一種轉(zhuǎn)輪抗汽蝕方法研究與應(yīng)用

馮 超

（五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 懷化 419635）

汽蝕破壞在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上頻繁發(fā)生，可能導(dǎo)致水輪機(jī)在偏離設(shè)計工況下運(yùn)行，同時過流部件破壞速度加劇，嚴(yán)重威脅著水輪機(jī)的運(yùn)行安全和使用壽命。過流部件形成坑洼不平的蜂窩狀蝕坑后，造成材料的強(qiáng)度急劇下降，設(shè)備性能參數(shù)惡化，能量損失急劇增加，效率及出力下降，影響設(shè)備預(yù)期使用壽命。此外，水輪發(fā)電機(jī)組若在汽蝕狀態(tài)下運(yùn)行，其過流部件會發(fā)生強(qiáng)烈的低頻壓力脈動，還會導(dǎo)致整個機(jī)組和水電站廠房產(chǎn)生振動，嚴(yán)重時將影響水輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此展開對水力機(jī)械抗汽蝕性能改善的研究勢在必行且具有極大的安全經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備簡介

湖南某水電廠總裝機(jī)容量120萬kW（5×240 MW），設(shè)計年發(fā)電量53.7億kW·h，至常德崗市、婁底民豐兩回500 kV電壓出線接入華中電網(wǎng)，是電網(wǎng)中調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓的骨干電廠，也是湖南省目前最大的水電廠。

該電廠1～3號機(jī)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由Voith巴西工廠制造，采用G-X5CrNi13.4全不銹鋼材質(zhì)。4號、5號機(jī)轉(zhuǎn)輪由Voith提供不銹鋼葉片，上冠、下環(huán)采用ZG20SiMn普通鑄鋼在哈電濱海工廠焊接加工。4號、5號機(jī)轉(zhuǎn)輪相比于1～3號機(jī)全不銹鋼轉(zhuǎn)輪更易發(fā)生汽蝕，加之異種鋼焊接受加工工藝影響，機(jī)組運(yùn)行流態(tài)穩(wěn)定性稍差，導(dǎo)致4～5號機(jī)組葉片與上冠下環(huán)連接部位出口背水面以及上冠葉片區(qū)間汽蝕、裂紋缺陷頻繁發(fā)生，給設(shè)備維護(hù)管理帶來極大工作量。

2 抗汽蝕材料研究應(yīng)用

根據(jù)水力機(jī)械表面修復(fù)技術(shù)所使用材料的基本機(jī)械特性，大致可以分為金屬材料、非金屬材料兩大類。

2.1 金屬材料研究

金屬材料主要有專用不銹鋼焊條、金屬陶瓷粉末、鎢系合金粉末、鉻系合金粉末和鈷系合金粉末等。專用焊條主要有：高鉻鑄鐵型、Cr-Mn奧氏體型、Cr-Ni奧氏體不銹鋼型和低碳馬氏體不銹鋼型，其中低碳馬氏體不銹鋼型焊條具有較好的抗汽蝕效果，其抗汽蝕能力為1Cr18Ni9Ti的2倍。GB1堆焊焊條在水輪機(jī)抗磨蝕修復(fù)中應(yīng)用較廣，該焊條既具有優(yōu)異的抗汽蝕性能，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(yōu)良的抗磨蝕性能,為1Cr18Ni9Ti的6.7倍，OCr13Ni5Mo的5.6倍。

2.2 非金屬材料研究

近年來將聚合物材料作為抗磨蝕防護(hù)材料的研究越來越多，應(yīng)用也越來越廣泛。綜合國內(nèi)外研究，可作為耐磨蝕涂層的聚合物材料主要有剛性聚合物和彈性聚合物。

聚合物剛性涂層主要包括環(huán)氧系、酚醛系、氨基系、聚烯烴等聚合物涂層。其中環(huán)氧系樹脂在水力機(jī)械抗磨涂層中得到廣泛應(yīng)用，但由于其材質(zhì)較脆，抗汽蝕性能不佳。在垂直沖擊下，材料的磨損形態(tài)主要為變形磨損，剛性材料有很低的允許彈性變形能力，雖然在小沖角與低沖擊能量下，高硬度剛性材料可以有效地抵抗沙粒的壓入，而有較高的抗磨性，但在大沖角與高沖擊能量下，材料則易變形破裂而剝落，抗磨性低下。

聚合物彈性涂層在常溫下幾乎無脆性，具有相當(dāng)大的允許彈性變形和彈性恢復(fù)能力，可以吸收緩解沙粒的垂直沖擊能量或空化空穴閉合時的水滴沖擊能量，具有高抗磨蝕性能。

綜合來說，耐磨焊條堆焊技術(shù)操作簡單，是目前水力機(jī)械維修經(jīng)常采用的技術(shù)，補(bǔ)焊后耐磨性能高低往往取決于其最終組織狀態(tài)和機(jī)械性能，但是經(jīng)過多年反復(fù)補(bǔ)焊打磨等處理，使水力機(jī)械金屬組織狀態(tài)發(fā)生較大變化，導(dǎo)致其耐磨性和機(jī)械性能也逐年變差；金屬熱噴涂技術(shù)容易使母材應(yīng)力情況發(fā)生改變，已較少使用；超音速噴涂和等離子噴涂技術(shù)是近年來發(fā)展較快的防護(hù)技術(shù)，目前在應(yīng)用過程中最大的問題是成本過高，只能用于關(guān)鍵部位的噴涂防護(hù)，另外該涂層抗汽蝕性能不夠好，容易脫落，也限制了其廣泛應(yīng)用。耐磨高分子涂層具有耐磨性能優(yōu)良、現(xiàn)場施工方便的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景較好。

