水輪機過流部件的修復技術與研究

張宇婷，胡波

(1.蘭州石化職業(yè)技術大學應用化學工程學院，甘肅 蘭州 730060；2.甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

以前人們一直靠火力發(fā)電，煤炭、石油是主要的能源，但是這些化石能源一方面不可持續(xù)，另一方面對環(huán)境的污染也十分嚴重。所以，為了資源的可循環(huán)使用并且減少環(huán)境的污染，目前，廣泛采用水電替代傳統(tǒng)的火電了。

近年來，我國西部地區(qū)雖然水資源十分豐富，而且水勢落差也很大，但是由于經(jīng)濟不發(fā)達，并沒有很好地對西部地區(qū)的水利資源進行有效的開發(fā)利用。進入新時代后，為了西部的發(fā)展，國家采用了將西部的水電資源向東部地區(qū)輸送的辦法。但由于西部水流資源具有高泥沙含量的特點，在水力發(fā)電廠，如果頻繁地更換或者檢修水輪機部件會造成整個電網(wǎng)不能正常運行，導致經(jīng)濟損失。隨著我國環(huán)保要求的不斷提高，開展長效、綠色、高能的水電過流部件防護措施迫在眉睫。對于高流速、高泥沙環(huán)境下對水輪機過流部件的磨損問題，采取相應的防護措施，減少磨損帶來的各種問題，延長水輪機的壽命、提高效率。

1 水輪機的發(fā)展

水輪機作為主要的研究對象，是水力發(fā)電站的核心設備。水輪機的雛形就是以前農(nóng)業(yè)灌溉用的水輪機，隨著社會不斷地進步，工業(yè)文明的不斷發(fā)展，對于用電需求的不斷加大，人們需要功率更大、轉(zhuǎn)速更快、效率更高的發(fā)電設備來服務于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。在水電站的運行中，水庫上游中的水，經(jīng)過引水管引流進入水輪機，推動水輪機快速地進行旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機進行發(fā)電。經(jīng)過上百年的技術進步，目前，水輪機已經(jīng)有很大的發(fā)展。

2 水輪機過流部件修復技術

在水力發(fā)電應用越來越廣，也隨之出現(xiàn)了很多的問題，尤其是西部地區(qū)的水位差相差很大，導致勢能非常大，而且由于土質(zhì)等問題，導致西部地區(qū)的水域泥沙含量特別高，會導致水輪機中重要的過流部件產(chǎn)生嚴重的破壞，使水輪機表面材料磨損不能正常運行。因此，會導致水力發(fā)電設備不能正常發(fā)電現(xiàn)象，造成經(jīng)濟損失，導致水能浪費。為解決這些問題，需要解決水輪機過流部件的磨損修復問題，才能提高經(jīng)濟效益，減少能源浪費。

目前，一般采用的方法是，通過設置能減少水中泥沙含量的裝置，但是成本相對來說很高。所以，目前技術改進考慮的辦法還是在過流部件上，以提高它的抗磨損性能?，F(xiàn)在，已有很多方法可以提高它的抗磨損性能，且方法也更加經(jīng)濟和簡便有效，就是選擇合適的涂層材料，刷于過流部件表面來抗擊泥沙的磨蝕能力和減少磨蝕速度。

3 選用抗磨蝕涂層的種類

目前，抗磨損涂層主要有三大類：第一類是金屬涂層，有三種工藝熱噴涂金屬涂層，焊接以及激光熔覆金屬涂層，它們都具有涂層與基體之間的結合強度很高、耐磨性能強的特性；第二類是非金屬涂層，但非金屬涂層整體來說具有涂層和機體表面結合力不高、極易老化、涂層耐磨損強度不高等缺點。他們的優(yōu)點就是具有很明顯的抗沖擊能量強，施工工藝特別簡單，可大大降低經(jīng)濟成本；第三類是復合涂層，所謂復合涂層就是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成，能大幅提高抗磨蝕性。

3.1 熱噴涂金屬涂層

熱噴涂金屬涂層是在高溫狀態(tài)下將金屬材料加熱至熔融狀態(tài)或者是半熔融狀態(tài)，通過高速的氣流將金屬材料噴射到基體表面，等到溫度降低之后金屬材料與基體結合形成熱噴涂金屬涂層[1]。

