高耐蚀耐磨非晶纳米晶复合涂层在水轮机转轮上的应用.docx

高耐蚀耐磨非晶纳米晶复合涂层在水轮机转轮上的应用胡江 1, 刘文举 2,周 昊 2， 樊自拴 3（1.河北易县水利局， 易县 074200； 2.河北易县旺隆水电站， 易县 074200；3. 北京科技大学腐蚀与防护中心， 北京 100083）摘 要： 紫荆关梯级水电站存在水质差、 杂物多、 泥沙含量大等问题， 电站水轮机泥沙磨蚀问题严重。 采用新型高耐蚀耐磨非晶纳米晶复合涂层材料， 对紫荆关一级水电站水轮机转轮进行 抗磨蚀试验， 针对试验结果指出了此种抗磨蚀技术的优缺点， 为多泥沙水电站的水轮机过流部 件抗磨蚀工作提供了新的途径。关键词： 水轮机； 新型抗磨材料Application of Amorphous Composite Coating of High Corrosion andWear Resistance on Wheels of Water TurbineHU-Jiang1, LIU Wen-ju2, ZHOU-Hao2, FAN Zi-shuan3（1. Yixian Water Conservation Bureau, Yixian 074200， China;2. Yixian Wanglong Hydropower Station, Yixian 074200， China;3. Corrosion and Protection Center of University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083， China）Abstract: There are many problems In step hydroelectric station in Zijingguan, such as poorwater quality, impurities and high sand content, and the water turbine of the hydropower station is seriously worn. The new amorphous composite coating of high corrosion and wear resistance is tested on the wheels of the water turbine, and the advantages and disadvantages of such technology are listed in the thesis, providing new approach for the anti -corrosion work of the water turbine in hydropower station with many sediment.Key words: water turbine; new wear resistant material中图分类号： TV47文献标识码： B文章编号： 1673-8241（2011）07-0044-04形成了丰富的 水电资 源， 全县 水能 资源理 论蕴 藏 量 为 30.64 万 kW， 可 开 发 量 为 23.3 万 kW。1995 年易县通过国家验收成为河北省唯一的初级电气化县，“十五” 和 “十一五” 期间易县又易 县 地 处 太 行 山 脉 北 端 东 麓 ， 河 北 省 中 西部， 地域广阔， 全县总面积 2534 平方公里， 地势西 高东 低，流域 面积 200 平 方公里 以 上 的 河流 有 五 条 ， 特 别 是 西 部 山 区 落 差 大 ， 水 流 急 ，收稿日期： 2011-05-01作者简介： 胡 江（1969-），男， 高级工程师，主要从事水力发电运行管理工作。 E-mail:44研究与探讨分别被国务院批准列为全国水电农村电气化县。烧高速燃气喷涂技术 （AC-HVAF） 是一种用于在金属表面沉积金属合金和烧结碳化物的工艺， 涂 层 材 料 以 预 合 金 或 合 成 粉 末 形 式 喂 给 喷 枪 ， 压 缩 空 气 和 燃 气 （ 丙 烷 ， 丙 烯 或 MAPP 气 体 ） 在喷枪中燃 烧产生 高速燃 烧产物 气流， 粉 末在 这个气流中只被加热到其熔点下 100200而被 加速到非常高的速度， 通常在 700800 m/s 的范 围内， 这些 粉末 粒子冲 击到工 件表面 ， 使喷 涂 粒子发生变 形而形 成涂 层， 同时 工件的 表面也 会发生微观 上的变 形 （ 影响 深度一 般为 几个微 米）， 这就使涂层的结合强度大幅提高。 