楊 勇，喻 冉，孔令輝

（1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南省鄭州市 450003；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350）

0 引言

高水頭大流速含沙水流對(duì)水力機(jī)械過流部位產(chǎn)生不同程度的磨損和空蝕[1-3]，黃河以其高挾沙量聞名，磨蝕問題更加突出。黃河干支流已建的水利工程運(yùn)行實(shí)踐表明，水力機(jī)械和水工建筑物長期受泥沙磨損、空化空蝕、腐蝕銹蝕、沖擊振動(dòng)及耦合作用，過流部位出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞，影響了發(fā)電或灌溉等效益，增加了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致水利工程的運(yùn)行安全。

針對(duì)磨蝕問題，自20世紀(jì)70年代，開展了大量機(jī)理、測試及防護(hù)技術(shù)的研究[4-6]，取得了豐碩的成果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。相關(guān)成果在黃河流域、長江流域、新疆、東北以及臺(tái)灣等地區(qū)得到大力推廣和應(yīng)用，對(duì)解決水利工程的磨蝕問題起到了巨大的作用。

1 常見磨蝕防護(hù)技術(shù)

水輪機(jī)在低壓區(qū)會(huì)發(fā)生空泡現(xiàn)象，空泡潰滅時(shí)對(duì)水輪機(jī)造成的破壞稱為空蝕，流道表面呈現(xiàn)出針孔狀或蜂窩狀破壞特征。如果是含沙水流，泥沙顆粒還會(huì)對(duì)水輪機(jī)造成磨粒磨損，流道表面出現(xiàn)魚鱗坑或溝槽破壞特征。含沙水流過機(jī)，往往同時(shí)存在空蝕與磨損，流道表面會(huì)呈現(xiàn)以上兩種不同的破壞特征。但是當(dāng)一種破壞強(qiáng)度遠(yuǎn)大于另一種時(shí)，較弱破壞的特征會(huì)被掩蓋。因此，磨蝕在機(jī)理上十分復(fù)雜。磨蝕破壞的主要危害在于檢修周期縮短、檢修工作量增大、檢修成本高、機(jī)組運(yùn)行效率降低，用于水力機(jī)械的磨蝕防護(hù)材料或技術(shù)主要包括以下幾類：

（1）補(bǔ)焊。這是最常用的修復(fù)技術(shù)，焊條種類和牌號(hào)較多，主要有高奧氏體不銹鋼型[7]（如A102、A132等）、低碳馬氏體不銹鋼型[8]（如0Cr13Ni5MoRe、16-5、17-4系列等）和高鉻鑄鐵型[9]（如耐磨一號(hào)、瑞士5006等）。王者昌等[10]將GB1堆焊焊條在水輪機(jī)抗磨蝕修復(fù)中進(jìn)行應(yīng)用，該焊條既具有優(yōu)異的抗空蝕性能，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、0Cr13Ni5Mo的5.6倍。如果加入適量稀土或微量細(xì)化晶粒元素，可使其抗空蝕、磨損和磨蝕性能進(jìn)一步提高。與單一的金屬材料和陶瓷材料相比，金屬/陶瓷復(fù)合材料具有硬度高、耐磨抗高溫耐腐蝕等特點(diǎn)的優(yōu)良工程材料。Bolelli[11]利用WC10Co4Cr作為噴涂材料，在基材45號(hào)鋼上制備涂層，通過耐磨蝕試驗(yàn)證明，抗磨蝕WC10Co4Cr涂層既有高的硬度、強(qiáng)度來抵抗泥沙磨損，又有好的塑性與沖擊韌性來防御空蝕破壞，能提高實(shí)際葉輪的抗磨蝕壽命，取得良好效果。

（2）金屬涂層防護(hù)。如金屬熱噴涂[12]、超音速噴涂[13]、等離子噴涂[14]、電鍍等。因具有較高的硬度和彈性模量，較小的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的化學(xué)性能而備受關(guān)注。金屬涂層中廣泛使用以WC、TiC等碳化物與金屬Fe、Co、Ni等制成的黏結(jié)相合金粉末，其中碳化物相使涂層具有高硬度和耐磨性，黏結(jié)相則賦予涂層一定的強(qiáng)度和韌性?？鼓バ阅芎?，抗空蝕性能與不銹鋼材料相當(dāng)。

