水輪機(jī)熱噴涂抗磨防汽蝕技術(shù)的應(yīng)用與探討

一、問題的提出

水輪機(jī)汽蝕問題一直長期威脅著水力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。水輪機(jī)汽蝕隨著不同的運(yùn)行工況、不同效率區(qū)、不同水頭變化而變化。伴隨著水流中泥沙對轉(zhuǎn)輪的磨損，加劇了水輪機(jī)的損耗。雖然采取了防止和減少汽蝕的措施，但對于大多數(shù)機(jī)組來說，水輪機(jī)用于汽蝕修理的費(fèi)用頗多，并且壽命較低，一些機(jī)組在運(yùn)行十余年左右已經(jīng)更換轉(zhuǎn)輪或使用備用轉(zhuǎn)輪了。然而，熱噴涂技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，在水輪機(jī)抗磨防汽蝕方面得到應(yīng)用并具有廣闊的前景。

二、熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)屬于表面工程學(xué)的范疇，材料表面強(qiáng)化和表面改性的新技術(shù)。它是利用某種熱源將涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，同時(shí)借助于焰流或高速氣體將其霧化，并推動(dòng)這些霧化后的粒子噴射到基體表面，沉積成具有某種功能的涂層。它可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。

熱噴涂技術(shù)是在1908年由瑞士的schoop博士發(fā)明進(jìn)行噴涂試驗(yàn)的。1981年在首屆熱噴涂(焊)技術(shù)交流推廣會(huì)后，我國的熱噴涂技術(shù)迅速發(fā)展，在我國的各工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1995開始，在西藏羊湖電站機(jī)組裝機(jī)中，先后對部分機(jī)組的部分部件進(jìn)行了熱噴涂處理。采用的是由METCO開發(fā)的熱噴涂技術(shù)，應(yīng)用的涂層材料是“DLATURB”。這種碳化鎢硬性表面材料，是為了用于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)而專門開發(fā)的。其中主要成分碳化鎢(WC)為黑色六方晶體，硬度與金剛石相近，號稱硬王；為電、熱的良好導(dǎo)體，耐磨損、耐腐蝕、耐高溫。采用高速熱噴涂形成的附加碳化鎢涂層，其最小厚度為0.5mm。這些被噴涂的不銹鋼部件最小硬度為300HB。材質(zhì)為最小硬度為300HB的GX5CrNil3.4不銹鋼。

三、應(yīng)用實(shí)例

西藏羊湖(羊卓雍湖)電站為抽水蓄能電站，安裝4臺(tái)伏伊特公司生產(chǎn)的三機(jī)式抽水蓄能機(jī)組，1臺(tái)哈爾濱電機(jī)廠制造的常規(guī)機(jī)組。單機(jī)發(fā)電容量22.5Mw，單機(jī)抽水流量2.0m3/s。

電站廠房安裝間高程為3604.30m；上庫(羊湖)發(fā)電／抽水水位最高4442.58m，平均4440.4m，最低4437.06m；下游最高尾水位(發(fā)電)3597.40m。發(fā)電工況最大水頭843m，三機(jī)同時(shí)運(yùn)行工況最大水頭859.0m，額定水頭816.0m，最小水頭790.0m。水輪機(jī)為豎軸、三噴嘴水斗式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)速750r/min。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑為1565mm，轉(zhuǎn)輪最大外徑1956mm；水斗20個(gè)，內(nèi)寬390mm，噴嘴出口直徑140mm，進(jìn)口直徑420mm，噴嘴出口射流速度126.5m/s。水質(zhì)總堿度12.4Nmg/1，具有一定腐蝕性。

機(jī)組安裝時(shí)出于抗汽蝕、抗磨和防腐的考慮和造價(jià)控制的要求對下述部件進(jìn)行了噴涂處理：

與有腐蝕性湖水接觸而未用不銹鋼制造的全部水輪機(jī)零部件。

用于三機(jī)抽水蓄能的1號及2號機(jī)的轉(zhuǎn)輪、噴嘴口、噴針頭、折向器，采用了抗磨防汽蝕保護(hù)。

3號機(jī)、4號機(jī)的噴針頭及噴嘴口和6套備用的噴針頭及噴嘴口也采用了抗磨防保護(hù)。

在設(shè)備被噴涂之前，進(jìn)行預(yù)熱和噴砂處理，執(zhí)行的是DIN55928標(biāo)準(zhǔn)。采用乙炔／氧氣，使用預(yù)熱噴燈給設(shè)備預(yù)熱。使用專門的熔凝氧化鋁(剛玉) (顆粒0.5—1.0mm)，通過可移動(dòng)的噴砂裝置進(jìn)行噴砂處理。

