電火花表面強化技術(shù)在多泥沙河流水輪機磨蝕表面抗磨應(yīng)用及研究

郭萬宇，程 巖，楊 東，雷 榮，韓木植

(1.國電云南電力有限公司，云南昆明 650021;2.德宏福榕大盈江水電開發(fā)有限公司，云南德宏州 679308)

1 概述

我國有相當(dāng)數(shù)量的河流為多泥沙河流，年輸沙量超過14萬t的河流有42條。如黃河，其年平均含沙量為 36.9kg/m3，汛期最高可達 933kg/m3，年輸沙量為15.7億t;云南省內(nèi)河流大多為泥沙河流，含沙量相對比較高，以瀾滄江為首，年平均含沙量為18.9kg/m3。水輪機在含沙量大的水流作用下長期使用，各部件受磨損和汽蝕損壞，嚴(yán)重影響設(shè)備的壽命和安全運行，每年因泥沙磨蝕導(dǎo)致設(shè)備效率降低、檢修費用增加以及損失電量增加等累計經(jīng)濟損失可高達數(shù)千萬元。若要更換一套新水輪機設(shè)備，則其價格昂貴，成本太高不合算。因此，選取合理的表面處理技術(shù)來提高水輪機的耐磨性和抗汽蝕性具有顯著的經(jīng)濟效益和實用價值。

1.1 研究背景

大盈江流域面積為5676km2，支流及盈江盆地邊緣地帶滑坡、泥石流密集，僅大盈江沿岸就有泥石流溝116條，水土流失嚴(yán)重。多年平均懸移質(zhì)含沙量0.47kg/m3，年輸沙量313萬t，90%的泥沙都集中在5月到10月的汛期，泥沙材質(zhì)為花崗巖，直徑為0.5～12mm不規(guī)則晶體顆粒，硬度高，對機組過水部件磨蝕較快。大盈江一級電站系大盈江流域開發(fā)的第一級電站，1至3號水輪發(fā)電機組于2007年先后投產(chǎn)發(fā)電，僅運營3年，水輪機轉(zhuǎn)輪、底環(huán)抗磨板、抗磨環(huán)等就出現(xiàn)嚴(yán)重磨蝕情況:大部分抗磨環(huán)不銹鋼層已沖刷完畢，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)的迷宮齒已嚴(yán)重磨損形成三角形;下環(huán)有多處沖刷出溝槽，上端面外側(cè)已沖刷呈波浪形;轉(zhuǎn)輪葉片進水面根部磨損及汽蝕現(xiàn)象嚴(yán)重;磨損還導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙增大，葉片線形改變，抗磨環(huán)過流面間隙不均勻，機組振動加大，影響了機組出力。

1.2 水輪機組成

大盈江電站水輪機為混流式水輪機，裝機容量為3×36MW，水輪機轉(zhuǎn)輪總重18229kg，下環(huán)外沿直徑3370mm，水輪機整體高度為1847.2mm，下環(huán)外表面直徑3330mm，下環(huán)高875mm，上冠直徑2500mm，上冠高度為150mm。轉(zhuǎn)輪的組成見表1。

