碳化鎢涂層在三門峽水電站1號機(jī)組過流部件上的應(yīng)用

楊 紅，崔立功

(三門峽黃河明珠集團(tuán)有限公司，河南三門峽 472000)

1 概述

三門峽水電廠現(xiàn)有7臺水輪發(fā)電機(jī)組、5臺軸流轉(zhuǎn)槳式和2臺混流式機(jī)組。由于三門峽水電廠位于黃河中下游，長期受黃河高泥沙水流影響，機(jī)組葉片外緣、轉(zhuǎn)輪室中環(huán)、導(dǎo)葉等部位磨蝕十分嚴(yán)重。機(jī)組已運行1萬h左右，上述部位磨蝕形成的蜂窩和蝕坑深度達(dá)20mm，機(jī)組基本進(jìn)入大修期，機(jī)組磨蝕對機(jī)組的安全性、經(jīng)濟(jì)性影響較大。為解決這一制約發(fā)電生產(chǎn)的技術(shù)難題，自1989年汛期開始，三門峽水電廠積極組織科技人員，大力開展汛期渾水發(fā)電科技攻關(guān)，分別在1號、4號和5號機(jī)組上進(jìn)行了38種國內(nèi)外抗磨蝕材料試驗，取得了一定的效果。1999年11月，針對三門峽黃河特殊水沙條件，中德合作對1號水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造，為解決三門峽水輪機(jī)嚴(yán)重磨蝕問題，技術(shù)人員進(jìn)行了大量的試驗研究工作，非金屬材料方面，先后用過環(huán)氧金剛砂、S80(美國)、聚氨酯橡膠 (德國)、熱噴涂尼龍、高分子聚乙烯進(jìn)行過試驗。在對金屬陶瓷材料碳化鎢涂層進(jìn)行試驗后，1號發(fā)電機(jī)組運行安全可靠性和穩(wěn)定性增大，單機(jī)負(fù)荷由原來的50MW提高到60MW。機(jī)組運行6871h后，經(jīng)停機(jī)檢查，水輪機(jī)抗磨蝕性能及機(jī)組效率大大提高，機(jī)組運行穩(wěn)定性好、振動小，整體改造效果明顯。

2 碳化鎢涂層的物理性能及噴涂工藝

碳化鎢涂層是一種金屬化合物涂料，為金屬陶瓷。以三門峽水電站1號機(jī)組為例:在經(jīng)過底基表面噴砂除銹及表面拋光打磨后，進(jìn)行無損探傷;對發(fā)現(xiàn)的表面缺陷利用氬弧焊技術(shù)進(jìn)行修補，再利用砂輪片進(jìn)行表面拋光打磨除脂除污后，對表面進(jìn)行活化處理;然后進(jìn)行控制 (控制基材溫度不超過120°C)噴涂，每次涂層厚度不大于12μm，涂層無臺階、脫落及不均勻現(xiàn)象;最后進(jìn)行滲透保護(hù)，即采用專用材料進(jìn)行涂層表面保護(hù)。

碳化鎢涂層物理性能如下:

涂層密度:13500kg/m3;

保護(hù)特性:顯微硬度1100～1300HV0.3;

粘接強(qiáng)度:大于70MPa;

抗磨能力:為13－4不銹鋼的70～80倍;

抗氣蝕能力:與13－4不銹鋼相當(dāng);

抗腐蝕能力:略低于13－4不銹鋼，不建議用于工業(yè)廢水處理及海水中;

使用溫度:低于400℃。

該涂層專用于含泥沙河流中，尤其是當(dāng)含沙量大于0.01kg/m3時的過流表面金屬防護(hù)。使用壽命與水流速、沖擊角、泥沙含量、泥沙類型有關(guān)。

3 碳化鎢涂層主要防護(hù)部位

碳化鎢涂層屬金屬陶瓷材料，應(yīng)用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室，葉片正面、背面、頭部及轉(zhuǎn)輪體等強(qiáng)汽蝕區(qū)。根據(jù)碳化鎢涂層特性，在改造后的1號水輪機(jī)過流部件的以下部位應(yīng)用碳化鎢涂層進(jìn)行防護(hù)，即水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室、7個葉片、葉片裙邊、轉(zhuǎn)輪體及24個導(dǎo)葉的立面密封面均采用碳化鎢涂層防護(hù)。

4 碳化鎢涂層應(yīng)用及技術(shù)修復(fù)

1999年11月，對1號水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造，2000年12月改造完成投入運行，至今已運行10年，經(jīng)歷了10個汛期的運行考驗。

