太平江水电站水轮机磨损处理及新技术应用

包国强

（大唐（云南）水电联合开发有限责任公司，云南 昆明 650000）

1 电站概况

太平江水电站位于缅甸克钦邦（Kachin）太平江上，北邻云南省盈江县，距中缅第37号界桩约5.5km。太平江上游称大盈江，在八莫（Bhamo）附近汇入伊洛瓦底江。电站厂房距盈江县县城约70 km。装机容量4×60 MW。主要水工建筑物包括：首部枢纽、引水系统、调压井和厂区枢纽。本电站为径流式电站，工程任务为发电。

2007年12 月主体工程开工，2008年10月截流，2010年12月31日首台机组发电，2011年6月全部建成投产。电站建成后90%以上的电量回送中国南方电网。在系统中主要担任基荷和腰荷。电站由江西省水利规划设计院参与投资建设。哈电多能负责机组的设计制造。

2 过水部件磨损情况

2.1 部件材质

太平江是流域“三高”（高泥沙、高硬度、高利用小时数，多年平均含沙量0.425 kg/m3，实测最大含沙量9.21 kg/m3）的水电站。根据流域电站运行情况，机组过水部件磨损较为严重，部分电站转轮及顶盖有磨损报废先例，因此我厂水轮机过水部件在设计及制作阶段已经考虑了上述磨损诱因，针对相对磨损严重、承压较大、技术相对薄弱的地方采取了材质及强度较高一级的材料。

（1）转轮材质及其制作

考虑到抗泥沙和台数多，转轮采用铸焊结构。上冠和下环采用马氏体ZG00Cr13Ni5Mo材料VOD精炼铸造。叶片采用13-5不锈钢等厚钢板模压成型，全方位数控加工。以达到超低碳、低硫、磷、高纯净度的要求，进一步提高材料的韧性、抗晶间腐蚀和水下疲劳等性能。转轮热处理后进行100%超声波探伤，按CCH-70-3标准验收。

（2）顶盖材质及制作

顶盖主材质采用Q235B，上止漏环采用HOOCr18Ni14Mo2，顶盖抗磨环采用同样的OOCr18Ni14Mo2材质，抗磨环是镶嵌在顶盖整体加工环面内。上止漏环与抗磨环是采用410NiMo焊条焊接加工，所有焊接部位均做了100%超声波探伤，按CCH-70-3标准验收。

（3）底环材质制作

底环主要材质采用高锰钢ZG20MnSi，下止漏环采用铆压在底环上，固定底部与上端部采用HOOCr18Ni14Mo2焊接与底环形成整体，焊接部位采用100%超声波探伤，按CCH-70-3标准验收。

2.2 1号机组过水部件的磨损

（1）1号机组磨损情况（见表1）

表1 1号机组磨蚀部位与程度

（2）顶盖止漏环不锈钢段与顶盖抗磨板结合角处磨损严重，磨损部位沿着顶盖止漏环顶部形成整圈深为15 mm、宽为30 mm的环形凹槽，且抗磨板背部的顶盖母材已外露。顶盖抗磨板局部不锈钢已脱落，脱落长度约500 mm，顶盖抗磨环有两处明显裂缝，处于半脱落状态（见图1）

图1

（3）转轮磨损情况

转轮下环沿着止漏环顶部之下2 mm处磨损形成最深为7 mm，最宽为45 mm的不规则环形圈（图2），一叶片与下环焊接部位有一个缺口深为48 mm，宽为95 mm，叶片出水边与下环焊缝整体磨损明显，焊缝凸出部分明显下降，具体数据无法测量还原；叶片出水边整体磨成锋利的刀锋状；转轮下环图纸高度为160 mm，实际测量高度为146 mm，整体平均磨损14 mm。

（4）底环止漏环顶部边缘处沿底环一周形成深10 mm，宽为50 mm的不规则圆环（见图3）。

根据上述现场检查情况，顶盖抗磨板与止漏环不锈钢段结合角部、转轮下止漏环、转轮叶片出水边背部、底环止漏环等磨损较为严重。

图2

图3

3 转轮、顶盖、底环修复处理

3.1 转轮修复工作内容及流程（见图4）

图4 转轮修复流程框图

3.2 叶片（进、出水边）裂纹的修复方案

用抗气蚀、抗磨损性能较好焊条进行堆焊修复，方法如下：

（1）使用角磨机或风铣刀对叶片出水边贯穿性裂纹开V型坡口（进水边侧贯穿性裂纹可开X型坡口），裂纹周围打磨露出金属光泽，并采用PT检查是否清净裂纹。

（2）在V型坡口背面随型垫3～5 mm不锈钢板，点焊固定，使用焊条填充V型坡口，逐渐填平坡口，层间应锤击，消除应力；第一层及最后一层不锤击。焊接过程中应控制焊接速度，分散进行，尽量减小焊接变形。