表1 水輪機轉(zhuǎn)輪的組成

1.3 水輪機磨蝕機理

水輪機的泥沙磨蝕分為普遍磨蝕和局部磨蝕兩種。普遍磨蝕一般磨蝕均勻，磨蝕面積大而淺，在一般無汽蝕情況下，其磨蝕發(fā)展通常比較慢。

局部磨蝕一般會產(chǎn)生磨蝕溝槽，面積小而深，危害極大，往往是水輪機失效的直接根源。局部磨蝕通常發(fā)生在有局部脫流的部位，盡管局部脫流不一定產(chǎn)生汽蝕，有時局部脫流發(fā)生在壓力較高的部位，如導(dǎo)葉端部，這些區(qū)域似乎不太可能發(fā)生汽蝕。但局部脫流是局部磨蝕的根源。水流中含有泥沙，對水輪機過流部件造成磨損，高速含沙水流通過過流表面，有摩擦切削作用和化學(xué)作用。含沙水流沖擊過流表面的瞬間，可產(chǎn)生高溫高壓使金屬表面氧化，急劇的溫度變化引起金屬保護膜的破壞而引起局部腐蝕。產(chǎn)生交變應(yīng)力加速了金屬保護膜的破壞，某些堅硬的泥沙顆粒(如石英砂)的硬度，高于金屬材料的硬度且具有尖銳的棱角，以很高的速度沖擊金屬表面時，引起金屬表面細微顆粒逐步脫落。泥沙顆粒擦傷金屬，磨損形成溝槽，其方向與水流方向一致。由于金屬表面不平整，加劇了局部汽蝕的發(fā)生和材料的破壞。

水輪機表面強化技術(shù)目前基本分為冷噴涂磨損修復(fù)、熱噴涂磨損修復(fù)、電火花表面強化磨損修復(fù)共三種，各有其特點及應(yīng)用范圍［1－5］。本文重點介紹電火花表面強化磨損修復(fù)技術(shù)及特點［6－7］。

2 電火花表面強化工藝

2.1 設(shè)備選型及電極材料選擇

根據(jù)水輪機過水部件選擇堆焊材料和電火花堆焊設(shè)備參數(shù)，確保過水部件表面抗磨處理的性能。大盈江公司轉(zhuǎn)輪材料為ZGOCr16Mo，堆焊材料選用碳化鎢材料;電火花堆焊的設(shè)備為CAAMS SEIT制造的DZ－4000系統(tǒng)P=1.5kW。

2.2 材料性能特點及化學(xué)成分

WC和 WC－8Co的顯微硬度分別為 83、89HRA，密度分別為14.5、14.5 ～14.9g/cm3。電極棒性能特點見表2。WC化學(xué)成分:W為95.96%，C為3.7% ～4.0%，其中還含有微量的 Si、Mn、Cr、P、S等元素。WC－8Co主要化學(xué)成分:W為85.1%，C為6.9%，Co 為 8.0%。

表2 WC和WC－8Co電極棒性能

從表2可以看出，加入Co的WC電極棒沖擊韌性和抗彎強度明顯提高，耐磨性也有很大的改善。

2.3 耐磨材料磨損速率測試

采用HT－600型高溫摩擦磨損試驗機進行室溫干摩擦磨損試驗，試驗裝置見圖1。對磨球試樣為Ф6mm的YG8硬質(zhì)合金球。利用AEL－200型電子分析天平進行磨損量的測定。

圖1 摩擦磨損試驗機示意

在該試驗條件下WC和WC－8Co電極棒的磨損速率分別為 3.4 ×10－5、1.19 ×10－5mg/r。

2.4 電火花沉積處理工藝的優(yōu)缺點

電火花沉積處理與常規(guī)表面化學(xué)熱處理、高能束表面強化、噴涂等表面強化工藝相比較，具有許多特點。電火花沉積處理工藝的優(yōu)點:

（4）《財政部 稅務(wù)總局關(guān)于延續(xù)支持農(nóng)村金融發(fā)展有關(guān)稅收政策的通知》[5]中明確規(guī)定2017年1月1日-2019年12月31日，對金融機構(gòu)農(nóng)戶小額貸款的利息收入，免征增值稅。

(1)電火花沉積是在空氣或氬氣中進行，不需要特殊、復(fù)雜的處理裝置和設(shè)施，如真空系統(tǒng)或特制的容器等，因此工藝設(shè)備簡單。電火花沉積設(shè)備沒有傳動機構(gòu)、工作臺等機械構(gòu)件，攜帶方便，使用靈活，設(shè)備投資和運行費用低，這也是沉積工藝能夠被廣泛地推廣應(yīng)用的有利因素。

(2)可對零件、設(shè)備表面施行局部沉積，也可對一般幾何形狀的平面或曲面進行沉積，比如刀具，模具和機械零件，對刃口和易磨損部位進行沉積處理，能達到提高硬度和耐磨性的目的。

