水轮机过流部件的修复技术与研究

张宇婷，胡波

(1.兰州石化职业技术大学应用化学工程学院，甘肃 兰州 730060；2.甘肃电投大容电力有限责任公司，甘肃 兰州 730060)

0 引言

以前人们一直靠火力发电，煤炭、石油是主要的能源，但是这些化石能源一方面不可持续，另一方面对环境的污染也十分严重。所以，为了资源的可循环使用并且减少环境的污染，目前，广泛采用水电替代传统的火电了。

近年来，我国西部地区虽然水资源十分丰富，而且水势落差也很大，但是由于经济不发达，并没有很好地对西部地区的水利资源进行有效的开发利用。进入新时代后，为了西部的发展，国家采用了将西部的水电资源向东部地区输送的办法。但由于西部水流资源具有高泥沙含量的特点，在水力发电厂，如果频繁地更换或者检修水轮机部件会造成整个电网不能正常运行，导致经济损失。随着我国环保要求的不断提高，开展长效、绿色、高能的水电过流部件防护措施迫在眉睫。对于高流速、高泥沙环境下对水轮机过流部件的磨损问题，采取相应的防护措施，减少磨损带来的各种问题，延长水轮机的寿命、提高效率。

1 水轮机的发展

水轮机作为主要的研究对象，是水力发电站的核心设备。水轮机的雏形就是以前农业灌溉用的水轮机，随着社会不断地进步，工业文明的不断发展，对于用电需求的不断加大，人们需要功率更大、转速更快、效率更高的发电设备来服务于工农业生产需要。在水电站的运行中，水库上游中的水，经过引水管引流进入水轮机，推动水轮机快速地进行旋转，带动发电机进行发电。经过上百年的技术进步，目前，水轮机已经有很大的发展。

2 水轮机过流部件修复技术

在水力发电应用越来越广，也随之出现了很多的问题，尤其是西部地区的水位差相差很大，导致势能非常大，而且由于土质等问题，导致西部地区的水域泥沙含量特别高，会导致水轮机中重要的过流部件产生严重的破坏，使水轮机表面材料磨损不能正常运行。因此，会导致水力发电设备不能正常发电现象，造成经济损失，导致水能浪费。为解决这些问题，需要解决水轮机过流部件的磨损修复问题，才能提高经济效益，减少能源浪费。

目前，一般采用的方法是，通过设置能减少水中泥沙含量的装置，但是成本相对来说很高。所以，目前技术改进考虑的办法还是在过流部件上，以提高它的抗磨损性能。现在，已有很多方法可以提高它的抗磨损性能，且方法也更加经济和简便有效，就是选择合适的涂层材料，刷于过流部件表面来抗击泥沙的磨蚀能力和减少磨蚀速度。

3 选用抗磨蚀涂层的种类

目前，抗磨损涂层主要有三大类：第一类是金属涂层，有三种工艺热喷涂金属涂层，焊接以及激光熔覆金属涂层，它们都具有涂层与基体之间的结合强度很高、耐磨性能强的特性；第二类是非金属涂层，但非金属涂层整体来说具有涂层和机体表面结合力不高、极易老化、涂层耐磨损强度不高等缺点。他们的优点就是具有很明显的抗冲击能量强，施工工艺特别简单，可大大降低经济成本；第三类是复合涂层，所谓复合涂层就是由两种或两种以上不同性质的材料组成，能大幅提高抗磨蚀性。

3.1 热喷涂金属涂层

热喷涂金属涂层是在高温状态下将金属材料加热至熔融状态或者是半熔融状态，通过高速的气流将金属材料喷射到基体表面，等到温度降低之后金属材料与基体结合形成热喷涂金属涂层[1]。

热喷涂金属涂层与传统火焰喷涂工艺相比，热喷涂金属陶瓷涂层具有的优点更突出，它的金属涂层覆盖得更均匀，并且抗磨蚀性能较强，所以一些水电站的水轮机上采用的是热喷涂金属涂层进行抗磨蚀。但是它的缺点也很明显，如结合强度低、孔隙率高等，需要不断地试验得到最优的金属材料并且需要不断地改进制备工艺，以便于提高耐磨损强度。

3.2 激光熔覆金属层

激光表面熔覆技术是目前使用最广的技术，它主要是利用激光束将合金迅速加热熔化并且快速地与基体表面融合的技术。由于激光温度很高，几乎是瞬间熔化金属材料，没有不均匀或者涂层不与基体结合的现象，所以，激光熔覆金属层技术可以使金属与基体结合得更加牢固，更加均匀，耐磨性能更好。研究发现激光熔覆层较基体表面平整，无裂纹和蚀坑。熔覆层组织均一、致密且与基体形成良好的冶金结合；合金熔覆层在空化作用下发生加工硬化，具有优良的抗磨性和抗气蚀性。

激光熔覆金属层技术它所具有的优点是，不挑工件的尺寸和形状，任何形状的工件都可以使用激光熔覆金属层技术，涂层更加的均匀，结合的也更加牢固，并且自动化程度高。由于激光熔覆金属层技术优点多，目前人们研究的也特别多。但是激光熔覆金属层技术也有它的缺点，比如此项技术比较难控制温度，导致在操作的过程中，会出现裂纹，这将是未来研究的重要方向，如何能更好地控制温度，改善裂纹的出现。

