胡 江, 劉文舉, 周 昊，樊自拴

（1.河北易縣水利局，易縣 074200；2.河北易縣旺隆水電站，易縣 074200；3.北京科技大學(xué)腐蝕與防護中心，北京 100083）

易縣地處太行山脈北端東麓，河北省中西部，地域廣闊，全縣總面積2534平方公里，地勢西高東低，流域面積200平方公里以上的河流有五條，特別是西部山區(qū)落差大，水流急，形成了豐富的水電資源，全縣水能資源理論蘊藏量為30.64萬kW，可開發(fā)量為23.3萬kW。1995年易縣通過國家驗收成為河北省唯一的初級電氣化縣， “十五”和“十一五”期間易縣又分別被國務(wù)院批準列為全國水電農(nóng)村電氣化縣。截止目前易縣農(nóng)村小水電運行電站9座，總裝機容量29860kW，設(shè)計年發(fā)電量11552萬kWh，水輪機25臺，有混流式水輪機也有沖擊式水輪機，有立軸布置也有臥軸布置，既有引水式電站也有壩后式電站，其中7座引水式電站都分布于拒馬河流域。拒馬河河水含沙量大，年平均含砂量為2.92kg/m3，多年平均輸砂量91.3萬t，多為推移質(zhì)，顆粒粗，粒徑d50=lmm，大部分為石英，硬度大，磨損力強。近年來天旱少雨，引用水流量小，影響渠道沉沙池及各電站沉沙池的排沙效果，造成汛期過機泥沙量大，加上各電站水輪機組吸出高程均為+Hs，即均為正值，形成空蝕、磨損聯(lián)合作用，而各電站水輪機均按清水河流條件設(shè)計，機組轉(zhuǎn)速高，因此加劇了水輪機過流部件的磨蝕破壞。

為了解決上述問題，多年來我們引進并應(yīng)用了多種抗磨蝕技術(shù)，例如：在臥式水輪機頂蓋鑲襯輝綠巖鑄石，增加固定部件的抗磨蝕能力；采用金屬噴焊技術(shù)，對水輪機轉(zhuǎn)輪背水邊和活動導(dǎo)水葉表面進行保護；采購備用轉(zhuǎn)輪更換母體材料，由低碳鋼轉(zhuǎn)輪改為鎳鉻不銹鑄鋼葉片轉(zhuǎn)輪；對已經(jīng)磨損的轉(zhuǎn)輪，修復(fù)后采用全國水機磨蝕試驗研究中心的非金屬抗磨蝕保護涂層；此外，還采用過加裝擾流板、加高尾水水位等抗磨蝕方法。2010年，我們又引進一項新技術(shù)——北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層技術(shù)，應(yīng)用于水輪機轉(zhuǎn)輪并進行了抗磨蝕試驗。

1 非晶納米晶復(fù)合涂層簡介

非晶納米晶復(fù)合涂層是一種高耐磨、耐腐蝕的新型涂層，利用材料表面納米化提高材料的耐磨性能，同時將材料表面非晶化來提高材料的耐腐蝕性能，通過控制非晶化和納米化的程度，從而使材料表面具有優(yōu)異的既耐磨又耐腐蝕的綜合性能。選擇易于形成非晶的合金成份并進行優(yōu)化，利用合適的工藝制備出非晶納米晶粉末，然后利用活性燃燒高速噴涂技術(shù)制備具有高耐蝕耐磨特性的表面納米涂層。活性燃燒高速燃氣噴涂技術(shù) （AC-HVAF）是一種用于在金屬表面沉積金屬合金和燒結(jié)碳化物的工藝，涂層材料以預(yù)合金或合成粉末形式喂給噴槍，壓縮空氣和燃氣 （丙烷，丙烯或MAPP氣體）在噴槍中燃燒產(chǎn)生高速燃燒產(chǎn)物氣流，粉末在這個氣流中只被加熱到其熔點下100～200℃而被加速到非常高的速度，通常在700～800m/s的范圍內(nèi)，這些粉末粒子沖擊到工件表面，使噴涂粒子發(fā)生變形而形成涂層，同時工件的表面也會發(fā)生微觀上的變形 （影響深度一般為幾個微米），這就使涂層的結(jié)合強度大幅提高。材料不熔化以及高的沖擊速度，使AC-HVAF涂層沉積工藝顯示出與眾不同的特性，涂層材料在飛行過程中的氧化很少，涂層中的氧含量也相應(yīng)地非常少。這種技術(shù)所得到的涂層非常致密，通常沒有金相可見孔隙，涂層孔隙率一般都在1%以下。

2 轉(zhuǎn)輪涂層抗磨蝕試驗方法

應(yīng)用高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層保護水輪機轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕試驗選擇在紫荊關(guān)一級水電站1號機組進行。紫荊關(guān)一級水電站位于跨流域引水的紫荊關(guān)“五一”引水渠道上。 “五一”引水渠是將拒馬河水引入建在中易水河上游的安格莊水庫，渠首建一座橡膠壩，在春、夏、秋三季為無壩引水，冬季用橡膠壩蓄水，以防止冰凌阻水影響發(fā)電。 “五一”引水渠長8.5km，設(shè)計最大引水能力25m3／s，總落差354m，規(guī)劃分六級開發(fā)，已投入運行的電站有5座，紫荊關(guān)一級水電站為梯級的第一級，水質(zhì)條件最惡劣，雜物多、泥沙含量大，1號機組轉(zhuǎn)輪相對其他兩臺機組磨蝕更嚴重。紫荊關(guān)一級水電站水輪機參數(shù)見表1。

