盧建勇，于 躍，萬永發(fā)

小浪底電站水輪機過流部件碳化鎢涂層修復技術研究應用

盧建勇，于 躍，萬永發(fā)

（小浪底水利樞紐管理中心，河南 濟源 459017）

采用碳化鎢粉末對水輪機過流部件進行防護是較為可靠、成熟的防護技術，可以有效防止機組的空蝕、磨蝕。但隨著機組的運行年限增加，碳化鎢涂層脫落是必然現象，如何經濟、有效的對碳化鎢涂層進行修補目前國內外均無成熟的運用技術，文章結合小浪底電站水輪機過流部件碳化鎢修復的應用實例，對碳化鎢涂層修復問題進行研究，得出較為可行的涂層修復方法。

水輪機過流部件；碳化鎢噴涂；氣蝕；碳化鎢涂層修復

1 小浪底電站水輪機簡介

小浪底水利樞紐地處于黃河干流，裝機容量6×300MW，所轄6臺水輪機均由美國福伊特公司生產，2001年全部投產發(fā)電。水輪機形式為主軸混流式，額定水頭 112.0m，轉輪公稱直徑6.356m，額定轉速107.1r/min，設計年利用小時數3250h，設計允許的多年平均過機含沙量37.5kg/m3，泥沙中值粒徑 d50為0.023mm。轉輪葉片采用不銹鋼板材（0Cr13Ni5Mo）分兩塊模壓焊接而成，數控加工技術分片制造。上冠、下環(huán)、葉片均使用不銹鋼材質（0Cr13Ni5Mo），在現場整體組焊。

針對黃河多泥沙河流的特點，小浪底水力發(fā)電廠水輪機過流部件除采用具有抗空蝕性能的不銹鋼材料外，部件表面還采用抗磨涂層進行防護。在活動導葉邊緣、轉輪、頂蓋和底環(huán)的上、下抗磨板等流速較高的部件表面噴涂碳化鎢硬涂層。碳化鎢涂層的具體防護部件、區(qū)域和面積見表1。

2 小浪底電站水輪機運行情況簡介

小浪底電站水輪機是國內第一家大規(guī)模開展碳化鎢防護的水輪機組，碳化鎢防護保證了小浪底機組安全穩(wěn)定運行了10余年，和同處于黃河且過機含沙量較大的劉家峽電站、萬家寨電站、三門峽電站對比，小浪底轉輪的磨蝕程度和每年的補焊量都遠遠低于以上三家電站。但隨著機組運行年限的增加，碳化鎢涂層逐漸開始脫落，在脫落部分和原未噴涂部位開始逐步出現氣蝕現象，并有逐年增大趨勢。

表1 碳化鎢涂層的具體防護部件、區(qū)域和面積

2.1 有噴涂碳化鎢涂層區(qū)域磨損氣蝕情況

碳化鎢涂層沒有脫落部位，沒有發(fā)生磨損和氣蝕情況；部分碳化鎢涂層脫落區(qū)域，出現氣蝕現象，且氣蝕坑均分在涂層脫落區(qū)域。氣蝕成花紋狀，色亮，坑淺，平均坑深0.1cm。

2.2 未噴涂碳化鎢涂層區(qū)域磨損氣蝕情況

未噴涂碳化鎢涂層區(qū)域，磨損和氣蝕現象相對嚴重。大約占到全部面積的70%，平均坑深0.2cm，密度達到10個/cm2。

2.3 其他區(qū)域

在葉片根部和迷宮環(huán)部位氣蝕情況最為嚴重，最深坑深達到1cm，呈蜂窩狀，已經嚴重破壞了機體結構。

2.4 脫落面積

機組碳化鎢涂層脫落總面積大約占總噴涂面積的10%。

3 問題及研究方向

對現有的運行狀況分析，小浪底水輪機磨蝕現象確實存在且逐步加劇，隨著機組運行年限的增加及涂層脫落現象的加劇，過流部件的損傷也將加劇。為了防止過流部件的損傷可能帶來的危害，須盡早地對碳化鎢涂層進行修補。

