水輪機過流部件熱噴涂技術應用

李國曉，齊 波，張云根，韋世丹

（1.廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510635；2.四川松林河流域開發(fā)有限公司，四川 石棉 625400；3.福建水利電力職業(yè)技術學院，福建 永安 366000）

1 電站簡介

洪一水電站位于四川省雅安市石棉縣與甘孜州九龍縣交界的松林河次源——洪壩河上，電站裝有2臺單機容量40 MW的混流式水輪發(fā)電機組。機組額定轉速600 r/min，設計水頭312 m。電站1、2號機分別于2009年5月投入商業(yè)運行。電站所處的洪壩河流域汛期水質極差，過機水流中泥沙及硬質顆粒含量高，據(jù)實測資料統(tǒng)計，多年平均懸移質輸沙量142萬t，懸移質最大粒徑1.73 mm，中數(shù)粒徑0.057 mm，平均粒徑0.254 mm，莫氏硬度大于5的礦物有石英、長石、硅質巖屑等；洪一壩址處推移質輸沙量為5.5萬t，推懸比為10%，中數(shù)粒徑70 mm，平均粒徑為105 mm。多年平均含沙量0.831 kg/m3，汛期平均砂量為1.28 kg/m3。

2 洪一水電站水輪機實際運行狀況及存在的問題

洪一水電站為徑流式電站，河水中硬質顆粒含量較高，特別是汛期，河道水質極差，這對水輪機運行工況，特別是過流部件的影響十分嚴重。洪一電站水輪機額定水頭為312 m，額定轉速600 r/min，為高水頭、高轉速機組，過機水流泥沙及硬質顆粒含量高對過流部件影響更為顯著，造成水輪機過流部件磨損十分嚴重，并最終影響到電站的安全及經(jīng)濟運行。其主要表現(xiàn)有以下幾個方面：

（1）水輪機長期運行后，過流部件嚴重磨損造成轉輪與頂蓋密封環(huán)配合間隙增加，密封效果變差，導致水輪機頂蓋壓力不斷增加。頂蓋壓力升高并長期保持在較高壓力下工作，不僅會引起頂蓋本體、連接螺栓、頂蓋排水管等部件長期受到高強度壓力影響，甚至會造成頂蓋螺栓疲勞斷裂等水輪機嚴重安全事故，而且較高的壓力也會導致水輪機運行過程中主軸密封漏水量增加，電站水能利用率下降，機組效率降低，電站發(fā)電效益減少。過大的漏水量也會增大電站滲漏排水系統(tǒng)排水壓力，對電站安全運行也會造成很大的影響。

（2）水輪機過流部件磨損嚴重，工況惡化，導致機組A修周期縮短。目前洪一電站機組實際A修周期為2年一次，遠低于規(guī)程建議的4～6年A修周期。機組A修時水輪機過流部件需返廠修復，過流部件修復費用約35萬/次，A修施工及材料費用約80萬/次，合計A修總費用約115萬/次，直接導致電站生產(chǎn)經(jīng)營成本增加。機組A修時，電站一臺機組運行，無備用機組，也降低了電站運行安全性。

（3）水輪機轉輪葉片在長期磨損后，葉片出水邊持續(xù)變薄，由于葉片加工需由數(shù)控車床進行精加工，常規(guī)補焊、打磨的修復方法無法保證葉片型線修復及加工質量，這會導致水輪機運行工況持續(xù)惡化，機組出力受影響。經(jīng)過數(shù)個A修周期后，葉片（特別是出水邊）磨損嚴重無法修復后須重新加工制作轉輪，成本高昂。

3 洪一水電站過流部件修復改造的必要性

洪一電站水輪機實際運行過程中一直存在運行工況不斷惡化，頂蓋壓力長期維持較高水壓，這對機組安全穩(wěn)定運行造成較大影響，也降低了電站運行安全性。機組A修及過流部件返廠修復頻繁也直接增加了公司生產(chǎn)運營成本。這些問題已成為了電站運營中的安全瓶頸。根據(jù)以上分析，探索采用新技術、新工藝對過流部件進行修復處理已是十分必要和緊迫的工作。

4 改造方案確定

4.1 方案設計

在選擇表面修復工藝時,既要考慮工藝的可行性,又要考慮損壞的原因,過機泥沙的成分，科學地選用材質進行表面修復。針對洪一電站水輪機實際運行情況，過流部件損傷主要以磨損為主，氣蝕問題并不嚴重，因此我們選用耐磨蝕的熱噴涂技術進行過流部件修復。

