高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的應(yīng)用

胡 江, 劉文舉, 周 昊，樊自拴

（1.河北易縣水利局，易縣 074200；2.河北易縣旺隆水電站，易縣 074200；3.北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心，北京 100083）

易縣地處太行山脈北端東麓，河北省中西部，地域廣闊，全縣總面積2534平方公里，地勢(shì)西高東低，流域面積200平方公里以上的河流有五條，特別是西部山區(qū)落差大，水流急，形成了豐富的水電資源，全縣水能資源理論蘊(yùn)藏量為30.64萬(wàn)kW，可開(kāi)發(fā)量為23.3萬(wàn)kW。1995年易縣通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收成為河北省唯一的初級(jí)電氣化縣， “十五”和“十一五”期間易縣又分別被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)列為全國(guó)水電農(nóng)村電氣化縣。截止目前易縣農(nóng)村小水電運(yùn)行電站9座，總裝機(jī)容量29860kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量11552萬(wàn)kWh，水輪機(jī)25臺(tái)，有混流式水輪機(jī)也有沖擊式水輪機(jī)，有立軸布置也有臥軸布置，既有引水式電站也有壩后式電站，其中7座引水式電站都分布于拒馬河流域。拒馬河河水含沙量大，年平均含砂量為2.92kg/m3，多年平均輸砂量91.3萬(wàn)t，多為推移質(zhì)，顆粒粗，粒徑d50=lmm，大部分為石英，硬度大，磨損力強(qiáng)。近年來(lái)天旱少雨，引用水流量小，影響渠道沉沙池及各電站沉沙池的排沙效果，造成汛期過(guò)機(jī)泥沙量大，加上各電站水輪機(jī)組吸出高程均為+Hs，即均為正值，形成空蝕、磨損聯(lián)合作用，而各電站水輪機(jī)均按清水河流條件設(shè)計(jì)，機(jī)組轉(zhuǎn)速高，因此加劇了水輪機(jī)過(guò)流部件的磨蝕破壞。

為了解決上述問(wèn)題，多年來(lái)我們引進(jìn)并應(yīng)用了多種抗磨蝕技術(shù)，例如：在臥式水輪機(jī)頂蓋鑲襯輝綠巖鑄石，增加固定部件的抗磨蝕能力；采用金屬噴焊技術(shù)，對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪背水邊和活動(dòng)導(dǎo)水葉表面進(jìn)行保護(hù)；采購(gòu)備用轉(zhuǎn)輪更換母體材料，由低碳鋼轉(zhuǎn)輪改為鎳鉻不銹鑄鋼葉片轉(zhuǎn)輪；對(duì)已經(jīng)磨損的轉(zhuǎn)輪，修復(fù)后采用全國(guó)水機(jī)磨蝕試驗(yàn)研究中心的非金屬抗磨蝕保護(hù)涂層；此外，還采用過(guò)加裝擾流板、加高尾水水位等抗磨蝕方法。2010年，我們又引進(jìn)一項(xiàng)新技術(shù)——北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層技術(shù)，應(yīng)用于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪并進(jìn)行了抗磨蝕試驗(yàn)。

