太平江水電站水輪機(jī)磨損處理及新技術(shù)應(yīng)用

包國強(qiáng)

（大唐（云南）水電聯(lián)合開發(fā)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000）

1 電站概況

太平江水電站位于緬甸克欽邦（Kachin）太平江上，北鄰云南省盈江縣，距中緬第37號界樁約5.5km。太平江上游稱大盈江，在八莫（Bhamo）附近匯入伊洛瓦底江。電站廠房距盈江縣縣城約70 km。裝機(jī)容量4×60 MW。主要水工建筑物包括：首部樞紐、引水系統(tǒng)、調(diào)壓井和廠區(qū)樞紐。本電站為徑流式電站，工程任務(wù)為發(fā)電。

2007年12 月主體工程開工，2008年10月截流，2010年12月31日首臺機(jī)組發(fā)電，2011年6月全部建成投產(chǎn)。電站建成后90%以上的電量回送中國南方電網(wǎng)。在系統(tǒng)中主要擔(dān)任基荷和腰荷。電站由江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院參與投資建設(shè)。哈電多能負(fù)責(zé)機(jī)組的設(shè)計(jì)制造。

2 過水部件磨損情況

2.1 部件材質(zhì)

太平江是流域“三高”（高泥沙、高硬度、高利用小時(shí)數(shù)，多年平均含沙量0.425 kg/m3，實(shí)測最大含沙量9.21 kg/m3）的水電站。根據(jù)流域電站運(yùn)行情況，機(jī)組過水部件磨損較為嚴(yán)重，部分電站轉(zhuǎn)輪及頂蓋有磨損報(bào)廢先例，因此我廠水輪機(jī)過水部件在設(shè)計(jì)及制作階段已經(jīng)考慮了上述磨損誘因，針對相對磨損嚴(yán)重、承壓較大、技術(shù)相對薄弱的地方采取了材質(zhì)及強(qiáng)度較高一級的材料。

（1）轉(zhuǎn)輪材質(zhì)及其制作

考慮到抗泥沙和臺數(shù)多，轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)。上冠和下環(huán)采用馬氏體ZG00Cr13Ni5Mo材料VOD精煉鑄造。葉片采用13-5不銹鋼等厚鋼板模壓成型，全方位數(shù)控加工。以達(dá)到超低碳、低硫、磷、高純凈度的要求，進(jìn)一步提高材料的韌性、抗晶間腐蝕和水下疲勞等性能。轉(zhuǎn)輪熱處理后進(jìn)行100%超聲波探傷，按CCH-70-3標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。

（2）頂蓋材質(zhì)及制作

頂蓋主材質(zhì)采用Q235B，上止漏環(huán)采用HOOCr18Ni14Mo2，頂蓋抗磨環(huán)采用同樣的OOCr18Ni14Mo2材質(zhì)，抗磨環(huán)是鑲嵌在頂蓋整體加工環(huán)面內(nèi)。上止漏環(huán)與抗磨環(huán)是采用410NiMo焊條焊接加工，所有焊接部位均做了100%超聲波探傷，按CCH-70-3標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。

（3）底環(huán)材質(zhì)制作

底環(huán)主要材質(zhì)采用高錳鋼ZG20MnSi，下止漏環(huán)采用鉚壓在底環(huán)上，固定底部與上端部采用HOOCr18Ni14Mo2焊接與底環(huán)形成整體，焊接部位采用100%超聲波探傷，按CCH-70-3標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。

2.2 1號機(jī)組過水部件的磨損

（1）1號機(jī)組磨損情況（見表1）

表1 1號機(jī)組磨蝕部位與程度

（2）頂蓋止漏環(huán)不銹鋼段與頂蓋抗磨板結(jié)合角處磨損嚴(yán)重，磨損部位沿著頂蓋止漏環(huán)頂部形成整圈深為15 mm、寬為30 mm的環(huán)形凹槽，且抗磨板背部的頂蓋母材已外露。頂蓋抗磨板局部不銹鋼已脫落，脫落長度約500 mm，頂蓋抗磨環(huán)有兩處明顯裂縫，處于半脫落狀態(tài)（見圖1）

圖1

（3）轉(zhuǎn)輪磨損情況

轉(zhuǎn)輪下環(huán)沿著止漏環(huán)頂部之下2 mm處磨損形成最深為7 mm，最寬為45 mm的不規(guī)則環(huán)形圈（圖2），一葉片與下環(huán)焊接部位有一個(gè)缺口深為48 mm，寬為95 mm，葉片出水邊與下環(huán)焊縫整體磨損明顯，焊縫凸出部分明顯下降，具體數(shù)據(jù)無法測量還原；葉片出水邊整體磨成鋒利的刀鋒狀；轉(zhuǎn)輪下環(huán)圖紙高度為160 mm，實(shí)際測量高度為146 mm，整體平均磨損14 mm。

