超音速火焰噴涂工藝在西溪河流域電站水輪機防護中應用及推廣

馬文波

[摘? ? 要 ]本文簡要說明了過流部件的汽蝕磨損是高水頭、高泥沙、高轉速水輪輪機在運行中普遍存在的主要問題。聯補電站1號水輪發電機組在2017年首次A級檢修時，過流部件磨損氣蝕十分嚴重，將過流部件返廠進行修復，在對轉輪、活動導葉、頂蓋、底環氣蝕磨損嚴重部位實施補焊、調整、找平、拋光處理。修補完成后采用超音速火焰噴涂技術以增強設備抗氣蝕磨損性能。經過3年運行情況檢查分析，噴涂效果非常顯著，活動導葉、頂蓋、底環噴涂層牢固無脫落。此次超音速火焰噴涂工藝的成功應用，提高了機組設備抗氣蝕磨損的性能，有利于主機組安全、穩定運行，并將這種新工藝在流域其它機組進行了推廣。

[關鍵詞]過流部件;氣蝕磨損;超音速火焰噴涂工藝;運行效果

[中圖分類號]O657.3;TG174.4 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]The cavitation wear of flow passage components is a common problem in the operation of high head， high sediment and high speed turbine. During the first A-level maintenance in 2017， the flow passage parts of No.1 hydro generator unit of Lianbu power station were seriously worn and cavitation erosion was very serious. The flow passage parts were returned to the factory for repair. Repair welding， adjustment， leveling and polishing were carried out on the runner， guide vane， top cover and bottom ring with serious cavitation wear. After the repair， the HVOF spraying technology was used to enhance the cavitation wear resistance of the equipment. After 3 years of operation inspection and analysis， the spraying effect is very remarkable， and the spraying layer of movable guide vane， top cover and bottom ring is firm without falling off. The successful application of the HVOF spraying process has improved the anti cavitation wear performance of the unit equipment， which is conducive to the safe and stable operation of the main unit. This new process has been popularized in other units in the basin.

[Keywords]flow passage parts; cavitation wear; HVOF spraying process; operation effect

1 電站概況

四川華電西溪河水電開發有限公司位于四川省涼山州境內，聯補電站是流域規劃設計“兩庫”“五級”的第三級引水式電站。設計安裝兩臺由通用電氣亞洲水電設備有限公司設計生產的混流式水輪發電機組，總裝機130 MW。于2009年雙機投產發電。水輪機型號：HL（E）—LJ—215B型水輪機，額定轉速600r/min。設計水頭：416.9 m，最大水頭457.2 m。流域自然環境條件較差，水質特性不好。流域水質年平均過機含砂量：0.200 kg/m3，汛期最大過機含沙量：5.530 kg/m3。導致各種過流設備運行環境十分惡劣。

2 水輪機過流部件氣蝕磨損破壞機理

2.1 沙粒磨損破壞

沙粒磨損過程屬于復合磨損，即變形磨損與微切削磨損的復合作用。具有一定沖擊動能的沙粒沖擊材料表面時，在接觸點處首先產生彈性變形，然后水流流態改變，最后形成沖擊“凹坑”。這一過程稱之為變形磨損。如果尖角堅硬的沙粒以小角度方向撞擊材料表面。而以角與材料表面接觸時，接觸點很小的面積將集中很大的壓力，沖擊壓力的垂直分量將使沙粒人材料表面。同時沖擊沙粒在小沖角下有較大的剪切動能分量，將使其沿著大致平行于材料表面方向移動，移動時便切出一定數量的微體積材料，這一過程稱為微切削磨損。當過流部件表面被切削磨損后，表面的磨痕相當于局部阻力結構，繼而引起繼發局部漩搦，漩渦區沙粒獲得附加動能，使磨損加劇，并形成與漩渦尺度相適應的“波紋狀磨損”。

2.2 氣蝕破壞

氣蝕破壞是指在低壓流動的液體中，溶解的氣體或蒸發的氣體潰滅時對材料表面形成高壓細射流沖擊所造成的破壞。氣蝕主要表現磨蝕面為針孔、麻面、海棉狀、無方向性，嚴重時過流部件很快被破壞失效。在水輪機流道中經常產生旋渦與遇到脫流現象，由于旋渦中心壓力低所以容易發生氣蝕;脫流引起水流紊亂擾動，水流與過流部件表面不再是順流，而是有一定夾角的沖擊流，水流的局部損失加大，比壓能降低，產生氣蝕磨損，脫流還引起水流流速的加快，叉加速了磨蝕。

