碳化鎢涂層在水輪機(jī)過流部件上的應(yīng)用

史琳元

摘要：本文簡(jiǎn)單介紹了碳化鎢涂層防護(hù)在水輪機(jī)過流部件上應(yīng)用，其防護(hù)優(yōu)越性表露無(wú)遺，11年的運(yùn)行應(yīng)用，經(jīng)過兩次修復(fù)，取得了一定的效果，為今后的過流部件抗磨蝕防護(hù)工作開拓了思路。

關(guān)鍵詞：軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)；過流部件；碳化鎢涂層防護(hù)

1.概述

某水電廠有7臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，由于該水電廠位于黃河中下游，因長(zhǎng)期受黃河高泥沙水流的影響，機(jī)組磨蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重。為解決這一制約發(fā)電生產(chǎn)的技術(shù)難題，分別在1號(hào)、4號(hào)和5號(hào)機(jī)組上進(jìn)行了38種國(guó)內(nèi)外抗磨蝕材料試驗(yàn)，取得了一定的成績(jī)。并于1999年11月，中德合作對(duì)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了針對(duì)特殊水沙條件的技術(shù)改造，為解決水輪機(jī)的嚴(yán)重磨蝕，進(jìn)行過大量的試驗(yàn)研究工作，非金屬材料方面，先后用過環(huán)氧金剛砂、S80（美國(guó)）、聚氨脂橡膠（德國(guó)）、熱噴涂尼龍、高分子聚乙烯進(jìn)行過試驗(yàn)。改造后的1號(hào)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全可靠性和穩(wěn)定性大大提高，水輪機(jī)抗磨蝕性能及機(jī)組效率大大提高，單機(jī)負(fù)荷由原來的50MW提高到60MW。

2.號(hào)水輪發(fā)電機(jī)改造后碳化鎢涂層的主要防護(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)氣蝕區(qū)。根據(jù)碳化鎢涂層特性，在改造后的1號(hào)水輪機(jī)過流部件的以下部位應(yīng)用碳化鎢涂層進(jìn)行了防護(hù)，即水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室、7個(gè)葉片、葉片裙邊、轉(zhuǎn)輪體及24個(gè)導(dǎo)葉的立面密封面均采用碳化鎢涂層防護(hù)。

3.碳化鎢層的物理性能

碳化鎢涂層是一種金屬化合物涂料，為金屬陶瓷。在經(jīng)過底基表面噴砂除銹及表面拋光打磨后，進(jìn)行無(wú)損探傷；對(duì)發(fā)現(xiàn)的表面缺陷利用氬弧焊技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)，再利用進(jìn)口砂輪片進(jìn)行表面拋光打磨除脂除污后，對(duì)表面進(jìn)行活化處理；然后進(jìn)行控制噴涂，也就是控制基材溫度不超過120°C，每遍涂層厚度不大于12μM，涂層無(wú)臺(tái)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)。

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

4.碳化鎢層的應(yīng)用及修復(fù)

1號(hào)機(jī)自1999年11月開工改造，到2000年12月投運(yùn)，至今已運(yùn)行十多年，并經(jīng)歷了九個(gè)汛期的運(yùn)行，其碳化鎢涂層的應(yīng)用修復(fù)情況如下：

4.1 檢查情況

2005年汛前對(duì)1號(hào)機(jī)五年汛期運(yùn)行情況進(jìn)行了全面檢查， 其結(jié)果為上、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，在活動(dòng)導(dǎo)葉7#、8#下方4m長(zhǎng)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(zhǎng)度約100～200mm），最大面積約為5～6cm2，深約5mm，寬度在25mm。轉(zhuǎn)輪室上部過度圓即底環(huán)在24#活動(dòng)導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)的下部有一長(zhǎng)近1m寬約260mm的碳化鎢涂層脫落，出現(xiàn)這種現(xiàn)象初步分析認(rèn)為是由于轉(zhuǎn)輪室局部凸出，在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行中該間隙過小夾有物體摩擦引起，其中離底環(huán)下部400mm即整個(gè)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(duì)1號(hào)機(jī)的過流部件進(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；中環(huán)上部05年5月曾修復(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 06年的150mm已增至300mm。07年進(jìn)行軟涂層修復(fù)葉片裙邊時(shí)，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 碳化鎢涂層修復(fù)

在全面檢查完成后，對(duì)1號(hào)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

焊接采用鄭州機(jī)械研究所生產(chǎn)的0Cr13Ni5Mo直徑3.2mm焊條和直徑1.2㎜的焊絲；噴涂材料采用美國(guó)METCO公司生產(chǎn)的5843粉末材料。

4.2.2修復(fù)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。采用磨具將破壞區(qū)域打磨使其顯露基礎(chǔ)材料。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。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(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。利用磨光、拋光工具進(jìn)行打磨，使補(bǔ)焊表面與原轉(zhuǎn)輪型線光滑過渡。拋光表面到▽5。利用PT滲透劑進(jìn)行檢查，無(wú)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 修復(fù)后的應(yīng)用情況

05年中環(huán)破壞部位碳化鎢現(xiàn)場(chǎng)噴涂處理，經(jīng)過一個(gè)汛期的發(fā)電運(yùn)行，修復(fù)的碳化鎢涂層基本上保留了下來，涂層的厚度修復(fù)前后相比也沒有太大的變化，涂層的整體防護(hù)效果良好。但在主要的修復(fù)區(qū)域內(nèi)仍發(fā)現(xiàn)有小塊涂層脫落的現(xiàn)象，其主要原因認(rèn)為是新噴涂層與原涂層間的粘接強(qiáng)度不夠造成的；另外，對(duì)中環(huán)汽蝕坑點(diǎn)密集的區(qū)域同樣進(jìn)行了噴涂修復(fù)處理，實(shí)踐證明效果并不理想，修復(fù)的涂層幾乎全部脫落；特別是：在檢查中發(fā)現(xiàn)原中環(huán)出現(xiàn)的環(huán)形亮帶區(qū)的下方，又出現(xiàn)了寬約150mm新亮帶區(qū)，涂層厚度基本在0～0.25mm之間，并且通過厚度測(cè)量發(fā)現(xiàn)亮帶區(qū)有向下延伸的趨勢(shì)，其形成的原因主要還是水輪機(jī)磨蝕破壞造成的。

08年1號(hào)機(jī)過流部件經(jīng)過碳化鎢現(xiàn)場(chǎng)噴涂處理后，經(jīng)過一個(gè)汛期的發(fā)電運(yùn)行，葉片頭部修復(fù)過的碳化鎢涂層保留較好，個(gè)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，分析原因認(rèn)為是受現(xiàn)場(chǎng)條件限制該部位修復(fù)時(shí)工藝控制較難達(dá)標(biāo)造成的；中環(huán)05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。

5.結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過十余年的運(yùn)行應(yīng)用，該廠在1號(hào)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)取得了一定的成果，特別是在2005和2008年西安宇豐電子機(jī)械有限公司兩次對(duì)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)行了全面修復(fù)后，經(jīng)過多年汛前汛后的檢查，取得較為滿意的結(jié)果，除葉片頭部、外緣裙邊有局部脫落外，葉片的其它部位基本完整無(wú)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，其它部位基本完好，確實(shí)起到了抗磨蝕防護(hù)效果，為今后的過流部件抗磨蝕防護(hù)工作開拓了思路。