（3）非金屬涂層防護(hù)。如樹脂砂漿類涂層[15]、高分子涂料等。環(huán)氧砂漿由環(huán)氧樹脂、磨料、固化劑、添加劑等組成，作為一種成本較低的非金屬材料，在水力機(jī)械磨蝕修復(fù)方面廣泛應(yīng)用。聚氨酯和高密聚乙烯等工程塑料也分別應(yīng)用于水輪機(jī)磨蝕防護(hù)，均取得了較好的效果。

2 熔覆技術(shù)及其應(yīng)用

熔覆技術(shù)主要采用激光或電磁能量加熱熔覆材料和基材表面，使所需的抗磨蝕材料熔焊于工件表面的表面改性技術(shù)。與傳統(tǒng)噴涂技術(shù)比，具有以下特點(diǎn)：一是涂層與基體是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高；二是不僅具有良好的耐磨性能，同時(shí)具備良好的韌性，抗空蝕性能好；三是成型質(zhì)量高，熱變形小。

新疆某引水式水電站，水輪機(jī)運(yùn)行工況較為惡劣，過流部件磨蝕嚴(yán)重，活動(dòng)導(dǎo)葉運(yùn)行一年后小頭減薄甚至破損。利用釬涂技術(shù)，在導(dǎo)葉小頭熔覆鎳基涂層材料，導(dǎo)葉小頭修復(fù)后如圖1所示。運(yùn)行三年，涂層沒有剝落或嚴(yán)重?fù)p傷。由此可見，熔覆工藝雖然成本較高、操作復(fù)雜，但是良好的機(jī)械性能也能夠在水輪機(jī)的其他過流部位有更廣泛的應(yīng)用潛力。

圖1 導(dǎo)葉小頭熔覆修復(fù)Figure 1 Repair of guide vane tip by cladding

3 聚氨酯材料及其應(yīng)用

聚氨酯材料品種眾多，經(jīng)過長期的室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，黃河水利科學(xué)研究院積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，遴選出數(shù)種耐磨蝕性能優(yōu)異的聚氨酯材料，改進(jìn)并提高了其耐撕裂性、耐水性和黏接性能，形成了系列產(chǎn)品，這是在抗磨蝕方面具有代表性的成果。

（1）聚氨酯修復(fù)強(qiáng)空蝕破壞區(qū)。通過改性助劑和真空澆鑄，突破了與金屬材料界面黏接力低的難題，能夠?qū)λ啓C(jī)過流強(qiáng)空蝕區(qū)進(jìn)行修復(fù)。如牡丹江蓮花水電站是清水水庫，經(jīng)過多年運(yùn)行，兩葉片之間靠右側(cè)上冠出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象。經(jīng)過補(bǔ)焊技術(shù)，可以對(duì)空蝕區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)，但補(bǔ)焊工作量大，需要工期較長，影響整個(gè)機(jī)組大修時(shí)間，同時(shí)補(bǔ)焊后，上冠采用的合金鋼經(jīng)過高溫會(huì)破壞材料結(jié)構(gòu)，致使其性能受到影響。再者，經(jīng)過補(bǔ)焊后運(yùn)行一段時(shí)間，上冠會(huì)再次出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，隨著時(shí)間延長，空蝕區(qū)域擴(kuò)大速度呈爆發(fā)式增長。2014年上冠空蝕區(qū)長度為70cm，2015年空蝕區(qū)長度增加到120cm，如圖2（a）所示。

由于上述原因，本次采用改性氧化石墨烯/聚氨酯復(fù)合涂層技術(shù)對(duì)蓮花廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠強(qiáng)空蝕破壞區(qū)域進(jìn)行處理，效果如圖2（b）所示。歷經(jīng)4個(gè)大修周期后，修復(fù)效果如圖2（c）所示?？梢钥闯?，除少量復(fù)合樹脂砂漿被磨掉外，聚氨酯復(fù)合涂層幾乎未受到任何破壞，仍能夠起到很好的保護(hù)作用，這是目前國內(nèi)外抗空蝕修復(fù)效果最好的案例。

圖2 水輪機(jī)上冠空蝕修復(fù)Figure2 Repair of cavitation erosion in upper crown of hydraulic turbine

