一种转轮抗汽蚀方法研究与应用

冯 超

（五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南 怀化 419635）

汽蚀破坏在水轮机转轮上频繁发生，可能导致水轮机在偏离设计工况下运行，同时过流部件破坏速度加剧，严重威胁着水轮机的运行安全和使用寿命。过流部件形成坑洼不平的蜂窝状蚀坑后，造成材料的强度急剧下降，设备性能参数恶化，能量损失急剧增加，效率及出力下降，影响设备预期使用寿命。此外，水轮发电机组若在汽蚀状态下运行，其过流部件会发生强烈的低频压力脉动，还会导致整个机组和水电站厂房产生振动，严重时将影响水轮机的安全运行。因此展开对水力机械抗汽蚀性能改善的研究势在必行且具有极大的安全经济效益。

1 设备简介

湖南某水电厂总装机容量120万kW（5×240 MW），设计年发电量53.7亿kW·h，至常德岗市、娄底民丰两回500 kV电压出线接入华中电网，是电网中调频、调峰、调压的骨干电厂，也是湖南省目前最大的水电厂。

该电厂1～3号机水轮机转轮由Voith巴西工厂制造，采用G-X5CrNi13.4全不锈钢材质。4号、5号机转轮由Voith提供不锈钢叶片，上冠、下环采用ZG20SiMn普通铸钢在哈电滨海工厂焊接加工。4号、5号机转轮相比于1～3号机全不锈钢转轮更易发生汽蚀，加之异种钢焊接受加工工艺影响，机组运行流态稳定性稍差，导致4～5号机组叶片与上冠下环连接部位出口背水面以及上冠叶片区间汽蚀、裂纹缺陷频繁发生，给设备维护管理带来极大工作量。

2 抗汽蚀材料研究应用

根据水力机械表面修复技术所使用材料的基本机械特性，大致可以分为金属材料、非金属材料两大类。

2.1 金属材料研究

金属材料主要有专用不锈钢焊条、金属陶瓷粉末、钨系合金粉末、铬系合金粉末和钴系合金粉末等。专用焊条主要有：高铬铸铁型、Cr-Mn奥氏体型、Cr-Ni奥氏体不锈钢型和低碳马氏体不锈钢型，其中低碳马氏体不锈钢型焊条具有较好的抗汽蚀效果，其抗汽蚀能力为1Cr18Ni9Ti的2倍。GB1堆焊焊条在水轮机抗磨蚀修复中应用较广，该焊条既具有优异的抗汽蚀性能，为A102的21.8倍，低碳Co-Cr-W的3倍；又具有良好的抗磨损性能，为低碳Co-Cr-W的0.93倍，A102的2.31倍；优良的抗磨蚀性能,为1Cr18Ni9Ti的6.7倍，OCr13Ni5Mo的5.6倍。

2.2 非金属材料研究

近年来将聚合物材料作为抗磨蚀防护材料的研究越来越多，应用也越来越广泛。综合国内外研究，可作为耐磨蚀涂层的聚合物材料主要有刚性聚合物和弹性聚合物。

聚合物刚性涂层主要包括环氧系、酚醛系、氨基系、聚烯烃等聚合物涂层。其中环氧系树脂在水力机械抗磨涂层中得到广泛应用，但由于其材质较脆，抗汽蚀性能不佳。在垂直冲击下，材料的磨损形态主要为变形磨损，刚性材料有很低的允许弹性变形能力，虽然在小冲角与低冲击能量下，高硬度刚性材料可以有效地抵抗沙粒的压入，而有较高的抗磨性，但在大冲角与高冲击能量下，材料则易变形破裂而剥落，抗磨性低下。

聚合物弹性涂层在常温下几乎无脆性，具有相当大的允许弹性变形和弹性恢复能力，可以吸收缓解沙粒的垂直冲击能量或空化空穴闭合时的水滴冲击能量，具有高抗磨蚀性能。

综合来说，耐磨焊条堆焊技术操作简单，是目前水力机械维修经常采用的技术，补焊后耐磨性能高低往往取决于其最终组织状态和机械性能，但是经过多年反复补焊打磨等处理，使水力机械金属组织状态发生较大变化，导致其耐磨性和机械性能也逐年变差；金属热喷涂技术容易使母材应力情况发生改变，已较少使用；超音速喷涂和等离子喷涂技术是近年来发展较快的防护技术，目前在应用过程中最大的问题是成本过高，只能用于关键部位的喷涂防护，另外该涂层抗汽蚀性能不够好，容易脱落，也限制了其广泛应用。耐磨高分子涂层具有耐磨性能优良、现场施工方便的优点，应用前景较好。

