落，狀態良好。

6 結束語

近年來全國各地大小型水電站日益增多，地域環境差異、氣候變化等因素，多泥沙徑流式電廠大多泥沙含量較大、且硬度高、機組利用小時較高，再加上嚴重氣蝕現象，容易造成過水部件的嚴重磨損，若不能及時發現可能會導致事故的發生。而此類嚴峻和棘手問題，發現時往往是處于機組大修階段。處理時間要求很短，現場處理已是唯一滿足經濟及技術處理的手段。根據廠家制造工藝修復原型處理、現場新技術噴涂處理的完美結合，保證了機組運行高效，大修周期延遲，經濟效益也同步提升。水輪機抗磨蝕碳化鎢涂層技術現處于推廣應用階段，超音速噴涂技術還有很大的應用潛力，同時根據水輪機工況還需開發多個系列的涂層技術，如：針對沙礫磨蝕機組開發高耐磨涂層、針對氣蝕嚴重機組開發抗氣蝕涂層技術等。

[1]哈爾濱機電廠有限公司.緬甸太平江水輪機結構及運行維護說明書TPJ.0EA.140.01[Z].

[2]任巖，李興易，張小寶.高速氧燃噴涂碳化鎢在水輪機磨蝕防護中的應用[J].水力發電，2009，35（8）：62-63.

[3]楊紅，崔立功.碳化鎢涂層在三門峽水電站1號機組過流部件上的應用[J].中國水能及電氣化，2013，102(9)：37-40.