碳化鎢噴涂技術是國際成熟的技術，應用上不存在難點，但目前還沒有大型水輪機組碳化鎢涂層修復的應用實例，且小浪底機組碳化鎢涂層脫落呈分片不規(guī)則狀，如何對局部的碳化鎢進行修復、原有碳化鎢和新噴涂碳化鎢如何結合過渡；新、舊碳化鎢涂層結合情況；呈蜂窩狀的碳化鎢涂層如何去除并重新噴涂在行業(yè)內都沒有相應的標準及工藝。

碳化鎢噴涂需要機體表面光潔度高，無坑點和雜物。小浪底水輪機表面存在的密密麻麻的數以萬計的淺磨蝕坑，行業(yè)內還沒有如此大規(guī)模焊接修補的先例，如何對這些磨蝕坑進行焊接修補，如何控制焊接變形及應力變形，如何控制焊接強度問題都需要系統(tǒng)分析研究。

4 小浪底電站水輪機過流部件涂層修復實例

針對水輪機組碳化鎢涂層修補遇到的問題，小浪底電站工作人員經過認真研究，制定周密的施工處理方案，并在2號、4號機組上進行了應用，經過工程反復實踐，證明可以在工程上廣泛使用。

4.1 廢舊涂層去除

碳化鎢涂層的標準厚度為：0.3～0.5mm，而且高速火焰噴涂技術（HVOF）噴涂不能在舊涂層上直接噴涂。根據水輪機檢修導則要求，一般對A修機組來說，由于檢修周期間隔較長，所以建議對涂層厚度小于0.1mm，或間隔型涂層損壞部位面積已達50%左右時，將舊涂層去除，修補損壞基體，還原設備形狀后，重新進行噴涂。舊涂層采用涂層表面活化方式進行去除，使用棕剛玉材料按照歐洲表面處理工藝及要求進行表面活化處理，處理標準符合國標GB8923。具體工藝要求如下：采用棕剛玉噴砂對原有碳化鎢涂層進行去除；工作環(huán)境的溫度至少高于氣溫5℃或基體的溫度至少高于大氣溫度3℃；壓縮空氣應干燥、無油；采用20#白剛玉或棕剛玉；噴砂時光線應充足，在噴砂時應保證所有需要噴涂的表面得到均勻的表面粗化，噴砂后表面粗糙度應達到 Rz25～Rz75μm（Sa2～Sa2.5）； 噴砂后，用柔性的不銹鋼鏟刀或不銹鋼刷將鑲嵌在工件表面的沙礫鏟掉或刷掉；使用干燥、無油的壓縮空氣將工件表面吹干凈；表面活化處理完成到碳化鎢涂層噴涂前的間隔時間不得超過4h，否則需要重新進行表面活化。

4.2 補焊打磨

對遭到破壞的基材首先進行補焊打磨達到修舊如新的效果。由于葉片及導葉材料的特殊性要求施焊時必須加熱。而為了保護涂層和基材不發(fā)生變形、裂紋等缺陷，不允許施焊區(qū)域溫度過高，要求嚴格控制溫度進行施焊。補焊作業(yè)主要采用TIG氬弧焊為主，直流電焊為輔的方式進行。對較大的坑槽僅用電焊進行填充，而面層焊接全部采用氬弧焊技術。對于葉片頭部等母材破壞嚴重但型線保留的位置補焊打磨時參照周邊型線進行過渡。

補焊工藝分為7步：（1）清洗，除塵除污，用工業(yè)丙酮除脂清洗。（2）焊前清理，采用磨具將破壞區(qū)域打磨使其顯露基礎材料。（3）預熱，利用石油液化氣，使用專用噴火加熱工具對補焊區(qū)進行預熱。使用紅外測溫儀進行溫度監(jiān)控，加熱使補焊區(qū)溫度達到施焊溫度（100～120℃）。（4）補焊，利用TIG氬弧焊及直流手弧焊交替焊接，最底層及面層用氬弧焊進行。在施焊過程中，使用紅外測溫儀進行溫度監(jiān)控，當補焊區(qū)溫度達到停焊溫度時停止焊接，補焊區(qū)域自然降溫，測量補焊區(qū)域溫度，當達到施焊溫度時再進行控溫焊接，直到完成補焊操作。層間溫度控制在100～150℃，焊后錘擊消除應力。（5）焊接材料，選用與基體材料一致或相近的不銹鋼焊絲和焊條（0Cr13Ni5Mo或0Cr16Ni5Mo）。（6）焊后處理，利用磨光、拋光工具進行打磨，使補焊表面與原轉輪型線光滑過渡。拋光表面到Ra3.2。（7）質量檢查，利用 PT滲透劑進行檢查，無裂縫及氣孔、砂眼。

