碳化钨涂层在水轮机过流部件上的应用

史琳元

摘要：本文简单介绍了碳化钨涂层防护在水轮机过流部件上应用，其防护优越性表露无遗，11年的运行应用，经过两次修复，取得了一定的效果，为今后的过流部件抗磨蚀防护工作开拓了思路。

关键词：轴流转桨式水轮机；过流部件；碳化钨涂层防护

1.概述

某水电厂有7台水轮发电机组，由于该水电厂位于黄河中下游，因长期受黄河高泥沙水流的影响，机组磨蚀现象十分严重。为解决这一制约发电生产的技术难题，分别在1号、4号和5号机组上进行了38种国内外抗磨蚀材料试验，取得了一定的成绩。并于1999年11月，中德合作对1号水轮发电机组进行了针对特殊水沙条件的技术改造，为解决水轮机的严重磨蚀，进行过大量的试验研究工作，非金属材料方面，先后用过环氧金刚砂、S80（美国）、聚氨脂橡胶（德国）、热喷涂尼龙、高分子聚乙烯进行过试验。改造后的1号发电机组运行安全可靠性和稳定性大大提高，水轮机抗磨蚀性能及机组效率大大提高，单机负荷由原来的50MW提高到60MW。

2.号水轮发电机改造后碳化钨涂层的主要防护部位

碳化钨涂层属金属陶瓷材料，应用在水轮机转轮室、叶片正面、背面、头部及转轮体等强气蚀区。根据碳化钨涂层特性，在改造后的1号水轮机过流部件的以下部位应用碳化钨涂层进行了防护，即水轮机转轮室、7个叶片、叶片裙边、转轮体及24个导叶的立面密封面均采用碳化钨涂层防护。

3.碳化钨层的物理性能

碳化钨涂层是一种金属化合物涂料，为金属陶瓷。在经过底基表面喷砂除锈及表面抛光打磨后，进行无损探伤；对发现的表面缺陷利用氩弧焊技术进行修补，再利用进口砂轮片进行表面抛光打磨除脂除污后，对表面进行活化处理；然后进行控制喷涂，也就是控制基材温度不超过120°C，每遍涂层厚度不大于12μM，涂层无台阶、脱落及不均匀现象；最后进行渗透保护，即采用专用材料进行涂层表面保护。

该涂层专用于含泥沙河流中，尤其是当含沙量大于0.01 Kg/ m3时的过流表面金属防护，具体的使用寿命与水流流速，冲击角，泥沙含量，泥沙类型有关。

4.碳化钨层的应用及修复

1号机自1999年11月开工改造，到2000年12月投运，至今已运行十多年，并经历了九个汛期的运行，其碳化钨涂层的应用修复情况如下：

4.1 检查情况

2005年汛前对1号机五年汛期运行情况进行了全面检查， 其结果为上、下转轮室连接环缝两侧均有碳化钨涂层脱落现象，在活动导叶7#、8#下方4m长范围内有大约二十几片碳化钨涂层脱落，顺水流方向明显出现条状局部汽蚀坑（最大长度约100～200mm），最大面积约为5～6cm2，深约5mm，宽度在25mm。转轮室上部过度圆即底环在24#活动导叶对应的下部有一长近1m宽约260mm的碳化钨涂层脱落，出现这种现象初步分析认为是由于转轮室局部凸出，在转轮运行中该间隙过小夹有物体摩擦引起，其中离底环下部400mm即整个圆周方向间断存在碳化钨涂层脱落形成磨蚀亮带。