將已經(jīng)運行2年的備用轉(zhuǎn)輪 （如圖1）進行補焊修型后安裝在1號機組上。由于紫荊關(guān)一級水電站為徑流引水式電站，水輪機的水頭、流量基本恒定，對水輪機組運行參數(shù)進行記錄，并重點對機組空載和滿載開度進行記錄，便于與噴涂后對比。由北京科技大學(xué)腐蝕與防護中心進行高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層保護加工 （如圖2、3），噴涂前首先對轉(zhuǎn)輪進行噴砂除銹，然后采用活性燃燒高速噴涂技術(shù)對該轉(zhuǎn)輪進行涂層保護。針對該轉(zhuǎn)輪的14個對稱葉片，制備了6種涂層，分別是Fe基涂層、Ni46涂層、Ni67涂層、Ni60涂層、CoWC涂層和高鉻不銹鋼涂層?？紤]到水輪機轉(zhuǎn)輪的平衡和變形，分別在對稱方向葉片上噴涂相同的涂層。

表1 紫荊關(guān)一級水電站水輪機實驗參數(shù)表

選擇在水質(zhì)相對不好的汛期對涂層進行試驗，將噴涂完成后的轉(zhuǎn)輪安裝在水輪機上，記錄各種運行數(shù)據(jù)，并與噴涂前進行比較。共計滿負荷運行120天，2808小時，試驗期間每運行30天左右進行停機檢查，檢查的方法是打開尾水彎管目測檢查轉(zhuǎn)輪涂層，并用照片記錄對比。

3 試驗結(jié)果及分析

運行試驗結(jié)束后，轉(zhuǎn)輪上的涂層基本完好無破損 （如圖4）。通過對轉(zhuǎn)輪的形貌、水輪機負載狀況等指標分析，在水輪機轉(zhuǎn)輪上應(yīng)用高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層制備工藝，水輪機轉(zhuǎn)輪整體完好，轉(zhuǎn)輪葉片和軸孔未觀察到形變，完全能夠滿足水輪機效率及轉(zhuǎn)輪安裝要求。

運行中輸出功率與未噴涂前比較，由于對備用轉(zhuǎn)輪進行了修復(fù)，經(jīng)過修形后噴涂的轉(zhuǎn)輪與檢修前相比出力略有提高，導(dǎo)葉開度由45度變?yōu)?0度，帶滿出力。且此涂層制備工藝對轉(zhuǎn)輪葉片原始出力設(shè)計沒有影響，既可以應(yīng)用于舊轉(zhuǎn)輪的修復(fù)，又可以對新轉(zhuǎn)輪進行預(yù)噴涂處理。

從葉片形貌上看，原普通鑄鋼 （A3）經(jīng)一個汛期運行轉(zhuǎn)輪部分過水面破壞形成魚鱗坑，葉片背面呈海綿狀蜂窩麻面，嚴重時出水邊成鋸齒狀破壞。經(jīng)非晶納米晶復(fù)合涂層保護后的轉(zhuǎn)輪表面經(jīng)一個汛期運行后未發(fā)現(xiàn)明顯的磨蝕區(qū)，涂層表面基本完好，只是在極個別的地方發(fā)現(xiàn)涂層剝離，但剝離面積很小，不超過4cm2，而且剝離發(fā)生在涂層的邊緣部位。明顯優(yōu)于原來基體材料 （A3）的抗磨蝕性能。

圖1 運行后的轉(zhuǎn)輪

圖2 噴涂中的轉(zhuǎn)輪

圖3 噴涂后的轉(zhuǎn)輪

圖4 運行后的轉(zhuǎn)輪

總體上高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層抗磨蝕性能優(yōu)異，為多泥沙水電站的水輪機過流部件抗磨蝕工作提供了新的途徑，值得在水輪機上應(yīng)用和推廣。但由于噴涂設(shè)備限制，轉(zhuǎn)輪流道狹小，葉片迎水面與噴涂粒子射流不成90度，從而影響了涂層的結(jié)合強度;轉(zhuǎn)輪葉片背水面是一個曲面，要掌握噴涂粒子流與葉片表面保持或接近90度不易控制，影響噴涂保護效果，有待進一步研究改進。

3 結(jié)論

高耐蝕耐磨非晶納米晶復(fù)合涂層在水輪機葉片上的應(yīng)用，可以提高水輪機轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕能力，有效延長轉(zhuǎn)輪的使用壽命，降低電站的運行成本，增加效益。該項技術(shù)不但可以對舊轉(zhuǎn)輪進行修復(fù)涂層保護，還可在新轉(zhuǎn)輪上加工涂層，延長水輪機轉(zhuǎn)輪的使用壽命，為解決我國水輪機泥砂磨損問題提供了一條新途徑，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]孫冬柏，樊自拴，俞宏英，等.高耐蝕耐磨非晶納米復(fù)合涂層的研究進展[J].熱噴涂技術(shù)，2009(2)：1-9.

[2]顧四行，楊天生，閔京聲.水機磨蝕[M].北京：中國水利水電出版社，2008.