1 非晶納米晶復(fù)合涂層簡(jiǎn)介

非晶納米晶復(fù)合涂層是一種高耐磨、耐腐蝕的新型涂層，利用材料表面納米化提高材料的耐磨性能，同時(shí)將材料表面非晶化來(lái)提高材料的耐腐蝕性能，通過(guò)控制非晶化和納米化的程度，從而使材料表面具有優(yōu)異的既耐磨又耐腐蝕的綜合性能。選擇易于形成非晶的合金成份并進(jìn)行優(yōu)化，利用合適的工藝制備出非晶納米晶粉末，然后利用活性燃燒高速噴涂技術(shù)制備具有高耐蝕耐磨特性的表面納米涂層?；钚匀紵咚偃?xì)鈬娡考夹g(shù) （AC-HVAF）是一種用于在金屬表面沉積金屬合金和燒結(jié)碳化物的工藝，涂層材料以預(yù)合金或合成粉末形式喂給噴槍，壓縮空氣和燃?xì)?（丙烷，丙烯或MAPP氣體）在噴槍中燃燒產(chǎn)生高速燃燒產(chǎn)物氣流，粉末在這個(gè)氣流中只被加熱到其熔點(diǎn)下100～200℃而被加速到非常高的速度，通常在700～800m/s的范圍內(nèi)，這些粉末粒子沖擊到工件表面，使噴涂粒子發(fā)生變形而形成涂層，同時(shí)工件的表面也會(huì)發(fā)生微觀上的變形 （影響深度一般為幾個(gè)微米），這就使涂層的結(jié)合強(qiáng)度大幅提高。材料不熔化以及高的沖擊速度，使AC-HVAF涂層沉積工藝顯示出與眾不同的特性，涂層材料在飛行過(guò)程中的氧化很少，涂層中的氧含量也相應(yīng)地非常少。這種技術(shù)所得到的涂層非常致密，通常沒(méi)有金相可見(jiàn)孔隙，涂層孔隙率一般都在1%以下。

2 轉(zhuǎn)輪涂層抗磨蝕試驗(yàn)方法

應(yīng)用高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層保護(hù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕試驗(yàn)選擇在紫荊關(guān)一級(jí)水電站1號(hào)機(jī)組進(jìn)行。紫荊關(guān)一級(jí)水電站位于跨流域引水的紫荊關(guān)“五一”引水渠道上。 “五一”引水渠是將拒馬河水引入建在中易水河上游的安格莊水庫(kù)，渠首建一座橡膠壩，在春、夏、秋三季為無(wú)壩引水，冬季用橡膠壩蓄水，以防止冰凌阻水影響發(fā)電。 “五一”引水渠長(zhǎng)8.5km，設(shè)計(jì)最大引水能力25m3／s，總落差354m，規(guī)劃分六級(jí)開(kāi)發(fā)，已投入運(yùn)行的電站有5座，紫荊關(guān)一級(jí)水電站為梯級(jí)的第一級(jí)，水質(zhì)條件最惡劣，雜物多、泥沙含量大，1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪相對(duì)其他兩臺(tái)機(jī)組磨蝕更嚴(yán)重。紫荊關(guān)一級(jí)水電站水輪機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

將已經(jīng)運(yùn)行2年的備用轉(zhuǎn)輪 （如圖1）進(jìn)行補(bǔ)焊修型后安裝在1號(hào)機(jī)組上。由于紫荊關(guān)一級(jí)水電站為徑流引水式電站，水輪機(jī)的水頭、流量基本恒定，對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄，并重點(diǎn)對(duì)機(jī)組空載和滿載開(kāi)度進(jìn)行記錄，便于與噴涂后對(duì)比。由北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心進(jìn)行高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層保護(hù)加工 （如圖2、3），噴涂前首先對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行噴砂除銹，然后采用活性燃燒高速噴涂技術(shù)對(duì)該轉(zhuǎn)輪進(jìn)行涂層保護(hù)。針對(duì)該轉(zhuǎn)輪的14個(gè)對(duì)稱葉片，制備了6種涂層，分別是Fe基涂層、Ni46涂層、Ni67涂層、Ni60涂層、CoWC涂層和高鉻不銹鋼涂層?？紤]到水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的平衡和變形，分別在對(duì)稱方向葉片上噴涂相同的涂層。