4.1 機(jī)組技改后運行檢查情況

2005年汛前，對三門峽水電站1號機(jī)5年汛期運行情況進(jìn)行了全面檢查。結(jié)果顯示:上、下轉(zhuǎn)輪室連接環(huán)縫兩側(cè)均有碳化鎢涂層脫落現(xiàn)象，在7號、8號活動導(dǎo)葉下方4m長范圍內(nèi)有大約二十幾片碳化鎢涂層脫落，順?biāo)鞣较蛎黠@出現(xiàn)條狀局部汽蝕坑 (最大長度約100～200mm)，最大面積約5～6cm2，深約5mm，寬25mm。轉(zhuǎn)輪室上部過渡圓即底環(huán)在24號活動導(dǎo)葉對應(yīng)的下部有一長近1m、寬約260mm的碳化鎢涂層脫落，初步分析認(rèn)為是由于轉(zhuǎn)輪室局部凸出，在轉(zhuǎn)輪運行中該間隙過小夾有物體摩擦引起，其中離底環(huán)下部400mm的整個圓周方向間斷存在碳化鎢涂層脫落，形成磨蝕亮帶。

2008年汛前，對三門峽水電站1號機(jī)過流部件進(jìn)行了全面檢查和修復(fù)。葉片頭部邊緣汽蝕破壞嚴(yán)重已傷及母材，裙邊破壞呈鋸齒狀且其厚度明顯削薄，葉片背部因汽蝕局部出現(xiàn)碳化鎢涂層脫落現(xiàn)象;2005年5月，中環(huán)上部曾修復(fù)過的碳化鎢涂層部分脫落，脫落面積逐年增大;修復(fù)后，修復(fù)部位以下原涂層破壞加劇，因涂層脫落出現(xiàn)的亮帶區(qū)寬度逐年加大，由2006年的150mm增至300mm。2007年進(jìn)行軟涂層修復(fù)葉片裙邊時，因沒有清理干凈粘接在中環(huán)上的聚氨酯涂料，破壞了轉(zhuǎn)輪室流態(tài)，造成中環(huán)碳化鎢涂層破壞加劇，破壞在中環(huán)上呈線狀，沿葉片裙邊型線分布。

4.2 機(jī)組碳化鎢涂層磨損的技術(shù)修復(fù)

在全面檢查完成后，對1號水輪機(jī)過流部件碳化物涂層脫落部分進(jìn)行了全面、徹底的修復(fù)。

4.2.1 修復(fù)材料

焊接采用0Cr13Ni5Mo直徑3.2mm焊條和直徑1.2mm的焊絲;噴涂材料采用美國產(chǎn)5843粉末材料。

4.2.2 主要修復(fù)部位

(1)2005年主要修復(fù)部位。轉(zhuǎn)輪室上喉部寬350mm亮帶區(qū)域;中環(huán)組合縫上、下破壞嚴(yán)重和點狀破壞成片區(qū)域;5號葉片裙邊。

修復(fù)情況良好，噴涂厚度均在0.25～0.30μm。

(2)2008年主要修復(fù)部位。葉片頭部及裙邊的汽蝕部位補焊填平、圓滑過渡、修磨平整，表面噴涂碳化鎢;中環(huán)上部新增亮帶區(qū) (寬約250～300mm);葉片表面涂層脫落部位，尤其是葉片表面局部深坑。

4.2.3 機(jī)組碳化鎢涂層的修復(fù)流程和工藝

將涂層厚度小于0.1mm，或間隔型涂層損壞部位面積已達(dá)50%左右的舊涂層，采用涂層表面活化方式進(jìn)行去除。除塵除污，用工業(yè)丙酮除脂清洗。首先用磨具將破壞區(qū)域打磨使其顯露基礎(chǔ)材料。然后用石油液化氣，使用專用噴火加熱工具對補焊區(qū)進(jìn)行預(yù)熱。使用紅外測溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，加熱使補焊區(qū)溫度達(dá)到施焊溫度。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。在施焊過程中，使用紅外測溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)控，當(dāng)補焊區(qū)溫度達(dá)到停焊溫度時停止焊接，補焊區(qū)域自然降溫，測量補焊區(qū)域溫度，當(dāng)達(dá)到施焊溫度時再進(jìn)行控溫焊接，直到完成補焊操作。利用磨光、拋光工具進(jìn)行打磨，使補焊表面與原轉(zhuǎn)輪型線光滑過渡。拋光表面到▽5。利用PT滲透劑進(jìn)行檢查，無裂縫及氣孔、砂眼。最后進(jìn)行表面活化處理，控制噴涂，滲透保護(hù)。

4.3 機(jī)組碳化鎢涂層修復(fù)后的情況與技術(shù)分析

2005年，中環(huán)破壞部位經(jīng)碳化鎢現(xiàn)場噴涂處理后，經(jīng)過一個汛期發(fā)電運行，修復(fù)的碳化鎢涂層基本上保留下來，涂層厚度修復(fù)前后相比沒有太大變化，涂層整體防護(hù)效果良好。但仍發(fā)現(xiàn)有小塊涂層脫落現(xiàn)象，每塊面積約25mm2，涂層厚度一般在0.35～0.60mm;這種小塊涂層脫落現(xiàn)象，在修復(fù)區(qū)和原涂層的接合部位表現(xiàn)尤為明顯，小塊脫落部位已連成帶狀，帶狀寬約70～100mm。經(jīng)分析，主要是新噴涂層與原涂層間的粘接強(qiáng)度不夠造成的。