2.3 沙粒磨損與氣蝕聯合作用破壞

從磨蝕表面觀察表明，以含沙水流作為工作介質的水輪機，過流部件的磨蝕一般情況下既沒有單純的沖蝕磨損，也沒有單純的氣蝕破壞。在氣蝕破壞區域，含沙水流會對過流部件造成更為嚴重的破壞。同時，含沙水流又引起氣蝕范圍的擴大和程度的加劇，兩者的聯合作用，加劇了對過流部件的材料破壞。

3 聯補電站2017年1號機A修前過流部件實際氣蝕磨損狀況

3.1 活動導葉氣蝕磨損狀況

聯補電站水輪機的活動導葉，雖然在設計時已充分考慮到西溪河流域的水質特點，采用電渣熔鑄工藝鑄造，材料選用耐磨性良好的不銹ZG06Cr16Ni5Mo。但是，從聯補電站每次汛末過流部件檢查以及2017年首次A級檢修時拆機的情況來看，活動導葉的氣蝕磨損情況仍然十分嚴重，如圖1所示。

活動導葉上下端面好像是用火焊切割的一樣，大面積形成了深度為5～10 mm波浪形的沖刷“溝槽”。根據材料的氣蝕磨損破壞機理，造成這種狀況主要原因有變形磨損和微切削磨損兩種。當過流部件表面被切削磨損后，表面的磨痕相當于局部阻力結構，繼而引起繼發局部漩搦，漩渦區沙粒獲得附加動能，使磨損加劇，并形成與漩渦尺度相適應的“波紋狀磨損”。在活動導葉背面的氣蝕磨損情況如圖1所示。形成了大量的蜂窩狀組織，活動導葉背面在機組運行中屬于低壓區，水流很容易產生氣泡、渦帶，水輪機過流部件容易受到氣蝕的破壞，表面組織破壞狀況與氣蝕破壞特征相近。

3.2 頂蓋與底環氣蝕磨損狀況

聯補電站頂蓋與底環設計采用鋼板焊接結構，具有足夠的強度和剛度，頂蓋與底環過流表面設有不銹鋼材料抗磨層，具有較好的抗擊氣蝕磨損的能力。但經過長時間在西溪河流域這種高含沙量的水流中運行后，氣蝕磨損狀況還是比較嚴重，如圖2所示。

通過對頂蓋過流面氣蝕磨損狀況觀察，主要是以“凹坑”、“溝槽”為主，檢查發現最大沖刷“溝槽”深度超過10 mm。底環的氣蝕磨損更為嚴重一些，活動導葉軸孔周圍出現了大量波紋狀“溝槽”及魚鱗狀“凹坑”，有的地方已經穿過了抗磨層對基材已有一定破壞損傷。從頂蓋與底環過流表面材料損傷破壞的實際形狀來看，與沙粒磨損的破壞特征相近，更大可能是沙粒磨損與氣蝕破壞聯合作用的結果。

3.3 轉輪氣蝕磨損狀況

聯補電站轉輪葉片為15+15帶X形的長短葉片，在（a）設計制造時已考慮到西溪河流域的水質特點，采用耐磨的0Cr16NI5Mo不銹鋼板熱壓。2017年A修拆機時實際氣蝕磨損情況如圖3所示：

葉片進水邊存在有少量沖刷溝槽及凹坑，最深為6 mm，在轉輪下環沿著葉片邊緣，存在局部氣蝕磨損情況，有少量沖刷“溝槽”及“凹坑”，最深為5 mm。轉輪上冠表面整體光滑平整，葉片出水邊通過用葉片標準樣板測量，平均磨損厚度低于20%，葉片表面整體光滑。從總的情況來看，聯補電站1號機轉輪氣蝕磨損情況比較輕微。象聯補電站這種高轉速、高水頭的機組轉輪，在這西溪河流域這種高泥沙含量的種惡劣環境工況下，運行了8年以后能保持這種狀況確實難得。說明在防止水輪機過流部件氣蝕磨損問題上，對于機組的選型、選材以及設備加工制造工藝有直接關系，從各方面提高設備自身抗氣蝕磨損性能對于防止水輪機過流部件氣蝕磨損破壞非常關鍵。

4 過流部件氣蝕磨損破壞給機組造成的實際影響

水輪機過流部件的氣蝕嚴重威脅了機組的安全穩定性，它不僅使水輪機的工作效率降低，而且造成材料破壞，威脅設備的安全運行。特別是對于一些高水頭混流式機組來說，導水機構的氣蝕磨損后造成機組導葉間隙增大，漏水量增加，直接會導致機組開停機困難，甚至會造成機組超速和推力瓦燒毀事故。聯補電站兩臺機機組在A修前幾年，正是由于導水機構氣蝕磨損破壞嚴重，導葉端面間隙嚴重超標，機組漏水增大。導致每次開機時只要進水球閥（主閥）稍微開一點，機組就會墮走，經常造成開機流程中斷，無法長期實現自動開機。停機時在球閥沒有完全全關情況下，機組轉速很難下降。有幾次在停機過程中，由于球閥工作密封位置信號原因，球閥關閉后工作密封沒有自動投入，機組轉速一直在加閘轉速以上墮走，機組無法自動加閘，險些造成推力瓦燒毀的嚴重事故。

