小浪底電站水輪機(jī)過(guò)流部件碳化鎢涂層修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用

盧建勇，于 躍，萬(wàn)永發(fā)

小浪底電站水輪機(jī)過(guò)流部件碳化鎢涂層修復(fù)技術(shù)研究應(yīng)用

盧建勇，于 躍，萬(wàn)永發(fā)

（小浪底水利樞紐管理中心，河南 濟(jì)源 459017）

采用碳化鎢粉末對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件進(jìn)行防護(hù)是較為可靠、成熟的防護(hù)技術(shù)，可以有效防止機(jī)組的空蝕、磨蝕。但隨著機(jī)組的運(yùn)行年限增加，碳化鎢涂層脫落是必然現(xiàn)象，如何經(jīng)濟(jì)、有效的對(duì)碳化鎢涂層進(jìn)行修補(bǔ)目前國(guó)內(nèi)外均無(wú)成熟的運(yùn)用技術(shù)，文章結(jié)合小浪底電站水輪機(jī)過(guò)流部件碳化鎢修復(fù)的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)碳化鎢涂層修復(fù)問(wèn)題進(jìn)行研究，得出較為可行的涂層修復(fù)方法。

水輪機(jī)過(guò)流部件；碳化鎢噴涂；氣蝕；碳化鎢涂層修復(fù)

1 小浪底電站水輪機(jī)簡(jiǎn)介

小浪底水利樞紐地處于黃河干流，裝機(jī)容量6×300MW，所轄6臺(tái)水輪機(jī)均由美國(guó)福伊特公司生產(chǎn)，2001年全部投產(chǎn)發(fā)電。水輪機(jī)形式為主軸混流式，額定水頭 112.0m，轉(zhuǎn)輪公稱直徑6.356m，額定轉(zhuǎn)速107.1r/min，設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)3250h，設(shè)計(jì)允許的多年平均過(guò)機(jī)含沙量37.5kg/m3，泥沙中值粒徑 d50為0.023mm。轉(zhuǎn)輪葉片采用不銹鋼板材（0Cr13Ni5Mo）分兩塊模壓焊接而成，數(shù)控加工技術(shù)分片制造。上冠、下環(huán)、葉片均使用不銹鋼材質(zhì)（0Cr13Ni5Mo），在現(xiàn)場(chǎng)整體組焊。

針對(duì)黃河多泥沙河流的特點(diǎn)，小浪底水力發(fā)電廠水輪機(jī)過(guò)流部件除采用具有抗空蝕性能的不銹鋼材料外，部件表面還采用抗磨涂層進(jìn)行防護(hù)。在活動(dòng)導(dǎo)葉邊緣、轉(zhuǎn)輪、頂蓋和底環(huán)的上、下抗磨板等流速較高的部件表面噴涂碳化鎢硬涂層。碳化鎢涂層的具體防護(hù)部件、區(qū)域和面積見表1。

2 小浪底電站水輪機(jī)運(yùn)行情況簡(jiǎn)介

小浪底電站水輪機(jī)是國(guó)內(nèi)第一家大規(guī)模開展碳化鎢防護(hù)的水輪機(jī)組，碳化鎢防護(hù)保證了小浪底機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行了10余年，和同處于黃河且過(guò)機(jī)含沙量較大的劉家峽電站、萬(wàn)家寨電站、三門峽電站對(duì)比，小浪底轉(zhuǎn)輪的磨蝕程度和每年的補(bǔ)焊量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以上三家電站。但隨著機(jī)組運(yùn)行年限的增加，碳化鎢涂層逐漸開始脫落，在脫落部分和原未噴涂部位開始逐步出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，并有逐年增大趨勢(shì)。

表1 碳化鎢涂層的具體防護(hù)部件、區(qū)域和面積

2.1 有噴涂碳化鎢涂層區(qū)域磨損氣蝕情況

碳化鎢涂層沒(méi)有脫落部位，沒(méi)有發(fā)生磨損和氣蝕情況；部分碳化鎢涂層脫落區(qū)域，出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，且氣蝕坑均分在涂層脫落區(qū)域。氣蝕成花紋狀，色亮，坑淺，平均坑深0.1cm。