（4）底環(huán)止漏環(huán)頂部邊緣處沿底環(huán)一周形成深10 mm，寬為50 mm的不規(guī)則圓環(huán)（見圖3）。

根據(jù)上述現(xiàn)場檢查情況，頂蓋抗磨板與止漏環(huán)不銹鋼段結(jié)合角部、轉(zhuǎn)輪下止漏環(huán)、轉(zhuǎn)輪葉片出水邊背部、底環(huán)止漏環(huán)等磨損較為嚴(yán)重。

圖2

圖3

3 轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)修復(fù)處理

3.1 轉(zhuǎn)輪修復(fù)工作內(nèi)容及流程（見圖4）

圖4 轉(zhuǎn)輪修復(fù)流程框圖

3.2 葉片（進(jìn)、出水邊）裂紋的修復(fù)方案

用抗氣蝕、抗磨損性能較好焊條進(jìn)行堆焊修復(fù)，方法如下：

（1）使用角磨機(jī)或風(fēng)銑刀對葉片出水邊貫穿性裂紋開V型坡口（進(jìn)水邊側(cè)貫穿性裂紋可開X型坡口），裂紋周圍打磨露出金屬光澤，并采用PT檢查是否清凈裂紋。

（2）在V型坡口背面隨型墊3～5 mm不銹鋼板，點(diǎn)焊固定，使用焊條填充V型坡口，逐漸填平坡口，層間應(yīng)錘擊，消除應(yīng)力；第一層及最后一層不錘擊。焊接過程中應(yīng)控制焊接速度，分散進(jìn)行，盡量減小焊接變形。

3.3 葉片（進(jìn)、出水邊）及流道磨蝕的修復(fù)

（1）使用角磨機(jī)或風(fēng)銑刀對磨蝕部位及其周圍打磨露出金屬光澤，并采用PT檢查是否清理干凈。

（2）按照實(shí)際加工的補(bǔ)材形狀制作硬紙樣板，用樣板在葉片上劃裁邊線，通過氣刨等進(jìn)行裁邊，裁邊部位打磨露出金屬光澤，可與補(bǔ)材配做。實(shí)際操作中對比所有葉片磨損、氣蝕情況，采取磨損、氣蝕較輕的葉片翼型制作硬紙樣板。

（3）使用焊條鋪焊，層間應(yīng)錘擊，消除應(yīng)力；第一層及最后一層不錘擊。焊接過程中應(yīng)控制焊接速度，分散進(jìn)行，盡量減小焊接變形。

（4）最后根據(jù)葉片出水邊磨薄的實(shí)際情況確定后續(xù)處理方案。

3.4 上冠和下環(huán)進(jìn)水邊修補(bǔ)

（1）葉片出水邊嚴(yán)重磨損、氣蝕部位配焊同材質(zhì)相同的焊條進(jìn)行堆焊后拋光處理。

（2）葉片材料：Cr≥13%,Ni≥4%不銹鋼材料，根據(jù)葉片最大磨蝕面積確定。

3.5 焊接工藝

（1）焊前清理待焊區(qū)域，徹底清除水、油及銹等對焊接有害的雜質(zhì)。

（2）焊接前，采用汽割對待焊區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于80℃。

（3）焊接

1）焊接方法：熔化極惰性氣體保護(hù)焊；

2）焊接材料：φ1.6 mm，13-5不銹鋼焊絲；

3）保護(hù)氣體：95%Ar+5%CO2；

4）焊接位置：橫焊；

5）電源極性：直流反接；

6）焊接工藝參數(shù)：焊接電流：110～160 A；焊接電壓：20～24 V；焊接速度：200～400 mm/min；

7）焊接時(shí)，分區(qū)域跳焊（每個(gè)區(qū)域約30 mm×30 mm），盡可能分散熱量。除底層及表層外逐層錘擊，打至焊縫表面屈服為止；

8）焊接時(shí)盡可能采用小規(guī)范，短弧操作；

9）道與道、層與層之間應(yīng)錯(cuò)開至少20 mm,并確保熔合良好。接頭處如有異議時(shí)，必須使用角向砂輪機(jī)打磨清理，操作時(shí)注意填滿弧坑；

10）多處補(bǔ)焊區(qū)域可交替焊接完成，層間溫度控制在260℃以下。

3.6 修磨

（1）焊接完成后按樣板對葉片進(jìn)行修整打磨。

（2）根據(jù)轉(zhuǎn)輪木模圖截面半截樣板進(jìn)行正、背面修整打磨，使型線符合設(shè)計(jì)圖紙要求，葉片表面粗糙度為Ra1.6。

3.7 轉(zhuǎn)輪其它磨損部位焊接修補(bǔ)

（1）上冠、下環(huán)及主軸配合面修復(fù)