（2）研制多種鋼塑復(fù)合（聚氨酯+不銹鋼）抗磨蝕零部件，應(yīng)用于水力機(jī)械，性能優(yōu)異[16]。圖3導(dǎo)葉大頭嵌入安裝的是鋼塑密封板，中間突起與導(dǎo)葉小頭搭接形成軟硬結(jié)合密封面，有效解決了漏水和磨損問題，多個(gè)水電站多年運(yùn)行實(shí)踐表明，這是目前應(yīng)用效果最好的導(dǎo)葉密封技術(shù)。圖4是鋼塑底環(huán)抗磨板，高含沙水庫應(yīng)用表明，抗磨效果優(yōu)于不銹鋼抗磨板。

圖3 鋼塑導(dǎo)葉密封板Figure3 Steel plastic guide vane sealing plate

圖4 鋼塑底環(huán)抗磨板Figure4 Steel plastic bottom ring wear plate

4 綜合防護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用

4.1 綜合防護(hù)措施

水輪機(jī)的全壽命周期管理包括采購、使用、維修、報(bào)廢等一系列過程，水電站往往根據(jù)使用工況，設(shè)計(jì)合理的維修策略（事后維修、預(yù)防維修、點(diǎn)檢、視情維修、狀態(tài)維修、機(jī)會(huì)維修等），確定維修時(shí)間和維修目的。

單一技術(shù)無法滿足惡劣工況下的抗磨蝕要求，甚至在同一過流部件單一技術(shù)也很難解決磨蝕問題。因此，需要在設(shè)備（設(shè)施）的全壽命周期的不同階段，針對(duì)具體部位和工況，基于對(duì)破壞機(jī)理、性能試驗(yàn)、應(yīng)用效果的深刻理解，設(shè)計(jì)合適的材料（焊條、砂漿類涂層、橡膠類涂層、鋼塑復(fù)合材料、金屬涂層等）、結(jié)構(gòu)和工藝，提供高性價(jià)比的綜合防護(hù)措施，以達(dá)到維修目的。

4.2 水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)綜合防護(hù)案例

新疆某引水電站，含沙量大、沙質(zhì)硬，水輪機(jī)磨蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致漏水量增大且機(jī)組出力下降。轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉以及底環(huán)抗磨板破壞嚴(yán)重，如圖5所示，每年需要大修，維修工作量大。

圖5 底環(huán)抗磨板和活動(dòng)導(dǎo)葉破壞Figure5 Failure of bottom ring wear plate and movable guide vane

對(duì)此，綜合防護(hù)措施設(shè)計(jì)如下：①轉(zhuǎn)輪修復(fù)。轉(zhuǎn)輪工況最為惡劣，采用補(bǔ)焊和超音速噴涂進(jìn)行防護(hù)。②活動(dòng)導(dǎo)葉修復(fù)?；顒?dòng)導(dǎo)葉立面采用復(fù)合樹脂砂漿抵抗泥沙磨損；在大頭搭接處，采用鋼塑復(fù)合立面密封板；在小頭搭接處，采用超音速噴涂進(jìn)行處理。搭接處形成軟硬材料接觸，能夠達(dá)到更好的密封效果。③抗磨板采用鋼塑復(fù)合材料，內(nèi)圈密封環(huán)進(jìn)行超音速噴涂處理，增強(qiáng)抗磨能力。

目前采用兩年一個(gè)維修周期，一年大修一年小修；活動(dòng)導(dǎo)葉及抗磨板報(bào)廢期由2年提高到4年。 運(yùn)行實(shí)踐表明，機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)抗磨蝕性能得到明顯提高，維修工作量大為減少。

5 結(jié)束語

水輪機(jī)磨蝕問題是電站運(yùn)行和工程設(shè)計(jì)必須考慮的問題之一，近些年來金屬熔覆技術(shù)和抗撕裂聚氨酯材料等取得了較大進(jìn)展，有效提高了水輪機(jī)抗磨蝕性能，未來具有良好的應(yīng)用潛力。單一技術(shù)無法解決水輪機(jī)磨蝕修復(fù)問題，必須針對(duì)不同過流部位設(shè)計(jì)綜合防護(hù)措施，并且解決方案的有效性和先進(jìn)性需要在運(yùn)行實(shí)踐中檢驗(yàn)。