2.2 未噴涂碳化鎢涂層區(qū)域磨損氣蝕情況

未噴涂碳化鎢涂層區(qū)域，磨損和氣蝕現(xiàn)象相對(duì)嚴(yán)重。大約占到全部面積的70%，平均坑深0.2cm，密度達(dá)到10個(gè)/cm2。

2.3 其他區(qū)域

在葉片根部和迷宮環(huán)部位氣蝕情況最為嚴(yán)重，最深坑深達(dá)到1cm，呈蜂窩狀，已經(jīng)嚴(yán)重破壞了機(jī)體結(jié)構(gòu)。

2.4 脫落面積

機(jī)組碳化鎢涂層脫落總面積大約占總噴涂面積的10%。

3 問(wèn)題及研究方向

對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)行狀況分析，小浪底水輪機(jī)磨蝕現(xiàn)象確實(shí)存在且逐步加劇，隨著機(jī)組運(yùn)行年限的增加及涂層脫落現(xiàn)象的加劇，過(guò)流部件的損傷也將加劇。為了防止過(guò)流部件的損傷可能帶來(lái)的危害，須盡早地對(duì)碳化鎢涂層進(jìn)行修補(bǔ)。

碳化鎢噴涂技術(shù)是國(guó)際成熟的技術(shù)，應(yīng)用上不存在難點(diǎn)，但目前還沒(méi)有大型水輪機(jī)組碳化鎢涂層修復(fù)的應(yīng)用實(shí)例，且小浪底機(jī)組碳化鎢涂層脫落呈分片不規(guī)則狀，如何對(duì)局部的碳化鎢進(jìn)行修復(fù)、原有碳化鎢和新噴涂碳化鎢如何結(jié)合過(guò)渡；新、舊碳化鎢涂層結(jié)合情況；呈蜂窩狀的碳化鎢涂層如何去除并重新噴涂在行業(yè)內(nèi)都沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及工藝。

碳化鎢噴涂需要機(jī)體表面光潔度高，無(wú)坑點(diǎn)和雜物。小浪底水輪機(jī)表面存在的密密麻麻的數(shù)以萬(wàn)計(jì)的淺磨蝕坑，行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有如此大規(guī)模焊接修補(bǔ)的先例，如何對(duì)這些磨蝕坑進(jìn)行焊接修補(bǔ)，如何控制焊接變形及應(yīng)力變形，如何控制焊接強(qiáng)度問(wèn)題都需要系統(tǒng)分析研究。

4 小浪底電站水輪機(jī)過(guò)流部件涂層修復(fù)實(shí)例

針對(duì)水輪機(jī)組碳化鎢涂層修補(bǔ)遇到的問(wèn)題，小浪底電站工作人員經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究，制定周密的施工處理方案，并在2號(hào)、4號(hào)機(jī)組上進(jìn)行了應(yīng)用，經(jīng)過(guò)工程反復(fù)實(shí)踐，證明可以在工程上廣泛使用。

4.1 廢舊涂層去除

碳化鎢涂層的標(biāo)準(zhǔn)厚度為：0.3～0.5mm，而且高速火焰噴涂技術(shù)（HVOF）噴涂不能在舊涂層上直接噴涂。根據(jù)水輪機(jī)檢修導(dǎo)則要求，一般對(duì)A修機(jī)組來(lái)說(shuō)，由于檢修周期間隔較長(zhǎng)，所以建議對(duì)涂層厚度小于0.1mm，或間隔型涂層損壞部位面積已達(dá)50%左右時(shí)，將舊涂層去除，修補(bǔ)損壞基體，還原設(shè)備形狀后，重新進(jìn)行噴涂。舊涂層采用涂層表面活化方式進(jìn)行去除，使用棕剛玉材料按照歐洲表面處理工藝及要求進(jìn)行表面活化處理，處理標(biāo)準(zhǔn)符合國(guó)標(biāo)GB8923。具體工藝要求如下：采用棕剛玉噴砂對(duì)原有碳化鎢涂層進(jìn)行去除；工作環(huán)境的溫度至少高于氣溫5℃或基體的溫度至少高于大氣溫度3℃；壓縮空氣應(yīng)干燥、無(wú)油；采用20#白剛玉或棕剛玉；噴砂時(shí)光線應(yīng)充足，在噴砂時(shí)應(yīng)保證所有需要噴涂的表面得到均勻的表面粗化，噴砂后表面粗糙度應(yīng)達(dá)到 Rz25～Rz75μm（Sa2～Sa2.5）； 噴砂后，用柔性的不銹鋼鏟刀或不銹鋼刷將鑲嵌在工件表面的沙礫鏟掉或刷掉；使用干燥、無(wú)油的壓縮空氣將工件表面吹干凈；表面活化處理完成到碳化鎢涂層噴涂前的間隔時(shí)間不得超過(guò)4h，否則需要重新進(jìn)行表面活化。