(3)不會使工件退火或熱變形。電火花沉積時雖然在放電瞬時能使材料熔化，以至形成汽化的高溫。但是，由于放電時間很短，放電點的面積又很小，因此放電的熱作用只發(fā)生在工件表面的微小區(qū)域。就整個工件來說，仍處于常溫狀態(tài)或溫升較低，工件不會退火或熱變形。

(4)沉積層與基體的結(jié)合非常牢固，不會發(fā)生剝落。沉積層是電極和工件材料在放電時的瞬時高溫高壓條件下重新合金化而形成的新合金層，而不是電極材料簡單的涂覆和堆積。

(5)電極材料可以根據(jù)用途自由選擇。對于沉積設(shè)備、模具以提高耐磨性為目的的沉積，可選用YG類硬質(zhì)合金，能形成高硬度、高耐磨、抗腐蝕的沉積層。而以修復(fù)機器零件已磨損部位為目的沉積，可采用碳素鋼、紫銅、黃銅等材料作為電極，這些材料來源比較廣，而且材料消耗量也很少。

(6)沉積層厚度、沉積層質(zhì)量與沉積參數(shù)電壓、功率、頻率、時間等操作因素有關(guān)，可通過對沉積參數(shù)的調(diào)節(jié)和沉積時問的控制來獲得不同效果。

(7)操作方法容易掌握，不需要技術(shù)等級高的操作人員;不會產(chǎn)生有毒氣體，液體等環(huán)境污染物，噪音小;現(xiàn)場施工，不需要專用機具或返廠處理。

3 過水部件電火花表面強化處理及應(yīng)用

3.1 抗磨處理步驟

過水部件電火花表面抗磨處理主要步驟如下:

(1)對葉片表面進行去除油污及氧化層清理。

(2)采用電火花沉積堆焊工藝對水輪機葉片汽損傷部位精密焊補。參照設(shè)備手冊工藝，以得到銀白色均勻焊層為最佳效果;每堆焊一層，檢查堆焊層是否有氧化物等焊接缺陷，如有，用什錦銼清除并用銅絲刷清理后，再堆焊下一層。

(3)嚴(yán)把過程質(zhì)量。采用DL－4000D型電火花沉積(Electro－Spaosion，簡稱ESD)設(shè)備。在氬氣保護下進行，作為陽極的自耗電極在工件表面以4700r/s高速旋轉(zhuǎn)移動，產(chǎn)生高頻火花放電。操作時電極與工件表面接觸保持較好的沉積角度45℃，使工件表面形成20μm沉積厚度的最佳沉積層。

(4)沉積過程中嚴(yán)格控制周邊溫度。電火花沉積工藝的特點是電火花放電對基體的熱輸入低，不會使工件退火或變形。電火花沉積是脈沖放電，在放電間隔期間，放電區(qū)域的溫度以100℃/s的冷卻速度降低。因此熱量在基體中不產(chǎn)生熱影響區(qū)，沉積不會改變基體金屬的組織和特性，其周邊5mm范圍內(nèi)溫度不超過50℃。

(5)焊補后的表面沉積厚度0.02mm沉積層。

(6)沉積層表面清洗處理，完成全部工藝。

3.2 電火花表面強化面積計算

設(shè)水輪機一個葉片和上冠連接處需要沉積面積為S1，和下環(huán)連接處沉積面積為S2。由計算可知S1=5505.22cm2，S2=3120cm2，則單個葉片沉積的面積為:S1+S2=8625.22cm2。13個葉片一共需要沉積的面積為11.213m2。

綜上可知，電火花表面處理的部位集中在轉(zhuǎn)輪葉片部位，該水輪機13個葉片電火花處理總面積為11.213m2，沉積厚度為 20 ～40μm。經(jīng)試驗研究WC電極棒沉積厚度在40μm時效果最佳。