設(shè)備噴涂采用的是METCO的JD型鉆石牌噴射器，采用的方法是利用高速氧燃料(HVOF)噴涂涂層。該噴涂設(shè)備使用方便，設(shè)備的部件是可移動(dòng)的。直徑100mm及以上且長度大于50mm的長內(nèi)腔，可通過噴槍延長的方法進(jìn)行噴涂；直徑與長度比約1:1的內(nèi)腔可用DJ型噴槍噴涂涂層。對于旋轉(zhuǎn)對稱的幾何結(jié)構(gòu)部件，使用特制的翻身轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。需要在特殊部位噴涂的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉和類似部件，夾緊在用手易于移動(dòng)的裝置中。

在噴涂過程中，使用有溫度探針的溫度測量裝置監(jiān)測涂層的溫度。根據(jù)噴涂層厚度的增加量，借助厚度測量裝置進(jìn)行監(jiān)測。涂層允許粗糙度用粗糙度測量裝置進(jìn)行檢測。

最后處理，使用金剛石砂輪進(jìn)行濕磨；使用特制磨料干磨。這些磨料由METCO提供。

羊湖電廠為拉薩電網(wǎng)的主力電廠，承擔(dān)著全網(wǎng)60~70％的電力負(fù)荷，每臺(tái)機(jī)組的年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)均在6000小時(shí)以上，尤其在10月~4月間，日平均運(yùn)行均在21小時(shí)以上。從1997年運(yùn)行投產(chǎn)以來，至2004年轉(zhuǎn)輪汽蝕磨損輕微，但沒有噴涂的3、4#轉(zhuǎn)輪相繼發(fā)生汽蝕。5號機(jī)組為國產(chǎn)轉(zhuǎn)輪，2004年投入運(yùn)行，一年后就發(fā)生汽蝕，并且較為嚴(yán)重。噴涂的1#、2#轉(zhuǎn)輪2007年底涂屢局部脫落，至2008年底，有擴(kuò)大趨勢，但汽蝕基本沒有，隨著涂層的脫落，汽蝕將會(huì)產(chǎn)生。目前羊湖電廠機(jī)組定期汽蝕檢查處理的間隔為，1#、2#機(jī)組每1000小時(shí)，3#、4#機(jī)組500小時(shí)、5#機(jī)組250小時(shí)，可見檢修維護(hù)量之大。

實(shí)際應(yīng)用表明，碳化鎢涂層至少在10年內(nèi)有效防止汽蝕的破壞和磨損，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)與國外轉(zhuǎn)輪材質(zhì)和加工工藝的不同，對汽蝕也會(huì)產(chǎn)生不同的效果。

四、效果分析與探討

通過熱噴涂技術(shù)在轉(zhuǎn)輪抗汽蝕耐磨的應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、不受或很少受零件的尺寸大小及形狀條件的限制。

2、被噴涂的部件表面受熱的影響較小，不易變形。

3、工藝操作程序簡單，效率高。

4、涂層的厚度容易控制。

5、能夠使普通材料獲得特殊的表面機(jī)械性能。

6、成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

水力發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)防汽蝕抗磨的實(shí)際情況看，由于早期投產(chǎn)的轉(zhuǎn)輪材質(zhì)和加工工藝的問題，汽蝕和磨損較為嚴(yán)重，直接影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。黃河流域電站的水輪機(jī)汽蝕磨損嚴(yán)重，檢修維護(hù)費(fèi)用巨大，一些水廠在運(yùn)行十年后，相繼加工更換備用轉(zhuǎn)輪。例如松花江流域的白山電廠，1985年投產(chǎn)，盡管江水泥砂含量較少，但在2008年也已陸續(xù)對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行更換，耗資巨大。

噴涂的良好抗磨防汽蝕效果，并且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益比，從羊湖電廠的應(yīng)用也證明了這一點(diǎn)。我們可以在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、尾水管、轉(zhuǎn)輪室、葉片等易于磨損和發(fā)生汽蝕的部位進(jìn)行局部噴涂或整體噴涂，獲得較高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長機(jī)組的檢修周期。