熱噴涂技術是把噴涂材料以粉末狀態(tài)注入高速噴射燃燒的火焰中，其噴射速度超過2 000 m/s以上，燃燒溫度適中（≤3 000℃）。高速燃氣一方面使粉末材料的顆粒達到熔融或塑性狀態(tài)，最大限度保留材料的耐磨性，另一方面又使粉末材料的顆粒加速運動，將熔融或塑性狀態(tài)的粉末材料緊密均勻地附著在被噴涂物體的表面上，與基材物理結合在一起，涂層孔隙率可達到1%，而基材溫度低于150℃，不發(fā)生任何變形，從而形成少孔隙、低氧化、高粘合力、低殘余應力的高質量涂層。噴涂材料采用的是適用于水輪機過流表面抗泥沙磨損的專用材料，主要成分為碳化鎢，所用材料的結合強度大于70 MPa，表面硬度大于1 100 Hv，表面抗磨能力比0Cr13Ni4Mo高70倍以上，其抗氣蝕能力為0Cr13Ni4Mo的1.55倍。熱噴涂技術可有效解決水輪機過流部件磨損嚴重問題。

為保證水輪機過流部件修復達到預期的效果，對過流部件的熱噴涂工藝做了詳細的要求（表1）。

表1 洪一水電站水輪機過流部件熱噴涂工藝要求

4.2 改造方案經(jīng)濟性

洪一電站水輪機過流部件采用熱噴涂技術改造處理后，可有效緩解過流部件磨損嚴重問題，改善水輪機運行工況，機組A修周期提高至4～5年一次，機組停修時間縮短，電站運營成本降低，檢修、維護工作量減少，經(jīng)濟效益顯著。本次改造投資費用預算約70萬元，對水輪機過流部件改造前后的檢修成本進行對比（表2），結果表明雖一次性投入較大，但改造后長期經(jīng)濟效益明顯，從經(jīng)濟上具備可行性。

表2 水輪機過流部件熱噴涂改造前后的經(jīng)濟性比較表

5 改造方案實施及效果評估

此次改造前期準備工作量較大，為減小對電站正常運行的影響，2013年，洪一水電站對現(xiàn)有的一套水輪機過流部件備品先進行了熱噴涂改造處理，2013年11月利用電站1號機組A修機會進行了更換。機組正常運行14個月，并經(jīng)歷2014年汛期考驗后，機組各項運行指標優(yōu)良，各主要運行工況和技術參數(shù)均較為穩(wěn)定。機組頂蓋壓力由檢修前最大0.75 MPa降至現(xiàn)運行中最大0.50 MPa（滿負荷），減輕了機組頂蓋螺栓的拉伸壓力。實測機組振動、擺度均正常。

2014年11月，在經(jīng)過主汛期實際運行檢驗后利用1號機組C修時機，對噴涂處理后的水輪機過流部件磨蝕情況進行了檢查，并與噴涂前磨蝕情況進行了對比（圖1～圖6），結果表明噴涂處理后的水輪機過流部件耐磨損、防氣蝕效果良好，達到了本次改造的預期目的。

圖1 改造前導葉磨蝕

圖2 改造前轉輪磨蝕

圖3 改造前底環(huán)磨蝕

圖4 改造后導葉、頂蓋

圖5 改造后導葉、頂蓋、底環(huán)

圖6 改造后轉輪下部

6 結束語

洪一水電站1號水輪發(fā)電機組過流部件噴涂改造后，通過一個主汛期對過流部件實際運行檢驗，結果表明熱噴涂技術對處理水輪機過流部件耐磨損、防氣蝕問題效果較好，可有效提升機組安全運行可靠性，確保生產(chǎn)效益，延長機組A修周期，降低維護、檢修成本，達到了預期目標。

水輪機過流表面熱噴涂耐磨涂層技術較為成熟，在國內、外不同流域電站和機型上均有較多的成功應用案例，該項技術適宜于在泥沙含量重、硬質顆粒含量高的流域電站水輪機過流部件耐磨損處理中推廣應用。

[1]李慶剛,李孝志,代芳.熱噴涂技術在水輪機修復中的應用研究[J].四川工業(yè)學報，1998，17（1）:69-72.

[2]羅金強，吳向榮.熱噴涂技術在推力頭內孔磨損修復中的應用[J].小水電，2011（5）：74-75.

[3]任 巖，李興易，張小寶.高速氧燃噴涂碳化鎢在水輪機磨蝕防護中的應用[J].水力發(fā)電，2009，35（8）：61-63.

[4]黃 凱，林成剛.高速含沙水流對水輪機的空蝕和磨蝕[J]．四川水利，2008（5）：2-6.

[5]孟安波，殷豪，陳德新.多泥沙河流水輪機的磨蝕與防護技術的研究[J].中國農村水利水電，2008（4）：115-116.