4.3 噴涂

噴涂設備采用高速火焰噴涂技術（HVOF），美國SulzerMetco進口設備DJ2700水冷系統(tǒng)；噴射速度大于21000m/s；粘接強度大于70MPa；涂層表面粗糙度：3.2～6.3μm；涂層表面硬度大于Hv0.31100，抗磨損能力比0Cr13Ni4Mo高70倍以上，涂層的抗氣蝕性能比13-4型的不銹鋼材料高出50%。

噴涂工藝具體為：（1）除濕干燥及除塵；（2）除銹蝕及表面拋光：利用進口砂片進行表面拋光打磨，以提高表面光潔度及拋去表面氧化層；（3）噴涂前檢查：待噴涂區(qū)域已清理完畢，待噴涂表面糙度最大為6.3μm，無裂紋，無腐蝕，無氣孔、沙眼，無焊接加渣，表面硬傷孔洞直徑不大于0.5mm；（4）搭架固定及保護：為方便噴涂作業(yè)并對其它區(qū)域進行保護，具體方案結合現場條件而定。（5）粉末預處理（噴涂材料采用美國Sulzeretco公司生產的 Armdry5843粉末）；（6）表面除脂除污；（7）控制噴涂：由于現場噴涂作業(yè)，大部分噴涂將用手工完成，因此在噴涂過程中，使用紅外測溫儀進行溫度測量，控制基材溫度不超過120°C，每遍涂層厚度不大于15μm，涂層無臺階、脫落及不均勻現象等；（8）封孔保護：采用專用材料進行涂層表面保護；（9）噴涂表面處理：拋光后表面糙度值表符合圖紙要求；（10）測量：按照國際標準，采用英國elemate456型儀表對涂層厚度及噴前表面糙度進行測量控制；（11）噴涂結束后填寫涂層厚度測量表，并由雙方人員共同復測確認。

4.4 材料及設備

（1）碳化鎢成分要求含 86%WC，10%Co和4%Cr，碳化鎢粉末的尺寸應在15～45μm之間。

（2）碳化鎢的噴涂粉末品牌選用 SulzerMetco生產的水輪機專用碳化鎢AMDRY5843。其主要成分為碳化鎢粉（市場上通用的碳化鎢粉如鈷-碳化鎢類其主要特點是干式抗磨，對于濕環(huán)境尤其是水下惡劣環(huán)境不能適應，由于其抗汽蝕能力極低，因此不適用于水電站的噴涂）結合強度大于70MPa，表面硬度大于1100Hv，表面抗磨能力比不銹鋼（0Cr13Ni5Mo）高70倍以上，其抗汽蝕能力與不銹鋼（0Cr13Ni5Mo）相當。

（3）表面粗化噴砂材料選用20#的棕剛玉，噴砂材料重復使用不得超過兩次。

（4）采用SulzerMetco生產的 DJ2700水冷式高速火焰噴涂設備進行噴涂，氣體噴出噴槍速度可應達到 2000m/s（ ＞1360m/s）

4.5 涂層質量檢驗

4.5.1 目視檢驗

在光線充分的條件下檢查涂層表面質量，涂層應呈淺灰色，涂層厚度均勻，無凹坑，無凸起，無裂紋、無剝離，如有難以判斷的情況，應使用5～10放大鏡進行觀察。

4.5.2 涂層厚度檢查

應采用測厚儀測量涂層厚度，涂層厚度應在0.3～0.5mm之間，涂層厚度應記錄在檢查表中。

4.5.3 附著力測試

在產品噴涂前和每套機組的每一類部件的首件，在相同的條件下噴涂一組（至少3件試樣）涂層附著力測試試件，試件上涂層厚度不低于0.38mm，并按照ASTMC633-2001進行涂層附著力測試，取試樣平均值作為附著力的最終值，涂層附著力不應低于70MPa。噴涂施工方應提前3天通知業(yè)主見證試件的噴涂和附著力測試試驗。