4.2 補(bǔ)焊打磨

對(duì)遭到破壞的基材首先進(jìn)行補(bǔ)焊打磨達(dá)到修舊如新的效果。由于葉片及導(dǎo)葉材料的特殊性要求施焊時(shí)必須加熱。而為了保護(hù)涂層和基材不發(fā)生變形、裂紋等缺陷，不允許施焊區(qū)域溫度過(guò)高，要求嚴(yán)格控制溫度進(jìn)行施焊。補(bǔ)焊作業(yè)主要采用TIG氬弧焊為主，直流電焊為輔的方式進(jìn)行。對(duì)較大的坑槽僅用電焊進(jìn)行填充，而面層焊接全部采用氬弧焊技術(shù)。對(duì)于葉片頭部等母材破壞嚴(yán)重但型線保留的位置補(bǔ)焊打磨時(shí)參照周邊型線進(jìn)行過(guò)渡。

補(bǔ)焊工藝分為7步：（1）清洗，除塵除污，用工業(yè)丙酮除脂清洗。（2）焊前清理，采用磨具將破壞區(qū)域打磨使其顯露基礎(chǔ)材料。（3）預(yù)熱，利用石油液化氣，使用專用噴火加熱工具對(duì)補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行預(yù)熱。使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，加熱使補(bǔ)焊區(qū)溫度達(dá)到施焊溫度（100～120℃）。（4）補(bǔ)焊，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(jìn)行。在施焊過(guò)程中，使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，當(dāng)補(bǔ)焊區(qū)溫度達(dá)到停焊溫度時(shí)停止焊接，補(bǔ)焊區(qū)域自然降溫，測(cè)量補(bǔ)焊區(qū)域溫度，當(dāng)達(dá)到施焊溫度時(shí)再進(jìn)行控溫焊接，直到完成補(bǔ)焊操作。層間溫度控制在100～150℃，焊后錘擊消除應(yīng)力。（5）焊接材料，選用與基體材料一致或相近的不銹鋼焊絲和焊條（0Cr13Ni5Mo或0Cr16Ni5Mo）。（6）焊后處理，利用磨光、拋光工具進(jìn)行打磨，使補(bǔ)焊表面與原轉(zhuǎn)輪型線光滑過(guò)渡。拋光表面到Ra3.2。（7）質(zhì)量檢查，利用 PT滲透劑進(jìn)行檢查，無(wú)裂縫及氣孔、砂眼。

4.3 噴涂

噴涂設(shè)備采用高速火焰噴涂技術(shù)（HVOF），美國(guó)SulzerMetco進(jìn)口設(shè)備DJ2700水冷系統(tǒng)；噴射速度大于21000m/s；粘接強(qiáng)度大于70MPa；涂層表面粗糙度：3.2～6.3μm；涂層表面硬度大于Hv0.31100，抗磨損能力比0Cr13Ni4Mo高70倍以上，涂層的抗氣蝕性能比13-4型的不銹鋼材料高出50%。

噴涂工藝具體為：（1）除濕干燥及除塵；（2）除銹蝕及表面拋光：利用進(jìn)口砂片進(jìn)行表面拋光打磨，以提高表面光潔度及拋去表面氧化層；（3）噴涂前檢查：待噴涂區(qū)域已清理完畢，待噴涂表面糙度最大為6.3μm，無(wú)裂紋，無(wú)腐蝕，無(wú)氣孔、沙眼，無(wú)焊接加渣，表面硬傷孔洞直徑不大于0.5mm；（4）搭架固定及保護(hù)：為方便噴涂作業(yè)并對(duì)其它區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，具體方案結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件而定。（5）粉末預(yù)處理（噴涂材料采用美國(guó)Sulzeretco公司生產(chǎn)的 Armdry5843粉末）；（6）表面除脂除污；（7）控制噴涂：由于現(xiàn)場(chǎng)噴涂作業(yè)，大部分噴涂將用手工完成，因此在噴涂過(guò)程中，使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行溫度測(cè)量，控制基材溫度不超過(guò)120°C，每遍涂層厚度不大于15μm，涂層無(wú)臺(tái)階、脫落及不均勻現(xiàn)象等；（8）封孔保護(hù)：采用專用材料進(jìn)行涂層表面保護(hù)；（9）噴涂表面處理：拋光后表面糙度值表符合圖紙要求；（10）測(cè)量：按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，采用英國(guó)elemate456型儀表對(duì)涂層厚度及噴前表面糙度進(jìn)行測(cè)量控制；（11）噴涂結(jié)束后填寫涂層厚度測(cè)量表，并由雙方人員共同復(fù)測(cè)確認(rèn)。

