刚柔并济应对复杂环境下水轮机导水机构磨蚀破坏

李贵勋，张 雷，郑 军，孔令辉，杨 勇

（黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州450003）

1 引言

高含沙河流上的水轮机，受到高速含沙水流磨损、空蚀破坏以及相互耦合作用，水轮机导水机构易磨蚀破坏[1]，尤其部分调峰电站不能满负荷运行，导水机构密封部位更易破坏，导致设备性能参数恶化，特别是磨蚀发展到破坏正常水流流态时，水轮机导水机构密封易出现严重破坏，导致机组无法正常开关机，从而影响设备正常运行，尤其当前新建水电站的水头越来越高，一旦出现磨损迹象，在含沙高速水流作用下密封部位破坏速度极快[2]。某新建水电站运行2年后，活动导叶端面、底环和顶盖破坏严重，影响到水轮机的正常启闭，如图1所示。我国每年因水轮机过流部件磨蚀破坏而停运或检修引起的电能损失巨大，年消耗检修费及设备更新费数以亿计[3]。因此如何应对复杂环境下水轮机导水机构磨蚀破坏，以保障水轮机高效稳定运行，具有重要的应用价值。

图1 水轮机底环、活动导叶过流面磨蚀破坏

2 水轮机磨蚀防护现状

由于水力机械过流部件磨损、空蚀破坏首先发生在表面，目前多采用表面防护技术（耐磨蚀涂层）进行处理。采用表面防护技术既可降低水力机械维护成本，又可根据磨蚀破坏的实际情况，有针对性的合适有效的进行表面防护技术处理。

近年来水力机械磨蚀防护技术迅速发展，如早期的耐磨焊条堆焊、金属热喷涂技术以及近些年的超音速喷涂、等离子喷涂、激光熔覆技术，还有聚合物弹性涂层技术也逐渐扩大应用范围，水力机械的抗空蚀、耐磨损性能逐步得到改善。抗磨蚀涂层按材料性质可分为金属涂层（包括金属-陶瓷涂层）和非金属涂层，按照硬度可分为硬涂层和软涂层。硬涂层包括耐磨焊条堆焊、金属粉末喷熔、碳化钨喷涂等涂层；软涂层包括聚氨酯/聚脲、复合尼龙、超高分子聚乙烯等涂层[4-7]。

耐磨焊条堆焊技术工艺简单、操作方便，目前水力机械维修经常采用，但是经过多年反复补焊处理，水力机械金属结构组织发生较大变化，导致其耐磨性和机械性能变差。超音速喷涂技术制备的耐磨涂层结合强度较高，涂层致密、孔隙率低、耐磨损性能优越，但抗空蚀性能不够好，容易脱落，限制了其广泛应用。等离子喷涂技术、激光熔覆技术在近年来发展较快，制备的耐磨涂层结合强度高，可大幅提高材料表面的耐磨损性能，但成本较高，通用性有待提高。

目前，水轮机导水机构密封多采用金属对金属的硬密封，金属密封磨蚀后主要通过堆焊的技术对其进行修复。由于金属密封对活动导叶翼型准确度要求较高，而堆焊技术冲淡率大，焊层厚且不均匀，加工余量大，反复堆焊易造成基体组织结构发生变化，导致性能变差。

3 水轮机导水机构磨蚀防护

针对水轮机活动导叶密封磨蚀破坏问题，提出刚柔并济的磨蚀防护方案，软硬涂层并用。通过采用刚柔结合的磨蚀防护技术对水轮机导叶密封磨蚀区域进行处理，充分发挥不同防护的优点，提高导叶密封的抗磨蚀性能，从而延长水轮机机组大修周期，达到降低电站维修成本、节能降耗的目的。

3.1 水轮机导水机构刚柔材料选取

水轮机导水机构密封面分别采用刚性材料和柔性材料。综合来说，柔性材料多为橡胶，本文选取丁苯橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶4种材料进行力学性能和耐磨性能测试，拉伸性能按GB/T528-2009在万能电子试验机上进行，拉伸速率为500mm/min，撕裂强度按照GB/T529-1999测试，采用直角形试样，硬度按GB/T531.1-2008要求进行测试，阿克隆磨耗按GB/T1689-2014进行，4种材料性能数据如表1所示。

表14 种橡胶材料性能参数

通过数据对比，聚氨酯橡胶材料的综合性能更优，其拉伸强度、撕裂强度、阿克隆磨耗性能均较高，符合水轮机导水机构密封用材料的性能要求。因此，选择聚氨酯橡胶用作水轮机导水机构磨蚀防护的柔性材料。

根据水轮机磨蚀防护研究和市场调研，超音速喷涂碳化钨涂层具有优异的耐磨损性能，综合性能较好，其应用较为广泛，本文选用超音速喷涂碳化钨涂层作为导水机构磨蚀防护的刚性材料。

3.2 水轮机导水机构磨蚀防护方案

活动导叶大头密封面及顶盖、座环分别采用弹性有机高分子密封板和抗磨板，活动导叶小头密封面及导叶端面采用超音速喷涂碳化钨硬涂层，活动导叶防护示意图如图2所示，聚氨酯、碳化钨涂层性能如表2、3所示。通过活动导叶大头的软涂层与小头的硬涂层同时应用，形成弹性密封，不仅大幅度提高导水机构的密封性能、耐磨性能，同时降低活动导叶安装精度控制的难度。

图2 活动导叶磨蚀防护示意图

表2 弹性密封板用聚氨酯性能

表3 超音速喷涂碳化钨涂层性能

4 应用效果

2018年4月，某高含沙河流的水电站水轮机磨蚀严重，该方案在电站的2台机组上进行了应用。这2台机组分别采用了两种方式对磨蚀破坏的活动导叶密封进行处理，一是活动导叶大头密封面及顶盖、座环采用弹性有机高分子密封板和抗磨板，活动导叶小头密封面及端面进行补焊处理并机加工；二是活动导叶大头密封面及顶盖、座环安装弹性密封板和抗磨板，活动导叶小头密封面及端面补焊后进行超音速喷涂碳化钨涂层（见图3）。

2019年12月，2台机组停机检修，磨蚀防护应用效果如图4所示。2台机组活动导叶密封面基本完好，起到了较好的磨蚀防护作用；未采用超音速喷涂的机组，活动导叶端面密封出现明显磨蚀破坏，采用超音速喷涂处理的活动导叶端面完好。结果表明过流部位的软硬面应具有相对等的耐磨蚀性能，才能起到良好密封和耐磨防护作用。只要一方耐磨性能不佳，将从耐磨性能差的一面开始破坏，引起间隙空蚀及磨损，从而导致过流面的破坏。

图3 活动导叶及座环磨蚀防护

图4 活动导叶运行2个汛期后效果

5 结论

采用弹性密封的方式对水轮机导水机构密封进行处理，通过在水轮机活动导叶的大头、座环顶盖安装聚氨酯密封板、抗磨板，在活动导叶小头、端面进行超音速喷涂碳化钨涂层，形成弹性和刚性的密封面，刚柔并济，经过2个汛期的运行，该方案发挥了优异的密封和抗磨蚀作用。同时，应用结果表明过流部位的软硬面应具有相对等的抗磨蚀性能，才能起到良好密封和耐磨防护作用。