4.5.4 硬度測試

在噴涂產品前噴涂三件硬度試樣。按照ASTM E18測試試樣的涂層硬度，采用標尺HR15N進行測試。為得到可靠的試驗結果，試樣表面應磨削平整，噴涂后試樣應再次磨削平整后進行硬度測試，在試樣上至少測試10點數據，取算術平均值作為最終的硬度值，硬度值不得低于HR15N82.0，且這些硬度值的標準偏差不得大于1.0。

4.5.5 顯微組織檢測

在噴涂產品前噴涂三件顯微組織檢測試樣。顯微組織檢測是為了評估涂層中空隙率，涂層與基體之間的雜質狀況。將試樣沿橫截面切開，放大200倍后進行檢測。孔隙率不大于10%；涂層與基體之間的雜質不大于15%；每一個視野中，涂層中的異物顆粒不超過一個；不得有裂紋。

4.6 修復效果及存在的問題

經過兩臺機組的實際檢驗，噴涂效果良好，最早噴涂的4號機組在經歷過高含沙水流下的長期運行后，涂層保持完好，基本達到了預期的使用效果。但隨著機組運行小時數的增加，也逐步暴露出一些問題。（1）新舊碳化鎢涂層的過渡區(qū)域結合力問題沒有得到很好的解決，過渡部位結合力不夠理想，雖不至于在短時間內引發(fā)新的空蝕出現，但長時間運行后將會是新空蝕發(fā)生的重點部位。在隨后進行的2號機組噴涂中采取了將舊涂層全部去除的方式，造成了成本的增加。（2）采取大規(guī)模的常規(guī)方式氬弧焊補焊，每個點的補焊量都很小，結合強度不盡如人意，目前還未出現機體損傷的情況，可以預見，隨著機組運行時間的增加，補焊部位結合力不足的缺陷會是會對碳化鎢涂層造成一定影響。

5 結語

采用碳化鎢粉末對水輪機過流部件進行防護是較為可靠、成熟的防護技術，可以有效防止機組的空蝕、磨蝕。但隨著機組的運行年限增加，碳化鎢涂層脫落是必然現象，如何經濟、有效的對碳化鎢涂層進行修補目前國內外均無成熟的運用技術，小浪底電站水輪機過流部件碳化鎢修復采取的工藝及方法目前還處于初步探索階段，存在著一些問題。但從應用效果上看，可以緩解現場的實際問題，也對碳化鎢涂層修復問題研究指明了方向，值得借鑒和推廣。

［1］任巖.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（08）：61-63.

［2］朱曉斌，水輪發(fā)電機組過流部件抗磨蝕技術研究［J］.水電與新能源，2013（06）：151-152.

［3］黃明.葛洲壩電廠水輪機轉輪磨蝕情況分析與檢修工藝［J］.焊接技術，2006（04）：35-36.

［4］梅華鋒.一種新型超音速等離子設備噴涂WC涂層的研究［J］.水利技術監(jiān)督，2015（01）：31-32+63.

［5］孫艷秋.水電站厚鋼板壓力鋼管埋弧焊工藝淺析［J］.水利技術監(jiān)督，2015（02）：86-88.

［6］周若愚.大型混流式水輪機座環(huán)安裝與焊接工藝［J］.水利技術監(jiān)督，2014（01）：69-72.

［7］馬素萍.對水輪機泥沙磨損保證值參數檢測的探討［J］.水利技術監(jiān)督，2014（06）：17-18.

［8］孫玉林.水輪機防磨技術措施［J］.東方電機，2003（03）：101-105.

［9］米谷貞吉.水輪機磨損修補技術的開發(fā)［J］.水電站機電技術，1989（01）： 69-70.

［10］張建勝.水輪機抗磨蝕技術在魏家堡水電站中的應用［J］.小水電，2005（03）：39-41.

［11］謝翠松.水輪機沙粒磨損問題研究［J］.湖北水力發(fā)電，2002（01）： 39-42.

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1008-1305（2017）05-0062-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.021

2016-10-18

盧建勇（1973年—），男，高級工程師。