4.4 材料及設(shè)備

（1）碳化鎢成分要求含 86%WC，10%Co和4%Cr，碳化鎢粉末的尺寸應(yīng)在15～45μm之間。

（2）碳化鎢的噴涂粉末品牌選用 SulzerMetco生產(chǎn)的水輪機(jī)專用碳化鎢AMDRY5843。其主要成分為碳化鎢粉（市場(chǎng)上通用的碳化鎢粉如鈷-碳化鎢類其主要特點(diǎn)是干式抗磨，對(duì)于濕環(huán)境尤其是水下惡劣環(huán)境不能適應(yīng)，由于其抗汽蝕能力極低，因此不適用于水電站的噴涂）結(jié)合強(qiáng)度大于70MPa，表面硬度大于1100Hv，表面抗磨能力比不銹鋼（0Cr13Ni5Mo）高70倍以上，其抗汽蝕能力與不銹鋼（0Cr13Ni5Mo）相當(dāng)。

（3）表面粗化噴砂材料選用20#的棕剛玉，噴砂材料重復(fù)使用不得超過(guò)兩次。

（4）采用SulzerMetco生產(chǎn)的 DJ2700水冷式高速火焰噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，氣體噴出噴槍速度可應(yīng)達(dá)到 2000m/s（ ＞1360m/s）

4.5 涂層質(zhì)量檢驗(yàn)

4.5.1 目視檢驗(yàn)

在光線充分的條件下檢查涂層表面質(zhì)量，涂層應(yīng)呈淺灰色，涂層厚度均勻，無(wú)凹坑，無(wú)凸起，無(wú)裂紋、無(wú)剝離，如有難以判斷的情況，應(yīng)使用5～10放大鏡進(jìn)行觀察。

4.5.2 涂層厚度檢查

應(yīng)采用測(cè)厚儀測(cè)量涂層厚度，涂層厚度應(yīng)在0.3～0.5mm之間，涂層厚度應(yīng)記錄在檢查表中。

4.5.3 附著力測(cè)試

在產(chǎn)品噴涂前和每套機(jī)組的每一類部件的首件，在相同的條件下噴涂一組（至少3件試樣）涂層附著力測(cè)試試件，試件上涂層厚度不低于0.38mm，并按照ASTMC633-2001進(jìn)行涂層附著力測(cè)試，取試樣平均值作為附著力的最終值，涂層附著力不應(yīng)低于70MPa。噴涂施工方應(yīng)提前3天通知業(yè)主見證試件的噴涂和附著力測(cè)試試驗(yàn)。

4.5.4 硬度測(cè)試

在噴涂產(chǎn)品前噴涂三件硬度試樣。按照ASTM E18測(cè)試試樣的涂層硬度，采用標(biāo)尺HR15N進(jìn)行測(cè)試。為得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果，試樣表面應(yīng)磨削平整，噴涂后試樣應(yīng)再次磨削平整后進(jìn)行硬度測(cè)試，在試樣上至少測(cè)試10點(diǎn)數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均值作為最終的硬度值，硬度值不得低于HR15N82.0，且這些硬度值的標(biāo)準(zhǔn)偏差不得大于1.0。

4.5.5 顯微組織檢測(cè)

在噴涂產(chǎn)品前噴涂三件顯微組織檢測(cè)試樣。顯微組織檢測(cè)是為了評(píng)估涂層中空隙率，涂層與基體之間的雜質(zhì)狀況。將試樣沿橫截面切開，放大200倍后進(jìn)行檢測(cè)?？紫堵什淮笥?0%；涂層與基體之間的雜質(zhì)不大于15%；每一個(gè)視野中，涂層中的異物顆粒不超過(guò)一個(gè)；不得有裂紋。