经过多方调研，考虑市面现有的超音速火焰WC-10Co-4Cr系列金属陶瓷喷涂、贝尔佐纳涂覆层、复合聚氨酯涂覆层、石墨烯涂覆层等工艺对于抗磨蚀、汽蚀等不同的适用场景及效果，结合电厂水轮机运行水头、负载工况等差异性条件，严格对比分析，选用石墨烯和贝尔佐纳高分子材料两种抗汽蚀材料涂层进行对比试验。电厂结合贝尔佐纳高分子材料自身刚度较强、韧性较差的特点，选用柔性聚氨酯材料与贝尔佐纳复合使用改善其力学性能，在国内首次采用贝尔佐纳高分子（Belzona1341、Belzona2141）+柔性聚氨酯涂层复合喷涂的施工工艺，通过柔性聚氨酯材料在汽蚀产生机理中气泡溃灭过程中的吸能功效来提升整个涂层的抗汽蚀破坏能力。

3 实施工艺及注意事项

3.1 表面处理

预清洁后喷砂处理表面锈蚀、污垢等，同时使表面粗糙度不小于75 μm；用压缩空气和专用清洗剂将表面处理干净。

3.2 修补打磨

对汽蚀坑洞进行修补并用专用工具刮平，待修补材料初步固化后，用抛光机装夹R40粗砂纸对修补材料进行磨平并清洗干净。

3.3 喷涂

使用喷涂专用设备将石墨烯和贝尔佐纳材料+柔性聚氨酯对选定转轮叶片表面进行喷涂，喷涂时应保证涂层平整光滑均匀，无气泡漏涂，作业区域应无粉尘或其他异物飞扬。对于边、角、焊缝等部位要先涂刷，再大面积喷涂，检查整个涂层的连贯性与完整性；抗汽蚀材料应按照要求多层喷涂，总厚度不得小于1 mm，并使用涂层测厚仪检测，保证厚度均匀且满足要求；过程中应根据贝尔佐纳和柔性聚氨酯涂层的质量系数合理配比，并适当增加柔性聚氨酯比例，做好记录，为后续试验优化提供参考。

4 应用效果分析

经过一个检修周期后，对转轮部位进行检查，验证两种材料的抗汽蚀试验效果。检查结果表明：运行一年来，石墨烯材料涂层存在脱落现象较为明显，Belzona1341+柔性聚氨酯涂层存在轻微磨损，Belzona2141 +柔性聚氨酯涂层情况良好。Belzona2141 +柔性聚氨酯涂层采用复合喷涂柔性材料的方式，表面形成一个高分子的柔性橡胶系统，可消散由中等到高强度的汽蚀所产生的能量。并且经电厂转轮试验证明，贝尔佐纳两种材料可在水中浸泡下保持长期的附着力，无分层脱落现象，以往易产生汽蚀裂纹区域的母材本体未见到汽蚀产生的麻点和坑洞，使用效果较好。

5 结语

贝尔佐纳+柔性聚氨酯复合涂层的抗汽蚀处理工艺试验研究取得成功，提升了转轮过流面抗汽蚀能力，从而提高转轮运行的稳定性，降低水电站检修维护时间成本，提高发电机组等效可用系数，有利于电网对发电侧机组的统一调度。同时，我国对环境要求越来越高，电厂所在的沅水作为一级饮用水源，过流部件的涂层选用环保无污染材料可保证下游居民的身体健康。涂覆可靠涂层后，转轮的抗汽蚀能力提高，有效延长水轮机的使用寿命及检修周期，减少水轮机的维护成本，降低水电站运营成本支出。对存在相似汽蚀情况的水电站，具有极大的推广应用空间，对各水电站机组安全运行提供保障，降低安全风险，具有十分重要的意义。