表1 紫荊關(guān)一級(jí)水電站水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

選擇在水質(zhì)相對(duì)不好的汛期對(duì)涂層進(jìn)行試驗(yàn)，將噴涂完成后的轉(zhuǎn)輪安裝在水輪機(jī)上，記錄各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與噴涂前進(jìn)行比較。共計(jì)滿負(fù)荷運(yùn)行120天，2808小時(shí)，試驗(yàn)期間每運(yùn)行30天左右進(jìn)行停機(jī)檢查，檢查的方法是打開(kāi)尾水彎管目測(cè)檢查轉(zhuǎn)輪涂層，并用照片記錄對(duì)比。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)束后，轉(zhuǎn)輪上的涂層基本完好無(wú)破損 （如圖4）。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)輪的形貌、水輪機(jī)負(fù)載狀況等指標(biāo)分析，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上應(yīng)用高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層制備工藝，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪整體完好，轉(zhuǎn)輪葉片和軸孔未觀察到形變，完全能夠滿足水輪機(jī)效率及轉(zhuǎn)輪安裝要求。

運(yùn)行中輸出功率與未噴涂前比較，由于對(duì)備用轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了修復(fù)，經(jīng)過(guò)修形后噴涂的轉(zhuǎn)輪與檢修前相比出力略有提高，導(dǎo)葉開(kāi)度由45度變?yōu)?0度，帶滿出力。且此涂層制備工藝對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片原始出力設(shè)計(jì)沒(méi)有影響，既可以應(yīng)用于舊轉(zhuǎn)輪的修復(fù)，又可以對(duì)新轉(zhuǎn)輪進(jìn)行預(yù)噴涂處理。

從葉片形貌上看，原普通鑄鋼 （A3）經(jīng)一個(gè)汛期運(yùn)行轉(zhuǎn)輪部分過(guò)水面破壞形成魚(yú)鱗坑，葉片背面呈海綿狀蜂窩麻面，嚴(yán)重時(shí)出水邊成鋸齒狀破壞。經(jīng)非晶納米晶復(fù)合涂層保護(hù)后的轉(zhuǎn)輪表面經(jīng)一個(gè)汛期運(yùn)行后未發(fā)現(xiàn)明顯的磨蝕區(qū)，涂層表面基本完好，只是在極個(gè)別的地方發(fā)現(xiàn)涂層剝離，但剝離面積很小，不超過(guò)4cm2，而且剝離發(fā)生在涂層的邊緣部位。明顯優(yōu)于原來(lái)基體材料 （A3）的抗磨蝕性能。

圖1 運(yùn)行后的轉(zhuǎn)輪

圖2 噴涂中的轉(zhuǎn)輪

圖3 噴涂后的轉(zhuǎn)輪

圖4 運(yùn)行后的轉(zhuǎn)輪

總體上高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層抗磨蝕性能優(yōu)異，為多泥沙水電站的水輪機(jī)過(guò)流部件抗磨蝕工作提供了新的途徑，值得在水輪機(jī)上應(yīng)用和推廣。但由于噴涂設(shè)備限制，轉(zhuǎn)輪流道狹小，葉片迎水面與噴涂粒子射流不成90度，從而影響了涂層的結(jié)合強(qiáng)度;轉(zhuǎn)輪葉片背水面是一個(gè)曲面，要掌握噴涂粒子流與葉片表面保持或接近90度不易控制，影響噴涂保護(hù)效果，有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。

3 結(jié)論

高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層在水輪機(jī)葉片上的應(yīng)用，可以提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕能力，有效延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪的使用壽命，降低電站的運(yùn)行成本，增加效益。該項(xiàng)技術(shù)不但可以對(duì)舊轉(zhuǎn)輪進(jìn)行修復(fù)涂層保護(hù)，還可在新轉(zhuǎn)輪上加工涂層，延長(zhǎng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的使用壽命，為解決我國(guó)水輪機(jī)泥砂磨損問(wèn)題提供了一條新途徑，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]孫冬柏，樊自拴，俞宏英，等.高耐蝕耐磨非晶納米復(fù)合涂層的研究進(jìn)展[J].熱噴涂技術(shù)，2009(2)：1-9.

[2]顧四行，楊天生，閔京聲.水機(jī)磨蝕[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.