2008年，1號機(jī)過流部件經(jīng)過碳化鎢現(xiàn)場噴涂處理后，經(jīng)過一個汛期發(fā)電運行，葉片頭部修復(fù)過的碳化鎢涂層保留較好，個別葉片正面進(jìn)水邊頭部靠外緣側(cè)出現(xiàn)局部汽蝕破壞致使碳化鎢涂層脫落。葉片裙邊頭部汛前修復(fù)部位存在明顯汽蝕破壞，經(jīng)分析認(rèn)為是受現(xiàn)場條件限制，該部位修復(fù)時工藝控制較難達(dá)標(biāo)造成的;中環(huán)破壞情況與2005年基本相同，有明顯汽蝕破壞現(xiàn)象，汛前修復(fù)的碳化鎢涂層存在部分脫落。經(jīng)分析，主要是黃河泥沙對水輪機(jī)磨蝕破壞造成的。

4.4 整體處理效果及運用情況

4.4.1 改造前機(jī)組運行狀況

由于黃河中下游具有多泥沙的特點，對水輪機(jī)過流部件產(chǎn)生嚴(yán)重的汽蝕磨損，如葉片外緣端面及轉(zhuǎn)輪室中環(huán)，導(dǎo)水葉上下端面以及座環(huán)上下抗磨板處，并造成過流部件間隙增大，汽蝕磨損加劇。原機(jī)組轉(zhuǎn)輪8個葉片在樞軸根部都連續(xù)產(chǎn)生過裂紋，最長的達(dá)680mm，有的裂紋沿樞軸密封面向轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部延伸，造成機(jī)組漏油被迫多次停機(jī)，并發(fā)生過3次葉片失控。由于枯水期過機(jī)水流基本不含泥沙或較少含沙，水輪機(jī)運行正常。但洪水期高含沙水流對水輪機(jī)過流部件產(chǎn)生十分嚴(yán)重的磨蝕破壞，尤以葉片和轉(zhuǎn)輪室更為突出，水輪機(jī)平均大修周期只有10000h左右。1989年后，電站開始了有限的渾水期發(fā)電試驗，對水輪機(jī)過流部件采用多學(xué)科的材料對比試驗。但由于過流部件裂紋、汽蝕缺陷的頻繁發(fā)生和多次修補處理以及大噸位的焊條堆焊，水輪機(jī)過流部件已嚴(yán)重扭曲變形，雖采取必要的技術(shù)措施和較為理想的防護(hù)材料，仍然無法從根本上滿足原設(shè)計工況要求，造成三門峽水電站機(jī)組的可靠性、穩(wěn)定性、可利用率降低，由此帶來的一切不利因素嚴(yán)重威脅著電站安全、經(jīng)濟(jì)運行。

4.4.2 改造后機(jī)組運用情況

1999年11月6日，1號機(jī)改造開工，2000年12月27日改造完成投產(chǎn)，歷時13個月。2001年7月后，進(jìn)入洪水期運行，在平均含沙量11～31.6kg/m3條件下發(fā)電運行1240h(7月1日～10月10日)，發(fā)電4520萬kW·h，1號機(jī)出力與1999年舊機(jī)組相比平均大4～5MW。截至2002年8月31日，1號機(jī)發(fā)電運行8113h，發(fā)電49530萬kW·h，其中參與洪水發(fā)電運行1889h，汛期發(fā)電7000萬kW·h，最高運行水頭45m，最低運行水頭26m，汛期含沙量一般在50～80kg/m3。機(jī)組滿負(fù)荷60MW時水導(dǎo)軸承擺度0.10mm，上導(dǎo)軸承擺度0.12mm，頂蓋振動小，導(dǎo)葉套筒幾乎不上水，在同樣滿負(fù)荷工況下，導(dǎo)葉開度在58%時水輪機(jī)效率達(dá)到93%，明顯比其他未改造的機(jī)組導(dǎo)葉開度65%效率要高。1號水輪機(jī)運行工況的穩(wěn)定以及振動、擺度小，按要求在各水頭工況下能達(dá)到設(shè)計出力。

5 結(jié)語

經(jīng)過11年的運行應(yīng)用，在三門峽水電廠1號水輪機(jī)過流部件上應(yīng)用碳化鎢涂層的防護(hù)及修復(fù)取得了一定效果，特別是在2005年和2008年兩次對上部轉(zhuǎn)輪室上、下兩條不同區(qū)域的磨蝕亮帶、葉片頭部及裙邊進(jìn)行全面修復(fù)后，經(jīng)過多年汛前汛后的檢查，效果較為滿意。除葉片頭部、外緣裙邊有局部脫落外，葉片其他部位基本完整無損，上下轉(zhuǎn)輪室由于葉片與轉(zhuǎn)輪室之間夾帶雜物磨損出現(xiàn)脫落，其他部位基本完好，確實達(dá)到了抗磨蝕防護(hù)效果，為今后的過流部件抗磨蝕防護(hù)工作開拓了思路。