2008年汛前对1号机的过流部件进行了全面检查和修复。叶片头部边缘汽蚀破坏严重已伤及母材，裙边破坏呈锯齿状且其厚度明显削薄，叶片背部因汽蚀局部出现碳化钨涂层脱落现象；中环上部05年5月曾修复过的碳化钨涂层部分脱落，脱落面积逐年增大；修复后，修复部位以下原涂层破坏加剧，因涂层脱落出现的亮带区宽度逐年加大，由 06年的150mm已增至300mm。07年进行软涂层修复叶片裙边时，因没有清理干净粘接在中环上的聚氨酯涂料，破坏了转轮室流态，造成中环碳化钨涂层破坏加剧，破坏在中环上呈线状，沿叶片裙边型线分布。

4.2 碳化钨涂层修复

在全面检查完成后，对1号水轮机过流部件碳化物涂层脱落部分进行了全面、彻底的修复。

4.2.1 修复材料

焊接采用郑州机械研究所生产的0Cr13Ni5Mo直径3.2mm焊条和直径1.2㎜的焊丝；喷涂材料采用美国METCO公司生产的5843粉末材料。

4.2.2修复工藝

将涂层厚度小于0.1mm，或间隔型涂层损坏部位面积已达50%左右的旧涂层，采用涂层表面活化方式进行去除。除尘除污，用工业丙酮除脂清洗。采用磨具将破坏区域打磨使其显露基础材料。利用石油液化气，使用专用喷火加热工具对补焊区进行预热。使用红外测温仪进行温度监控，加热使补焊区温度达到施焊温度。利用TIG氩弧焊及直流手弧焊交替焊接，最底层及面层用氩弧焊进行。在施焊过程中，使用红外测温仪进行温度监控，当补焊区温度达到停焊温度时停止焊接，补焊区域自然降温，测量补焊区域温度，当达到施焊温度时再进行控温焊接，直到完成补焊操作。利用磨光、抛光工具进行打磨，使补焊表面与原转轮型线光滑过渡。抛光表面到▽5。利用PT渗透剂进行检查，无裂缝及气孔、砂眼。最后进行表面活化处理，控制喷涂，渗透保护。

4.3 修复后的应用情况

05年中环破坏部位碳化钨现场喷涂处理，经过一个汛期的发电运行，修复的碳化钨涂层基本上保留了下来，涂层的厚度修复前后相比也没有太大的变化，涂层的整体防护效果良好。但在主要的修复区域内仍发现有小块涂层脱落的现象，其主要原因认为是新喷涂层与原涂层间的粘接强度不够造成的；另外，对中环汽蚀坑点密集的区域同样进行了喷涂修复处理，实践证明效果并不理想，修复的涂层几乎全部脱落；特别是：在检查中发现原中环出现的环形亮带区的下方，又出现了宽约150mm新亮带区，涂层厚度基本在0～0.25mm之间，并且通过厚度测量发现亮带区有向下延伸的趋势，其形成的原因主要还是水轮机磨蚀破坏造成的。

08年1号机过流部件经过碳化钨现场喷涂处理后，经过一个汛期的发电运行，叶片头部修复过的碳化钨涂层保留较好，个别叶片正面进水边头部靠外缘侧出现局部汽蚀破坏致使碳化钨涂层脱落。叶片裙边头部汛前修复部位存在明显汽蚀破坏，分析原因认为是受现场条件限制该部位修复时工艺控制较难达标造成的；中环05年基本相同，有明显汽蚀破坏现象，汛前修复的碳化钨涂层存在部分脱落。

5.结束语

经过十余年的运行应用，该厂在1号水轮机过流部件上应用碳化钨涂层的防护及修复取得了一定的成果，特别是在2005和2008年西安宇丰电子机械有限公司两次对上部转轮室上、下两条不同区域的磨蚀亮带、叶片头部及裙边进行了全面修复后，经过多年汛前汛后的检查，取得较为满意的结果，除叶片头部、外缘裙边有局部脱落外，叶片的其它部位基本完整无损，上下转轮室由于叶片与转轮室之间夹带杂物磨损出现脱落，其它部位基本完好，确实起到了抗磨蚀防护效果，为今后的过流部件抗磨蚀防护工作开拓了思路。