材料不 熔化以及高的冲击速度， 使 AC-HVAF 涂层沉积 工艺显示出与 众不同 的特 性， 涂层 材料在 飞行 过程中的氧化很少， 涂层中的氧含量也相应地非 常少。 这种技术所得到的涂层非常致密， 通常没 有金相可见孔隙， 涂层孔隙率一般都在 1%以下。截止目前易 县农村 小水电 运行电 站 9 座 ，总装机容量 29860kW， 设计年发电量 11552 万 kWh，水轮机 25 台， 有混流式水轮机也有冲击式水轮 机， 有立轴 布置 也有卧 轴布置 ， 既有引 水式电站也有坝后 式电站 ，其中 7 座 引水 式电站 都分布于拒马河流 域。 拒马 河河水 含沙量 大， 年平均含砂量为 2.92 kg/m3， 多年平均输砂量91.3 万 t， 多为推移质， 颗粒粗， 粒径 d50=lmm， 大部分为 石英， 硬度大， 磨损力强。 近年来天旱少雨， 引 用水流量小， 影 响渠道 沉沙池 及各 电站沉 沙池 的排沙效果， 造 成汛期 过机泥 沙量大 ， 加上 各 电站水轮机组吸出高程均为+Hs， 即均为正 值， 形成空蚀、 磨 损联 合作用 ， 而各电 站水轮 机均 按清水河流条 件设计 ， 机组转 速高 ， 因此加 剧 了水轮机过流部件的磨蚀破坏。为了解决上述问题， 多年来我们引进并应用 了多种抗磨蚀技术， 例如： 在卧式水轮机顶盖镶 衬辉绿岩铸石， 增加固定部件的抗磨蚀能力； 采 用金属喷焊技术， 对水轮机转轮背水边和活动导 水叶表面进行保护 ； 采购 备用转 轮更换 母体材 料， 由低碳钢转轮改为镍铬不锈铸钢叶片转轮； 对已经磨损的转轮， 修复后采用全国水机磨蚀试 验研究 中心的 非 金 属 抗 磨 蚀 保 护 涂 层 ； 此 外 ， 还采用过加装扰 流板、 加 高尾水 水位 等抗磨 蚀转轮涂层抗磨蚀试验方法应用高耐蚀耐磨非晶纳米晶复合涂层保护水 轮机转轮的抗磨蚀试验选择在紫荆关一级水电站1 号机组进行。 紫荆关一级水电站位于跨流域引 水的紫荆关 “五一” 引水渠道上。 “五一” 引水 渠是将拒马河水引入建在中易水河上游的安格庄 水库， 渠首建一座橡胶坝， 在春、 夏、 秋三季为 无坝引水， 冬季用橡胶坝蓄水， 以防止冰凌阻水 影响发电。 “五一” 引水渠长 8.5km， 设计最大2方法。2010 年，我们又引进一项 新技术 北引水能力 25m3 s， 总落差 354m，规划分六级开京科技大学材料科 学与工 程学院 的高 耐蚀耐 磨非晶纳米晶复合涂 层技 术， 应用 于水轮 机转轮 并进行了抗磨蚀试验。发， 已投入运行的电站有 5 座， 紫荆关一级水电站为梯级的第一级， 水质条件最恶劣， 杂物多、泥沙含量大， 1 号机组转轮相对其他两台机组磨非晶纳米晶复合涂层简介非晶纳米晶复合涂层是一种高耐磨、 耐腐蚀 的新型涂层， 利用 材料表 面纳米 化提高 材料 的 耐磨性能， 同 时将材 料表面 非晶 化来提 高材料 的耐腐蚀性能， 通过 控制非 晶化和 纳米 化的程 度， 从而使材料 表面具 有优 异的既 耐磨又 耐腐 蚀的综合性能 。 选择易 于形成 非晶 的合金 成份 并进行优化， 利用 合适 的工艺 制备出 非晶纳 米 晶粉末， 然后利用 活性燃 烧高 速喷涂 技术制 备 具有高耐蚀耐磨 特性的 表面纳 米涂层 。 活性 燃1蚀更严重。紫荆关一级水电站水轮机参数见表 1。将已经运行 2 年的备用转轮 （如图 1） 进行补焊修型后 安装在 1 号机 组上。 由 于紫荆 关一 级 水 电 站 为 径 流 引 水 式 电 站 ， 水 轮 机 的 水 头 、表 1 紫荆关一级水电站水轮机实验参数表45装机容量 （kW）31000机组出力 （kW）1000流量 (m3/s) 2.11水轮机型号 HLD87-WJ-53水头 （m）58.5水温 （）4-18含沙量 （kg/m3） 2.93沙粒粒度分布 d50=1mm转轮转速 （r/min）1000总运行时间 （h）2808吸出高度 （m）+1.1安装高程 (m) 269.8图 1运行后的转轮 图 2喷涂中的转轮图 3喷涂后的转轮 图 4运行后的转轮研究与探讨流量基本恒定 ， 对水轮机组运行参数进行记录，并重点对机组空载和满载开度进行记录， 便于与 喷涂后对比。 由北京科技大学腐蚀与防护中心进 行高耐蚀耐磨非晶纳米晶复合涂层保护加工 （如 图 2、 3）， 喷涂前首先对转轮进行喷砂除锈， 然 后采用活性燃烧高 速喷涂 技术 对该转 轮进行 涂 层保护。 针对该转轮的 14 个对称叶片， 制备了6 种涂层， 分别是 Fe 基涂层、 Ni46 涂层、 Ni67涂 层 、 Ni60 涂 层 、 CoWC 涂 层 和 高 铬 不 锈 钢 涂 层。 