4.6 修復(fù)效果及存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)兩臺(tái)機(jī)組的實(shí)際檢驗(yàn)，噴涂效果良好，最早噴涂的4號(hào)機(jī)組在經(jīng)歷過(guò)高含沙水流下的長(zhǎng)期運(yùn)行后，涂層保持完好，基本達(dá)到了預(yù)期的使用效果。但隨著機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)的增加，也逐步暴露出一些問(wèn)題。（1）新舊碳化鎢涂層的過(guò)渡區(qū)域結(jié)合力問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，過(guò)渡部位結(jié)合力不夠理想，雖不至于在短時(shí)間內(nèi)引發(fā)新的空蝕出現(xiàn)，但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后將會(huì)是新空蝕發(fā)生的重點(diǎn)部位。在隨后進(jìn)行的2號(hào)機(jī)組噴涂中采取了將舊涂層全部去除的方式，造成了成本的增加。（2）采取大規(guī)模的常規(guī)方式氬弧焊補(bǔ)焊，每個(gè)點(diǎn)的補(bǔ)焊量都很小，結(jié)合強(qiáng)度不盡如人意，目前還未出現(xiàn)機(jī)體損傷的情況，可以預(yù)見，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，補(bǔ)焊部位結(jié)合力不足的缺陷會(huì)是會(huì)對(duì)碳化鎢涂層造成一定影響。

5 結(jié)語(yǔ)

采用碳化鎢粉末對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件進(jìn)行防護(hù)是較為可靠、成熟的防護(hù)技術(shù)，可以有效防止機(jī)組的空蝕、磨蝕。但隨著機(jī)組的運(yùn)行年限增加，碳化鎢涂層脫落是必然現(xiàn)象，如何經(jīng)濟(jì)、有效的對(duì)碳化鎢涂層進(jìn)行修補(bǔ)目前國(guó)內(nèi)外均無(wú)成熟的運(yùn)用技術(shù)，小浪底電站水輪機(jī)過(guò)流部件碳化鎢修復(fù)采取的工藝及方法目前還處于初步探索階段，存在著一些問(wèn)題。但從應(yīng)用效果上看，可以緩解現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)題，也對(duì)碳化鎢涂層修復(fù)問(wèn)題研究指明了方向，值得借鑒和推廣。

［1］任巖.高速氧燃噴涂碳化鎢在水輪機(jī)磨蝕防護(hù)中的應(yīng)用 ［J］.水力發(fā)電，2009（08）：61-63.

［2］朱曉斌，水輪發(fā)電機(jī)組過(guò)流部件抗磨蝕技術(shù)研究［J］.水電與新能源，2013（06）：151-152.

［3］黃明.葛洲壩電廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪磨蝕情況分析與檢修工藝［J］.焊接技術(shù)，2006（04）：35-36.

［4］梅華鋒.一種新型超音速等離子設(shè)備噴涂WC涂層的研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015（01）：31-32+63.

［5］孫艷秋.水電站厚鋼板壓力鋼管埋弧焊工藝淺析［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015（02）：86-88.

［6］周若愚.大型混流式水輪機(jī)座環(huán)安裝與焊接工藝［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014（01）：69-72.

［7］馬素萍.對(duì)水輪機(jī)泥沙磨損保證值參數(shù)檢測(cè)的探討［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014（06）：17-18.

［8］孫玉林.水輪機(jī)防磨技術(shù)措施［J］.東方電機(jī)，2003（03）：101-105.

［9］米谷貞吉.水輪機(jī)磨損修補(bǔ)技術(shù)的開發(fā)［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，1989（01）： 69-70.

［10］張建勝.水輪機(jī)抗磨蝕技術(shù)在魏家堡水電站中的應(yīng)用［J］.小水電，2005（03）：39-41.

［11］謝翠松.水輪機(jī)沙粒磨損問(wèn)題研究［J］.湖北水力發(fā)電，2002（01）： 39-42.

TV61

B

1008-1305（2017）05-0062-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.021

2016-10-18

盧建勇（1973年—），男，高級(jí)工程師。