經(jīng)過多方調(diào)研，考慮市面現(xiàn)有的超音速火焰WC-10Co-4Cr系列金屬陶瓷噴涂、貝爾佐納涂覆層、復(fù)合聚氨酯涂覆層、石墨烯涂覆層等工藝對于抗磨蝕、汽蝕等不同的適用場景及效果，結(jié)合電廠水輪機(jī)運(yùn)行水頭、負(fù)載工況等差異性條件，嚴(yán)格對比分析，選用石墨烯和貝爾佐納高分子材料兩種抗汽蝕材料涂層進(jìn)行對比試驗(yàn)。電廠結(jié)合貝爾佐納高分子材料自身剛度較強(qiáng)、韌性較差的特點(diǎn)，選用柔性聚氨酯材料與貝爾佐納復(fù)合使用改善其力學(xué)性能，在國內(nèi)首次采用貝爾佐納高分子（Belzona1341、Belzona2141）+柔性聚氨酯涂層復(fù)合噴涂的施工工藝，通過柔性聚氨酯材料在汽蝕產(chǎn)生機(jī)理中氣泡潰滅過程中的吸能功效來提升整個涂層的抗汽蝕破壞能力。

3 實(shí)施工藝及注意事項(xiàng)

3.1 表面處理

預(yù)清潔后噴砂處理表面銹蝕、污垢等，同時使表面粗糙度不小于75 μm；用壓縮空氣和專用清洗劑將表面處理干凈。

3.2 修補(bǔ)打磨

對汽蝕坑洞進(jìn)行修補(bǔ)并用專用工具刮平，待修補(bǔ)材料初步固化后，用拋光機(jī)裝夾R40粗砂紙對修補(bǔ)材料進(jìn)行磨平并清洗干凈。

3.3 噴涂

使用噴涂專用設(shè)備將石墨烯和貝爾佐納材料+柔性聚氨酯對選定轉(zhuǎn)輪葉片表面進(jìn)行噴涂，噴涂時應(yīng)保證涂層平整光滑均勻，無氣泡漏涂，作業(yè)區(qū)域應(yīng)無粉塵或其他異物飛揚(yáng)。對于邊、角、焊縫等部位要先涂刷，再大面積噴涂，檢查整個涂層的連貫性與完整性；抗汽蝕材料應(yīng)按照要求多層噴涂，總厚度不得小于1 mm，并使用涂層測厚儀檢測，保證厚度均勻且滿足要求；過程中應(yīng)根據(jù)貝爾佐納和柔性聚氨酯涂層的質(zhì)量系數(shù)合理配比，并適當(dāng)增加柔性聚氨酯比例，做好記錄，為后續(xù)試驗(yàn)優(yōu)化提供參考。

4 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過一個檢修周期后，對轉(zhuǎn)輪部位進(jìn)行檢查，驗(yàn)證兩種材料的抗汽蝕試驗(yàn)效果。檢查結(jié)果表明：運(yùn)行一年來，石墨烯材料涂層存在脫落現(xiàn)象較為明顯，Belzona1341+柔性聚氨酯涂層存在輕微磨損，Belzona2141 +柔性聚氨酯涂層情況良好。Belzona2141 +柔性聚氨酯涂層采用復(fù)合噴涂柔性材料的方式，表面形成一個高分子的柔性橡膠系統(tǒng)，可消散由中等到高強(qiáng)度的汽蝕所產(chǎn)生的能量。并且經(jīng)電廠轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)證明，貝爾佐納兩種材料可在水中浸泡下保持長期的附著力，無分層脫落現(xiàn)象，以往易產(chǎn)生汽蝕裂紋區(qū)域的母材本體未見到汽蝕產(chǎn)生的麻點(diǎn)和坑洞，使用效果較好。

5 結(jié)語

貝爾佐納+柔性聚氨酯復(fù)合涂層的抗汽蝕處理工藝試驗(yàn)研究取得成功，提升了轉(zhuǎn)輪過流面抗汽蝕能力，從而提高轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低水電站檢修維護(hù)時間成本，提高發(fā)電機(jī)組等效可用系數(shù)，有利于電網(wǎng)對發(fā)電側(cè)機(jī)組的統(tǒng)一調(diào)度。同時，我國對環(huán)境要求越來越高，電廠所在的沅水作為一級飲用水源，過流部件的涂層選用環(huán)保無污染材料可保證下游居民的身體健康。涂覆可靠涂層后，轉(zhuǎn)輪的抗汽蝕能力提高，有效延長水輪機(jī)的使用壽命及檢修周期，減少水輪機(jī)的維護(hù)成本，降低水電站運(yùn)營成本支出。對存在相似汽蝕情況的水電站，具有極大的推廣應(yīng)用空間，對各水電站機(jī)組安全運(yùn)行提供保障，降低安全風(fēng)險，具有十分重要的意義。