上冠、下環(huán)及主軸配合面根據(jù)磨蝕及車修去量情況，確定鋪焊厚度。

（2）其它部位修復(fù)

參照葉片磨蝕缺陷進(jìn)行清理、探傷、焊接、打磨修復(fù)。

（3）按圖重新加工頂蓋固定止漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)。

3.8 熱處理

（1）流道和葉片焊接修復(fù)后葉片進(jìn)行局部退火，用加熱帶加熱至590℃±10℃，保溫1.5 h，然后冷卻至室溫。

（2）焊后轉(zhuǎn)輪放置在大氣中自然釋放應(yīng)力。

3.9 清理

采用角向砂輪機(jī)打磨補(bǔ)焊焊縫及補(bǔ)焊區(qū)周圍50 mm范圍，清除表面氧化皮及焊渣，露出金屬光澤。

3.10 驗(yàn)收檢查

（1）修磨后按設(shè)計(jì)圖紙要求對修理后的葉片及其他葉片進(jìn)行PT檢查。

（2）按設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行葉片開口度檢查。

（3）轉(zhuǎn)輪葉片拋光檢查驗(yàn)收、整體加工精度驗(yàn)收、作靜平衡。

4 超音速噴涂新技術(shù)應(yīng)用

4.1 噴涂原理

超音速火焰噴涂是利用丙烷、丙烯等碳?xì)湎等細(xì)饣蚝娇彰河?、酒精等液體燃料與高壓氧氣在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒產(chǎn)生高溫高壓焰流，其溫度3 200℃，速度高達(dá)1 500 m/s以上。將粉末沿軸向或徑向送進(jìn)火焰中，產(chǎn)生熔化或半熔化的粒子，其高速撞擊在基體表面上沉積形成涂層。

4.2 噴涂工藝

燃?xì)庵汲羲伲℉VOF）工藝通過氧氣助燃，燃燒氣體或者液體燃料，對熱輸入量加以控制，以此產(chǎn)生動能。粉末噴涂材料置于熱氣流中，通過熱氣流對其進(jìn)行均勻加熱至熔化或半熔化狀態(tài)、火焰焰流和粉末通過匯聚/噴射噴嘴（空氣帽）進(jìn)行加速，以產(chǎn)生超音速的焰流和粉末，將粉末粒子推向預(yù)先處理過基材形成涂層。

超音速火焰噴涂具有以下優(yōu)勢：粉末粒子以很高的速度噴射到工件表面，可形成致密、結(jié)合強(qiáng)度高而無分層現(xiàn)象的高質(zhì)量涂層；超音速火焰溫度適當(dāng)且粉末在火焰中加熱時(shí)間短，因此，材料不易發(fā)生相變、氧化和分解。同時(shí)噴涂過程中通過控制噴涂速度，控制基體溫度低于150℃，噴涂過程對基材基本無熱影響。

4.3 噴涂現(xiàn)場實(shí)施

水輪機(jī)抗磨蝕涂層研制同時(shí)，為滿足現(xiàn)場的施工要求。我方聯(lián)系了東方汽輪機(jī)有限公司表面工程研究所項(xiàng)目組（簡稱東電）協(xié)商、現(xiàn)場調(diào)研、多方協(xié)調(diào)確認(rèn)由東電廠自行采購了適合現(xiàn)場施工的便攜式超音速火焰噴涂系統(tǒng)，并完成設(shè)備調(diào)試、噴涂工藝參數(shù)優(yōu)化等工作，為抗磨蝕涂層技術(shù)的工程應(yīng)用做好準(zhǔn)備。2016年對我廠1號、2號水輪機(jī)實(shí)施涂層施工，并圓滿完成。

現(xiàn)場施工流程如圖5所示：

現(xiàn)場勘查：主要是和東電人員一同確認(rèn)水輪機(jī)過流部件的磨蝕情況，確認(rèn)現(xiàn)場施工所需氣源、電源情況；

確認(rèn)噴涂方案：根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，和噴涂廠人員溝通后制定施工方案和簽訂技術(shù)協(xié)議；

辦理入場手續(xù)：根據(jù)我廠要求，完成對東電廠噴涂人員安全培訓(xùn)，辦理工作票等；

施工前準(zhǔn)備：主要包括施工現(xiàn)場清理、設(shè)備安裝調(diào)試、工作棚準(zhǔn)備等工作；

涂層施工：涂層施工主要工作包括基材清洗、非噴涂區(qū)域保護(hù)、噴砂、噴涂、封孔處理等工作，現(xiàn)場施工為保證涂層質(zhì)量，施工時(shí)除嚴(yán)格遵守工藝要求，在每道工序結(jié)束后采用工人自檢+技術(shù)專檢+我廠技術(shù)人員巡檢的方式保證涂層質(zhì)量。

