一種轉(zhuǎn)輪抗汽蝕方法研究與應(yīng)用

馮 超

（五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 懷化 419635）

汽蝕破壞在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上頻繁發(fā)生，可能導(dǎo)致水輪機(jī)在偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，同時(shí)過(guò)流部件破壞速度加劇，嚴(yán)重威脅著水輪機(jī)的運(yùn)行安全和使用壽命。過(guò)流部件形成坑洼不平的蜂窩狀蝕坑后，造成材料的強(qiáng)度急劇下降，設(shè)備性能參數(shù)惡化，能量損失急劇增加，效率及出力下降，影響設(shè)備預(yù)期使用壽命。此外，水輪發(fā)電機(jī)組若在汽蝕狀態(tài)下運(yùn)行，其過(guò)流部件會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的低頻壓力脈動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組和水電站廠房產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將影響水輪機(jī)的安全運(yùn)行。因此展開(kāi)對(duì)水力機(jī)械抗汽蝕性能改善的研究勢(shì)在必行且具有極大的安全經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

湖南某水電廠總裝機(jī)容量120萬(wàn)kW（5×240 MW），設(shè)計(jì)年發(fā)電量53.7億kW·h，至常德崗市、婁底民豐兩回500 kV電壓出線接入華中電網(wǎng)，是電網(wǎng)中調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓的骨干電廠，也是湖南省目前最大的水電廠。

該電廠1～3號(hào)機(jī)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由Voith巴西工廠制造，采用G-X5CrNi13.4全不銹鋼材質(zhì)。4號(hào)、5號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪由Voith提供不銹鋼葉片，上冠、下環(huán)采用ZG20SiMn普通鑄鋼在哈電濱海工廠焊接加工。4號(hào)、5號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪相比于1～3號(hào)機(jī)全不銹鋼轉(zhuǎn)輪更易發(fā)生汽蝕，加之異種鋼焊接受加工工藝影響，機(jī)組運(yùn)行流態(tài)穩(wěn)定性稍差，導(dǎo)致4～5號(hào)機(jī)組葉片與上冠下環(huán)連接部位出口背水面以及上冠葉片區(qū)間汽蝕、裂紋缺陷頻繁發(fā)生，給設(shè)備維護(hù)管理帶來(lái)極大工作量。

2 抗汽蝕材料研究應(yīng)用

根據(jù)水力機(jī)械表面修復(fù)技術(shù)所使用材料的基本機(jī)械特性，大致可以分為金屬材料、非金屬材料兩大類(lèi)。

2.1 金屬材料研究

金屬材料主要有專(zhuān)用不銹鋼焊條、金屬陶瓷粉末、鎢系合金粉末、鉻系合金粉末和鈷系合金粉末等。專(zhuān)用焊條主要有：高鉻鑄鐵型、Cr-Mn奧氏體型、Cr-Ni奧氏體不銹鋼型和低碳馬氏體不銹鋼型，其中低碳馬氏體不銹鋼型焊條具有較好的抗汽蝕效果，其抗汽蝕能力為1Cr18Ni9Ti的2倍。GB1堆焊焊條在水輪機(jī)抗磨蝕修復(fù)中應(yīng)用較廣，該焊條既具有優(yōu)異的抗汽蝕性能，為A102的21.8倍，低碳Co-Cr-W的3倍；又具有良好的抗磨損性能，為低碳Co-Cr-W的0.93倍，A102的2.31倍；優(yōu)良的抗磨蝕性能,為1Cr18Ni9Ti的6.7倍，OCr13Ni5Mo的5.6倍。

2.2 非金屬材料研究

近年來(lái)將聚合物材料作為抗磨蝕防護(hù)材料的研究越來(lái)越多，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。綜合國(guó)內(nèi)外研究，可作為耐磨蝕涂層的聚合物材料主要有剛性聚合物和彈性聚合物。

聚合物剛性涂層主要包括環(huán)氧系、酚醛系、氨基系、聚烯烴等聚合物涂層。其中環(huán)氧系樹(shù)脂在水力機(jī)械抗磨涂層中得到廣泛應(yīng)用，但由于其材質(zhì)較脆，抗汽蝕性能不佳。在垂直沖擊下，材料的磨損形態(tài)主要為變形磨損，剛性材料有很低的允許彈性變形能力，雖然在小沖角與低沖擊能量下，高硬度剛性材料可以有效地抵抗沙粒的壓入，而有較高的抗磨性，但在大沖角與高沖擊能量下，材料則易變形破裂而剝落，抗磨性低下。

聚合物彈性涂層在常溫下幾乎無(wú)脆性，具有相當(dāng)大的允許彈性變形和彈性恢復(fù)能力，可以吸收緩解沙粒的垂直沖擊能量或空化空穴閉合時(shí)的水滴沖擊能量，具有高抗磨蝕性能。

綜合來(lái)說(shuō)，耐磨焊條堆焊技術(shù)操作簡(jiǎn)單，是目前水力機(jī)械維修經(jīng)常采用的技術(shù)，補(bǔ)焊后耐磨性能高低往往取決于其最終組織狀態(tài)和機(jī)械性能，但是經(jīng)過(guò)多年反復(fù)補(bǔ)焊打磨等處理，使水力機(jī)械金屬組織狀態(tài)發(fā)生較大變化，導(dǎo)致其耐磨性和機(jī)械性能也逐年變差；金屬熱噴涂技術(shù)容易使母材應(yīng)力情況發(fā)生改變，已較少使用；超音速?lài)娡亢偷入x子噴涂技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較快的防護(hù)技術(shù)，目前在應(yīng)用過(guò)程中最大的問(wèn)題是成本過(guò)高，只能用于關(guān)鍵部位的噴涂防護(hù)，另外該涂層抗汽蝕性能不夠好，容易脫落，也限制了其廣泛應(yīng)用。耐磨高分子涂層具有耐磨性能優(yōu)良、現(xiàn)場(chǎng)施工方便的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景較好。