3.3 环氧树脂非金属涂层

环氧树脂非金属涂层是一种非金属涂层工艺，它具有很多优点，比如，成本更低、工艺更加简单等优点。它是过流部件普遍采用的防护措施之一。环氧树脂是一种常用的非金属材料，由于环氧树脂涂层抗冲击性强，施工工艺特别简单，这大大降低了经济成本，目前环氧树脂涂层得到广泛应用。研究较早的环氧金刚砂涂层是将环氧树脂与金刚砂颗粒配成胶泥涂覆在过流部件表面，该涂层对水轮机过流部件以及水轮机表面都具有良好的抗磨损效果[2]。此外，环氧树脂复合涂层中硬质相与树脂基体的粘结性较差，增强相颗粒易脱落，使得增强相与基体结合界面成为涂层在气蚀作用下裂纹的核心位置，有待技术人员进一步研发改进。

3.4 堆焊金属层

堆焊是把金属材料焊接在基体表面的工艺。工件表面与焊层结合，形成的焊层具有硬度高并且耐腐蚀的优点。堆焊工艺主要有焊条电弧堆焊、钨极氩弧堆焊、等离子弧堆焊、氧-乙炔焰堆焊等[3]。堆焊工艺是研究比较早、应用比较成熟的一种工艺。但是堆焊工艺缺点是结合层的稀释率高、气孔多、裂纹多，不能很好地解决磨蚀问题。因此，堆焊金属涂层工艺仅适用于规模比较小的并且工件形状不规则的基体表面。

3.5 聚氨酯非金属涂层

聚氨酯非金属涂层，它有很强的弹性，同时具有一定的附着力，由于聚氨酯的这些优点，所以它是一种比较好的涂层材料。目前，由于聚氨酯非金属涂层与基体的结合强度较低，易脱落，也限制了聚氨酯涂层大面积推广应用。

3.6 复合涂层

复合涂层也是近年来研究比较多的涂层，因为复合涂层其实就是将两种或者两种以上的物质混合涂覆在基体表面，起到协同防护作用，达到性能更好的抗磨蚀涂层[4]。复合涂层的优点非常多，它兼顾了金属涂层和非金属涂层的优点。因此，需要更进一步进行试验，找到更加优良性能的复合涂层。

4 修复涂层研究进展

4.1 复杂环境研究

由于西部地区的环境很复杂，落差大导致的势能特别大，泥沙含量高，海拔、温度、压力等环境的影响因素，导致水轮机过流部件的磨蚀机理十分复杂，并且涉及方方面面的影响。目前，磨蚀的基础机理研究水平仍然不高，还有待进一步的研究。机理研究的前提需建立在具体环境下，因此，开展系统的环境参数分析以获得相关研究指标，是开展机理及工艺研究的前提。

4.2 金属涂层类型研究

水轮机过流部件的抗磨蚀涂层类型很多，在所有的涂层类型里面，金属涂层是最主要的类型。金属涂层里面有热喷涂金属陶瓷涂层、堆焊和激光熔覆技术、热喷涂金属陶瓷涂层具有的缺点是结合强度低、空隙高，而且材料种类特别多，需要不断地试验得到最优的金属材料并且需要不断地改进制备工艺以便于提高耐磨损强度。堆焊和激光熔覆技术的缺点是结合层的稀释率高、气孔多、裂纹多。因此，需要进一步研究以改善缺陷并且改进制备工艺，提高耐磨损强度。

4.3 非金属涂层类型研究

非金属涂层的类型有环氧树脂涂层和聚氨酯涂层两大种类，非金属涂层整体来说都具有涂层和机体表面结合力不高，而且极易老化、涂层的耐磨损强度不高等缺点。但是他们的优点也是较明显，如抗冲击性强、施工工艺简单、成本较低。因此，需要进一步研究，通过改进工艺，改变非金属涂层的化学性质，来改变它的缺点。

4.4 复合涂层研究

复合涂层的优点非常多，它兼顾了金属涂层和非金属涂层的优点，能产生很强的协同作用，能提高水轮机过流部件的抗磨损能力。但是，在实际工作中能找到相抗作用的复合涂层类型比较少。因此，需要进一步进行试验，找到更加优良性能的复合涂层。

5 结语

我国西部地区由于海拔高、水流的温度低、大气压力高、泥沙含量多、泥沙粒径大、泥沙硬度强等方面的因素影响，都会对水轮机过流部件涂层的磨损有极大的影响[5]。过流部件是水轮机的重要组件，水轮机长期运行后，过流部件严重磨损，导致电站水能利用率下降，机组效率降低，电站发电效益减少、维修周期缩短，运营成本增加。因此，采取相应的防护措施，减少磨损带来的各种问题，延长水轮机的寿命，提高效率降低成本，是工程技术人员遏制水轮机过流部件磨损研发的首要任务。因此，研究团队需要结合水力发电企业联手进行攻关，将研究的过程与实际的使用工况相结合并优化出具有代表性的工艺指标参数是实现对水轮机过流部件抗磨损性能提升的关键。

同时，随着经济不断发展，水体问题受到国内外广泛关注，特别是目前我国环保要求不断提高的现状下，采用低污染、无重金属的原材料技术显得尤为关键。在过流机部件修复过程中，对环境和人类生存影响较大的是重金属离子。但就我国工业生产的现状，要实现预定的目标，达到发达国家的相关排放标准，还有大量的工作要做。因此，在研发过程中还要注重对环境的保护力度，在提高镀层质量的同时，添加新型无污染的金属，防止重金属离子对水体环境的污染，实现可持续发展，造福人类。