涂層驗(yàn)收：施工方、我廠人員根據(jù)之前的噴涂方案和技術(shù)協(xié)議對涂層進(jìn)行驗(yàn)收 (噴涂后涂層外觀照片如圖6所示)；

現(xiàn)場清理、撤場：驗(yàn)收通過后，清理現(xiàn)場、拆除設(shè)備，撤離工作現(xiàn)場。

噴涂后涂層外觀顏色均勻一致，涂層無剝落、起皮等缺陷。表面封孔涂層無流掛、堆積等缺陷，項(xiàng)目一次通過驗(yàn)收。

圖6 水輪機(jī)抗磨蝕涂層施工后涂層外觀照片

4.4 噴涂面積和厚度

轉(zhuǎn)輪噴涂區(qū)域上止漏環(huán)計(jì)劃噴涂區(qū)域：H=121mm，φ=3080mm；下止漏環(huán)計(jì)劃噴涂區(qū)域：H=145mm，φ=3545mm。下止漏環(huán)上端面計(jì)劃噴涂區(qū)域：W=25 mm；

上止漏環(huán)和葉片結(jié)合部計(jì)劃噴涂區(qū)域：從結(jié)合部往葉片和上止漏環(huán)兩側(cè)各延伸W=150 mm，深度D=700 mm；

下止漏環(huán)和葉片結(jié)合部計(jì)劃噴涂區(qū)域：從結(jié)合部往葉片和下止漏環(huán)兩側(cè)各延伸W=150 mm，深度D=700 mm；

葉片出水側(cè)計(jì)劃噴涂區(qū)域：出水側(cè)往葉片延W=100～150 mm；

葉片出水側(cè)和轉(zhuǎn)輪下冠結(jié)合部位計(jì)劃噴涂區(qū)域：從葉片出水側(cè)和下冠結(jié)合部，兩葉片正反側(cè)三角區(qū)域，底邊L=500 mm，高H=200 mm；

底環(huán)：止漏環(huán)部分計(jì)劃噴涂區(qū)域：H=175 mm，φ=3 549 mm；

頂蓋：和葉輪上止漏環(huán)配合部分計(jì)劃噴涂區(qū)域：H=141.5 mm，φ=3 083 mm, 頂 蓋 抗 磨 板 寬 度W=100～150 mm；

活動導(dǎo)葉：24個(gè)導(dǎo)葉和軸柄結(jié)合部分；

其他噴涂區(qū)域由雙方協(xié)商確定。

碳化鎢（WC）金屬陶瓷涂層厚度：0.20～0.35mm。

涂層驗(yàn)收：噴涂后涂層外觀顏色均勻，涂層無剝落、起皮等缺陷。噴涂后表面封孔涂層無流掛、堆積等缺陷。

5 噴涂后運(yùn)行效果

經(jīng)過1年的機(jī)組運(yùn)行情況來看，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的噴涂痕跡清晰可見，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪至漏環(huán)噴涂部位均未脫落，狀態(tài)良好。

6 結(jié)束語

近年來全國各地大小型水電站日益增多，地域環(huán)境差異、氣候變化等因素，多泥沙徑流式電廠大多泥沙含量較大、且硬度高、機(jī)組利用小時(shí)較高，再加上嚴(yán)重氣蝕現(xiàn)象，容易造成過水部件的嚴(yán)重磨損，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致事故的發(fā)生。而此類嚴(yán)峻和棘手問題，發(fā)現(xiàn)時(shí)往往是處于機(jī)組大修階段。處理時(shí)間要求很短，現(xiàn)場處理已是唯一滿足經(jīng)濟(jì)及技術(shù)處理的手段。根據(jù)廠家制造工藝修復(fù)原型處理、現(xiàn)場新技術(shù)噴涂處理的完美結(jié)合，保證了機(jī)組運(yùn)行高效，大修周期延遲，經(jīng)濟(jì)效益也同步提升。水輪機(jī)抗磨蝕碳化鎢涂層技術(shù)現(xiàn)處于推廣應(yīng)用階段，超音速噴涂技術(shù)還有很大的應(yīng)用潛力，同時(shí)根據(jù)水輪機(jī)工況還需開發(fā)多個(gè)系列的涂層技術(shù)，如：針對沙礫磨蝕機(jī)組開發(fā)高耐磨涂層、針對氣蝕嚴(yán)重機(jī)組開發(fā)抗氣蝕涂層技術(shù)等。

[1]哈爾濱機(jī)電廠有限公司.緬甸太平江水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行維護(hù)說明書TPJ.0EA.140.01[Z].

[2]任巖，李興易，張小寶.高速氧燃噴涂碳化鎢在水輪機(jī)磨蝕防護(hù)中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電，2009，35（8）：62-63.

[3]楊紅，崔立功.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[J].中國水能及電氣化，2013，102(9)：37-40.