3.3 顯微硬度

電極材料WC－8Co硬質(zhì)合金棒，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為85.1%W、6.9%C 和8.0%Co。由圖2可以看出，強化層的硬度值較高，沿著強化層深度方向向基體延伸，顯微硬度值逐漸降低，硬度值最大值達到1892.5HV，在強化層上測量15個點，其平均硬度值為1875.9HV，比水輪機轉(zhuǎn)輪材料鑄鋼0Cr13Ni5Mo硬度350HV提高了近5倍。

圖2 強化層深度方向的顯微硬度分布曲線

3.4 沉積層耐磨性研究

圖3 為強化試樣和基體的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線，從圖中可以看出在30min內(nèi)，基體摩察系數(shù)明顯高于涂層，而且變化的幅度比較大，數(shù)值在0.3～0.6μ之間;涂層的摩擦系數(shù)較小而且比較穩(wěn)定，保持在 0.15 ～0.25 μ 之間。

圖3 電火花強化層與基體的摩擦系數(shù)

表3為強化層與轉(zhuǎn)輪材料鑄鋼0Cr13Ni5Mo的摩擦磨損試驗結(jié)果。強化層的相對耐磨性為:

式中:εw為強化層的相對耐磨性;△Wc為強化層的磨損速率，mg/r;△Ws為轉(zhuǎn)輪材料鑄鋼0Cr13Ni5Mo的磨損速率，mg/r。計算得知強化層的相對耐磨性為轉(zhuǎn)輪材料鑄鋼0Cr13Ni5Mo的3.75倍，說明強化以后耐磨性有較大幅度的提高。

表3 摩擦磨損試驗結(jié)果

經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過電火花表面強化處理后，沉積層顯微硬度較原水輪機基體提高了近5倍，耐磨性較原基體提高了2.75倍。

3.5 水輪機磨蝕形貌和電火花處理后形貌

大盈江公司水輪機常年在含沙量大的水域中運行，過水部件磨損嚴(yán)重，一般一年一小修進行過水部件局部修補，四年一大修進行過水部件全面修復(fù)。水輪機過水部件磨損主要集中在轉(zhuǎn)輪下環(huán)外沿和外表面、葉片和下環(huán)連接處、葉片和上環(huán)連接處、下環(huán)外表面、上冠外沿等的磨蝕等部位。

綜合大盈江水輪機過水部件磨蝕情況，采用多種表面技術(shù)相結(jié)合的方法對水輪機進行表面修復(fù)和強化處理，其沉積后表面光滑，具有較好的耐磨性，可以有效減緩沖刷磨損，確保水輪機安全運行。

3.6 水輪機表面強化應(yīng)用效果

經(jīng)過一個汛期運行后，經(jīng)過電火花表面強化后的部位依然清晰可見，用手觸摸仍糙手，略顯光滑。從水輪機葉輪表面可以看到修復(fù)后的各部位仍然完好，而未施工部位基材(底部向上延伸400mm段)磨損明顯，說明電火花強化技術(shù)修復(fù)的部位具有較好的耐磨性，能有效減緩沖刷磨損，可延長水輪發(fā)電機的大修周期，由原來的4年延長至5年，不僅大大降低運行維護成本，提高了水輪機的安全運行水平，而且一個檢修周期輪回3臺機可降低檢修成本約為540萬元左右。

4 結(jié)語

采用電火花表面強化技術(shù)，對大盈江公司水輪機磨損部位進行表面強化修復(fù)處理，經(jīng)過一個汛期的實際應(yīng)用結(jié)果表明，電火花表面強化處理的水輪機部位形貌完好，強化層清晰可見，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的泥沙磨損的缺陷，且強化層和水輪機基體結(jié)合良好，沒有發(fā)生剝落現(xiàn)象，說明電火花強化層具有較高的硬度，較好的耐磨性。由此可見，電火花表面強化技術(shù)能有效提高設(shè)備的耐磨性能和延長設(shè)備的使用壽命，在過流部件強化和修復(fù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景和獨特的應(yīng)用價值，此技術(shù)的應(yīng)用可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。

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