熱噴涂金屬涂層與傳統(tǒng)火焰噴涂工藝相比，熱噴涂金屬陶瓷涂層具有的優(yōu)點更突出，它的金屬涂層覆蓋得更均勻，并且抗磨蝕性能較強，所以一些水電站的水輪機上采用的是熱噴涂金屬涂層進行抗磨蝕。但是它的缺點也很明顯，如結合強度低、孔隙率高等，需要不斷地試驗得到最優(yōu)的金屬材料并且需要不斷地改進制備工藝，以便于提高耐磨損強度。

3.2 激光熔覆金屬層

激光表面熔覆技術是目前使用最廣的技術，它主要是利用激光束將合金迅速加熱熔化并且快速地與基體表面融合的技術。由于激光溫度很高，幾乎是瞬間熔化金屬材料，沒有不均勻或者涂層不與基體結合的現(xiàn)象，所以，激光熔覆金屬層技術可以使金屬與基體結合得更加牢固，更加均勻，耐磨性能更好。研究發(fā)現(xiàn)激光熔覆層較基體表面平整，無裂紋和蝕坑。熔覆層組織均一、致密且與基體形成良好的冶金結合；合金熔覆層在空化作用下發(fā)生加工硬化，具有優(yōu)良的抗磨性和抗氣蝕性。

激光熔覆金屬層技術它所具有的優(yōu)點是，不挑工件的尺寸和形狀，任何形狀的工件都可以使用激光熔覆金屬層技術，涂層更加的均勻，結合的也更加牢固，并且自動化程度高。由于激光熔覆金屬層技術優(yōu)點多，目前人們研究的也特別多。但是激光熔覆金屬層技術也有它的缺點，比如此項技術比較難控制溫度，導致在操作的過程中，會出現(xiàn)裂紋，這將是未來研究的重要方向，如何能更好地控制溫度，改善裂紋的出現(xiàn)。

3.3 環(huán)氧樹脂非金屬涂層

環(huán)氧樹脂非金屬涂層是一種非金屬涂層工藝，它具有很多優(yōu)點，比如，成本更低、工藝更加簡單等優(yōu)點。它是過流部件普遍采用的防護措施之一。環(huán)氧樹脂是一種常用的非金屬材料，由于環(huán)氧樹脂涂層抗沖擊性強，施工工藝特別簡單，這大大降低了經(jīng)濟成本，目前環(huán)氧樹脂涂層得到廣泛應用。研究較早的環(huán)氧金剛砂涂層是將環(huán)氧樹脂與金剛砂顆粒配成膠泥涂覆在過流部件表面，該涂層對水輪機過流部件以及水輪機表面都具有良好的抗磨損效果[2]。此外，環(huán)氧樹脂復合涂層中硬質(zhì)相與樹脂基體的粘結性較差，增強相顆粒易脫落，使得增強相與基體結合界面成為涂層在氣蝕作用下裂紋的核心位置，有待技術人員進一步研發(fā)改進。

3.4 堆焊金屬層

堆焊是把金屬材料焊接在基體表面的工藝。工件表面與焊層結合，形成的焊層具有硬度高并且耐腐蝕的優(yōu)點。堆焊工藝主要有焊條電弧堆焊、鎢極氬弧堆焊、等離子弧堆焊、氧-乙炔焰堆焊等[3]。堆焊工藝是研究比較早、應用比較成熟的一種工藝。但是堆焊工藝缺點是結合層的稀釋率高、氣孔多、裂紋多，不能很好地解決磨蝕問題。因此，堆焊金屬涂層工藝僅適用于規(guī)模比較小的并且工件形狀不規(guī)則的基體表面。

3.5 聚氨酯非金屬涂層

聚氨酯非金屬涂層，它有很強的彈性，同時具有一定的附著力，由于聚氨酯的這些優(yōu)點，所以它是一種比較好的涂層材料。目前，由于聚氨酯非金屬涂層與基體的結合強度較低，易脫落，也限制了聚氨酯涂層大面積推廣應用。