經(jīng)過(guò)多方調(diào)研，考慮市面現(xiàn)有的超音速火焰WC-10Co-4Cr系列金屬陶瓷噴涂、貝爾佐納涂覆層、復(fù)合聚氨酯涂覆層、石墨烯涂覆層等工藝對(duì)于抗磨蝕、汽蝕等不同的適用場(chǎng)景及效果，結(jié)合電廠水輪機(jī)運(yùn)行水頭、負(fù)載工況等差異性條件，嚴(yán)格對(duì)比分析，選用石墨烯和貝爾佐納高分子材料兩種抗汽蝕材料涂層進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。電廠結(jié)合貝爾佐納高分子材料自身剛度較強(qiáng)、韌性較差的特點(diǎn)，選用柔性聚氨酯材料與貝爾佐納復(fù)合使用改善其力學(xué)性能，在國(guó)內(nèi)首次采用貝爾佐納高分子（Belzona1341、Belzona2141）+柔性聚氨酯涂層復(fù)合噴涂的施工工藝，通過(guò)柔性聚氨酯材料在汽蝕產(chǎn)生機(jī)理中氣泡潰滅過(guò)程中的吸能功效來(lái)提升整個(gè)涂層的抗汽蝕破壞能力。

3 實(shí)施工藝及注意事項(xiàng)

3.1 表面處理

預(yù)清潔后噴砂處理表面銹蝕、污垢等，同時(shí)使表面粗糙度不小于75 μm；用壓縮空氣和專(zhuān)用清洗劑將表面處理干凈。

3.2 修補(bǔ)打磨

對(duì)汽蝕坑洞進(jìn)行修補(bǔ)并用專(zhuān)用工具刮平，待修補(bǔ)材料初步固化后，用拋光機(jī)裝夾R40粗砂紙對(duì)修補(bǔ)材料進(jìn)行磨平并清洗干凈。

3.3 噴涂

使用噴涂專(zhuān)用設(shè)備將石墨烯和貝爾佐納材料+柔性聚氨酯對(duì)選定轉(zhuǎn)輪葉片表面進(jìn)行噴涂，噴涂時(shí)應(yīng)保證涂層平整光滑均勻，無(wú)氣泡漏涂，作業(yè)區(qū)域應(yīng)無(wú)粉塵或其他異物飛揚(yáng)。對(duì)于邊、角、焊縫等部位要先涂刷，再大面積噴涂，檢查整個(gè)涂層的連貫性與完整性；抗汽蝕材料應(yīng)按照要求多層噴涂，總厚度不得小于1 mm，并使用涂層測(cè)厚儀檢測(cè)，保證厚度均勻且滿(mǎn)足要求；過(guò)程中應(yīng)根據(jù)貝爾佐納和柔性聚氨酯涂層的質(zhì)量系數(shù)合理配比，并適當(dāng)增加柔性聚氨酯比例，做好記錄，為后續(xù)試驗(yàn)優(yōu)化提供參考。

4 應(yīng)用效果分析

經(jīng)過(guò)一個(gè)檢修周期后，對(duì)轉(zhuǎn)輪部位進(jìn)行檢查，驗(yàn)證兩種材料的抗汽蝕試驗(yàn)效果。檢查結(jié)果表明：運(yùn)行一年來(lái)，石墨烯材料涂層存在脫落現(xiàn)象較為明顯，Belzona1341+柔性聚氨酯涂層存在輕微磨損，Belzona2141 +柔性聚氨酯涂層情況良好。Belzona2141 +柔性聚氨酯涂層采用復(fù)合噴涂柔性材料的方式，表面形成一個(gè)高分子的柔性橡膠系統(tǒng)，可消散由中等到高強(qiáng)度的汽蝕所產(chǎn)生的能量。并且經(jīng)電廠轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)證明，貝爾佐納兩種材料可在水中浸泡下保持長(zhǎng)期的附著力，無(wú)分層脫落現(xiàn)象，以往易產(chǎn)生汽蝕裂紋區(qū)域的母材本體未見(jiàn)到汽蝕產(chǎn)生的麻點(diǎn)和坑洞，使用效果較好。

5 結(jié)語(yǔ)

貝爾佐納+柔性聚氨酯復(fù)合涂層的抗汽蝕處理工藝試驗(yàn)研究取得成功，提升了轉(zhuǎn)輪過(guò)流面抗汽蝕能力，從而提高轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低水電站檢修維護(hù)時(shí)間成本，提高發(fā)電機(jī)組等效可用系數(shù)，有利于電網(wǎng)對(duì)發(fā)電側(cè)機(jī)組的統(tǒng)一調(diào)度。同時(shí)，我國(guó)對(duì)環(huán)境要求越來(lái)越高，電廠所在的沅水作為一級(jí)飲用水源，過(guò)流部件的涂層選用環(huán)保無(wú)污染材料可保證下游居民的身體健康。涂覆可靠涂層后，轉(zhuǎn)輪的抗汽蝕能力提高，有效延長(zhǎng)水輪機(jī)的使用壽命及檢修周期，減少水輪機(jī)的維護(hù)成本，降低水電站運(yùn)營(yíng)成本支出。對(duì)存在相似汽蝕情況的水電站，具有極大的推廣應(yīng)用空間，對(duì)各水電站機(jī)組安全運(yùn)行提供保障，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，具有十分重要的意義。