5 新型噴涂工藝的應用

5.1 抗氣蝕磨損方案的選擇

聯補電站兩臺機組在每次汛末過流部件檢查時就發現氣蝕磨損破壞情況十分嚴重，尤其是到后期氣蝕磨損破壞速度越來越快。為了延長檢修周期，保證機組A修后過流部件具有更好抗氣蝕磨損性能，公司組織了各級技術人員進行專題討論，成立了技術攻關小組。雖然在水電行業中已有很多關于一些水輪機過流部件采用各種先進工藝進行防護的經驗介紹，確定在水輪機過流部件防護中利用碳化鎢粉末噴涂技術也很成熟，并且在其它電站也有采用的成功案例，但在四川華電系統水電領域還沒有成功經驗借鑒，特別是像我們西溪河流域這種水質情況，并且聯補電站又是屬于高水頭、高轉速機組，到底采用哪種防護方案更為合理，大家當時還是有點糾結。通過各種渠道收資、論證、調研，并到德陽廠家進行了實地考察，最終確定使用超音速火焰噴涂碳化鎢粉末工藝。

5.2 超音速火焰噴涂工藝介紹

超音速火焰噴涂是利用特殊設計的噴槍，并采用高壓和高能燃料，使噴涂的粉末粒子以高速度噴涂到工件表面而形成結合強度高和致密涂層的熱噴涂技術。采用高速火焰噴涂工藝的涂層具有與基體結合強度高、孔隙率低、材料氧化少，涂層近乎鑄態組織的特點。與熱噴熔與堆焊工藝方法相比，它不會使工件產生明顯的熱變形，基體材料的組織結構不受影響，對于同種材料，它比等離子噴涂層的汽蝕率要低一個數量級。目前高速火焰噴涂工藝作為抗汽蝕防護涂層應用到水力機械表面取得了較好的防護效果。但由于涂層中不可避免的存在顯微空穴，使微裂紋易在這些空穴處產生，在較大外力沖擊時，涂層易破壞。使用這種工藝的設備在安裝調試時要特別小心，要避免設備在吊裝過程發生碰撞，不允許使用硬質工具直接敲擊。

6 聯補電站過流部件采用超音速火焰噴涂工藝后設備運行狀況

6.1 噴涂區域

聯補電站在2017年底1號機A修中，對過流部件采用超音速火焰噴涂工藝防護的區域，主要針對在檢查時發現的氣蝕磨損破壞特別嚴重中的幾個部位，根據聯補電站實際情況，最后公司確定以頂蓋、底環過流面抗磨層和活動導除軸柄之外工作面作為計劃噴涂區域。碳化鎢粉末涂層厚度：0.20～0.25 mm。噴涂完成后驗收合格，噴涂后涂層外觀顏色均勻，涂層無剝落、起皮等缺陷。

6.2 噴涂后的運行效果

聯補電站導水機構過流面采用超音速火焰噴涂工藝后，通過三年時間運行觀察，證實防護效果非常明顯，與地洛電站（西溪河流域下一級電站）沒有采用噴涂工藝但運行時間接近的活動導葉比較，差別非常明顯。如圖4所示：

聯補電站活動導葉表面以及頂蓋、底環的過流面抗磨噴涂層表面光滑完整，沒有出現明顯的氣蝕、磨損的痕跡，而地洛電站活動導葉，大面積明顯存在“劃痕”、“溝槽”、“凹坑”，特別是左上部“溝槽”深度超過5 mm，象這種狀況的設備，在運行中氣蝕磨損破壞速度會急劇升高。通過聯補電站1號機A修后機組運行實際情況分析總結，表明在這次檢修中采用超音速火焰噴涂碳化鎢粉末對水輪機過流部件進行防護方案獲得了成功。在2019西溪河公司將這種超音速火焰噴涂工藝在聯補電站2號機組A修時進行了應用推廣，并在1號機噴涂區域的基礎上增加了轉輪葉片進水邊的噴涂。

7 結語

實踐證明采用碳化鎢粉末火焰噴涂工藝能夠對水輪機過流部件進行有效防護，通過噴涂后的設備表面抗氣蝕、磨蝕性能明顯提高。超音速火焰噴涂工藝在聯補電站1號機組水輪機過流部件的的成功應用，為該項技術在西溪河流域其它機組上的應用推廣積累了寶貴經驗。

參考文獻

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