3.6 復合涂層

復合涂層也是近年來研究比較多的涂層，因為復合涂層其實就是將兩種或者兩種以上的物質(zhì)混合涂覆在基體表面，起到協(xié)同防護作用，達到性能更好的抗磨蝕涂層[4]。復合涂層的優(yōu)點非常多，它兼顧了金屬涂層和非金屬涂層的優(yōu)點。因此，需要更進一步進行試驗，找到更加優(yōu)良性能的復合涂層。

4 修復涂層研究進展

4.1 復雜環(huán)境研究

由于西部地區(qū)的環(huán)境很復雜，落差大導致的勢能特別大，泥沙含量高，海拔、溫度、壓力等環(huán)境的影響因素，導致水輪機過流部件的磨蝕機理十分復雜，并且涉及方方面面的影響。目前，磨蝕的基礎機理研究水平仍然不高，還有待進一步的研究。機理研究的前提需建立在具體環(huán)境下，因此，開展系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)分析以獲得相關研究指標，是開展機理及工藝研究的前提。

4.2 金屬涂層類型研究

水輪機過流部件的抗磨蝕涂層類型很多，在所有的涂層類型里面，金屬涂層是最主要的類型。金屬涂層里面有熱噴涂金屬陶瓷涂層、堆焊和激光熔覆技術、熱噴涂金屬陶瓷涂層具有的缺點是結合強度低、空隙高，而且材料種類特別多，需要不斷地試驗得到最優(yōu)的金屬材料并且需要不斷地改進制備工藝以便于提高耐磨損強度。堆焊和激光熔覆技術的缺點是結合層的稀釋率高、氣孔多、裂紋多。因此，需要進一步研究以改善缺陷并且改進制備工藝，提高耐磨損強度。

4.3 非金屬涂層類型研究

非金屬涂層的類型有環(huán)氧樹脂涂層和聚氨酯涂層兩大種類，非金屬涂層整體來說都具有涂層和機體表面結合力不高，而且極易老化、涂層的耐磨損強度不高等缺點。但是他們的優(yōu)點也是較明顯，如抗沖擊性強、施工工藝簡單、成本較低。因此，需要進一步研究，通過改進工藝，改變非金屬涂層的化學性質(zhì)，來改變它的缺點。

4.4 復合涂層研究

復合涂層的優(yōu)點非常多，它兼顧了金屬涂層和非金屬涂層的優(yōu)點，能產(chǎn)生很強的協(xié)同作用，能提高水輪機過流部件的抗磨損能力。但是，在實際工作中能找到相抗作用的復合涂層類型比較少。因此，需要進一步進行試驗，找到更加優(yōu)良性能的復合涂層。

5 結語

我國西部地區(qū)由于海拔高、水流的溫度低、大氣壓力高、泥沙含量多、泥沙粒徑大、泥沙硬度強等方面的因素影響，都會對水輪機過流部件涂層的磨損有極大的影響[5]。過流部件是水輪機的重要組件，水輪機長期運行后，過流部件嚴重磨損，導致電站水能利用率下降，機組效率降低，電站發(fā)電效益減少、維修周期縮短，運營成本增加。因此，采取相應的防護措施，減少磨損帶來的各種問題，延長水輪機的壽命，提高效率降低成本，是工程技術人員遏制水輪機過流部件磨損研發(fā)的首要任務。因此，研究團隊需要結合水力發(fā)電企業(yè)聯(lián)手進行攻關，將研究的過程與實際的使用工況相結合并優(yōu)化出具有代表性的工藝指標參數(shù)是實現(xiàn)對水輪機過流部件抗磨損性能提升的關鍵。

同時，隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，水體問題受到國內(nèi)外廣泛關注，特別是目前我國環(huán)保要求不斷提高的現(xiàn)狀下，采用低污染、無重金屬的原材料技術顯得尤為關鍵。在過流機部件修復過程中，對環(huán)境和人類生存影響較大的是重金屬離子。但就我國工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀，要實現(xiàn)預定的目標，達到發(fā)達國家的相關排放標準，還有大量的工作要做。因此，在研發(fā)過程中還要注重對環(huán)境的保護力度，在提高鍍層質(zhì)量的同時，添加新型無污染的金屬，防止重金屬離子對水體環(huán)境的污染，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，造福人類。