考虑到水 轮机转 轮的平 衡和 变形， 分 别在 对称方向叶片上喷涂相同的涂层。选 择 在 水 质 相 对 不 好 的 汛 期 对 涂 层 进 行 试 验， 将喷涂完成后的转轮安装在水轮机上， 记录 各种运行数据， 并与喷涂前进行比较。 共计满负 荷运行 120 天， 2808 小时， 试验期间每运行 30 天左右进行停机检查， 检查的方法是打开尾水弯 管目测检查转轮涂层， 并用照片记录对比。无破损 （如图 4）。 通过对转轮的形貌、 水轮机负载状况等指标分析， 在水轮机 转 轮 上 应 用 高 耐蚀耐磨非晶纳 米晶复 合涂层 制备 工艺， 水 轮 机 转 轮 整 体 完 好 ， 转 轮 叶 片 和 轴 孔 未 观 察 到 形 变 ， 完 全 能 够 满 足 水 轮 机 效 率 及 转 轮 安 装 要求 。运行中输出功率与未喷涂前比较， 由于对 备用转轮进行 了修 复， 经过 修形后 喷涂的 转轮 与 检 修 前 相 比 出 力 略 有 提 高 ， 导 叶 开 度 由 45度 变 为 40 度 ，带 满 出 力 。 且 此 涂 层 制 备 工 艺对转轮叶片原 始出力 设计没 有影响 ， 既可 以应用于旧转轮的修 复， 又 可以对 新转轮 进行预 喷 涂处理。从叶片形貌上看， 原普通铸钢经一（A3）个 汛 期 运 行 转 轮 部 分 过 水 面 破 坏 形 成 鱼 鳞 坑 ，叶片背面呈海 绵状蜂 窝麻面 ， 严重时 出水 边成 锯齿状破坏。 经非 晶纳 米晶复 合涂层 保护后 的 转轮表面经一个 汛期运 行后未 发现 明显的 磨蚀 区， 涂层表 面基 本完好 ， 只是在 极个别 的地 方试验结果及分析3运 行 试 验 结 束 后 ，转 轮 上 的 涂 层 基 本 完 好发现涂层剥离，但剥离面积很小，不超过 4cm2，46研究与探讨而且剥离发生 在涂层 的边缘 部位 。 明显优 于原来基体材料 （A3） 的抗磨蚀性能。总 体 上 高 耐 蚀 耐 磨 非 晶 纳 米 晶 复 合 涂 层 抗 磨 蚀 性 能 优 异 ， 为 多 泥 沙 水 电 站 的 水 轮 机 过 流 部 件 抗 磨 蚀 工 作 提 供 了 新 的 途 径 ， 值 得 在 水 轮 机 上 应 用 和 推 广 。 但 由 于 喷 涂 设 备 限 制 ， 转 轮 流 道 狭 小 ， 叶 片 迎 水 面 与 喷 涂 粒 子 射 流 不 成 90 度 ， 从 而 影 响 了 涂 层 的 结 合 强 度; 转 轮 叶 片 背 水 面 是 一 个 曲 面 ， 要 掌 握 喷 涂 粒 子 流片上的应用， 可 以提高 水轮机 转轮 的抗磨 蚀能力， 有效延 长转 轮的使 用寿命 ， 降低电 站的 运 行成本， 增加 效益。 该 项技术 不但 可以对 旧转 轮进行修复涂 层保护 ， 还可在 新转轮 上加 工涂 层， 延长水 轮机转 轮的使 用寿 命， 为解 决我国 水轮机泥砂 磨损问 题提供 了一条 新途 径， 该技 术具有广阔的应用前景。参考文献：与 叶 片 表 面 保 持 或 接 近 90 度 不 易 控 制 ，影 响喷涂 保护效 果，有待 进一步 研究改 进。1 孙冬柏，樊自拴，俞宏英，等.高耐蚀耐磨非晶纳米复合涂层的研究进展J.热喷涂技术，2009(2)：1-9.2 顾四行， 杨天生， 闵京声. 水 机 磨 蚀M. 北 京 ： 中 国 水 利 水 电出版社，2008.结论高耐蚀耐磨非晶纳米晶复合涂层在水轮机叶3!（上接第 43 页）实 行 交 易 价 格 指 导 制 度 ， 确 保制， 优化调配了本流域内有限的水资源， 不仅兼顾到了灌区内 农业灌 溉和向 下游 输水任 务， 还 提高了沿河、 渠梯级电站水能资源可利用效率， 使有限的水资源 创造出 最大 的经济 效益。 在 汛 期跃峰灌区制定 了汛期 调度方 案和 汛期安 全发 电运行预案， 在确 保灌 区及渠 道安全 的基础 上 保证各沿途水电站多发、 满供、 安全生产， 充分 发挥水电优势 。 跃峰灌 区在水 资源 有偿控 制权 转化及充分利用雨洪 资源进 行水源 科学 调度方 面的新尝试， 走出了具有探索性的一步， 为其他 灌区发展积累了经验。流域水资源交易市场健康持续发展。 （跃峰灌区从 2005 年 5 月 第 一 次 跨 省 买 水 0.004 元/m3 到2009 年 12 月 的 水 资 源 交 易 费 的 0.06 元/m3， 5 年 间 价 格 涨 了 十 多 倍 。 ） 主 要 由 于 水 资 源 的 可 利用量逐年减少 与需求 量不 断加大 的严重 失调 的供需矛盾造 成的； 物 价上涨 也是推 动交 易价 格 抬高的 主要推 手； 下 游 挣 水 现 象频繁化， 市 场交易制度不健全等几方面因素造成了交易价