3.3 叶片（进、出水边）及流道磨蚀的修复

（1）使用角磨机或风铣刀对磨蚀部位及其周围打磨露出金属光泽，并采用PT检查是否清理干净。

（2）按照实际加工的补材形状制作硬纸样板，用样板在叶片上划裁边线，通过气刨等进行裁边，裁边部位打磨露出金属光泽，可与补材配做。实际操作中对比所有叶片磨损、气蚀情况，采取磨损、气蚀较轻的叶片翼型制作硬纸样板。

（3）使用焊条铺焊，层间应锤击，消除应力；第一层及最后一层不锤击。焊接过程中应控制焊接速度，分散进行，尽量减小焊接变形。

（4）最后根据叶片出水边磨薄的实际情况确定后续处理方案。

3.4 上冠和下环进水边修补

（1）叶片出水边严重磨损、气蚀部位配焊同材质相同的焊条进行堆焊后抛光处理。

（2）叶片材料：Cr≥13%,Ni≥4%不锈钢材料，根据叶片最大磨蚀面积确定。

3.5 焊接工艺

（1）焊前清理待焊区域，彻底清除水、油及锈等对焊接有害的杂质。

（2）焊接前，采用汽割对待焊区域进行预热，预热温度不低于80℃。

（3）焊接

1）焊接方法：熔化极惰性气体保护焊；

2）焊接材料：φ1.6 mm，13-5不锈钢焊丝；

3）保护气体：95%Ar+5%CO2；

4）焊接位置：横焊；

5）电源极性：直流反接；

6）焊接工艺参数：焊接电流：110～160 A；焊接电压：20～24 V；焊接速度：200～400 mm/min；

7）焊接时，分区域跳焊（每个区域约30 mm×30 mm），尽可能分散热量。除底层及表层外逐层锤击，打至焊缝表面屈服为止；

8）焊接时尽可能采用小规范，短弧操作；

9）道与道、层与层之间应错开至少20 mm,并确保熔合良好。接头处如有异议时，必须使用角向砂轮机打磨清理，操作时注意填满弧坑；

10）多处补焊区域可交替焊接完成，层间温度控制在260℃以下。

3.6 修磨

（1）焊接完成后按样板对叶片进行修整打磨。

（2）根据转轮木模图截面半截样板进行正、背面修整打磨，使型线符合设计图纸要求，叶片表面粗糙度为Ra1.6。

3.7 转轮其它磨损部位焊接修补

（1）上冠、下环及主轴配合面修复

上冠、下环及主轴配合面根据磨蚀及车修去量情况，确定铺焊厚度。

（2）其它部位修复

参照叶片磨蚀缺陷进行清理、探伤、焊接、打磨修复。

（3）按图重新加工顶盖固定止漏环和转轮上止漏环。

3.8 热处理

（1）流道和叶片焊接修复后叶片进行局部退火，用加热带加热至590℃±10℃，保温1.5 h，然后冷却至室温。

（2）焊后转轮放置在大气中自然释放应力。

3.9 清理

采用角向砂轮机打磨补焊焊缝及补焊区周围50 mm范围，清除表面氧化皮及焊渣，露出金属光泽。

3.10 验收检查

（1）修磨后按设计图纸要求对修理后的叶片及其他叶片进行PT检查。

（2）按设计图纸要求进行叶片开口度检查。

（3）转轮叶片抛光检查验收、整体加工精度验收、作静平衡。

4 超音速喷涂新技术应用

4.1 喷涂原理

超音速火焰喷涂是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或航空煤油、酒精等液体燃料与高压氧气在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧产生高温高压焰流，其温度3 200℃，速度高达1 500 m/s以上。将粉末沿轴向或径向送进火焰中，产生熔化或半熔化的粒子，其高速撞击在基体表面上沉积形成涂层。

4.2 喷涂工艺

燃气助燃超音速（HVOF）工艺通过氧气助燃，燃烧气体或者液体燃料，对热输入量加以控制，以此产生动能。粉末喷涂材料置于热气流中，通过热气流对其进行均匀加热至熔化或半熔化状态、火焰焰流和粉末通过汇聚/喷射喷嘴（空气帽）进行加速，以产生超音速的焰流和粉末，将粉末粒子推向预先处理过基材形成涂层。

超音速火焰喷涂具有以下优势：粉末粒子以很高的速度喷射到工件表面，可形成致密、结合强度高而无分层现象的高质量涂层；超音速火焰温度适当且粉末在火焰中加热时间短，因此，材料不易发生相变、氧化和分解。同时喷涂过程中通过控制喷涂速度，控制基体温度低于150℃，喷涂过程对基材基本无热影响。

4.3 喷涂现场实施

水轮机抗磨蚀涂层研制同时，为满足现场的施工要求。我方联系了东方汽轮机有限公司表面工程研究所项目组（简称东电）协商、现场调研、多方协调确认由东电厂自行采购了适合现场施工的便携式超音速火焰喷涂系统，并完成设备调试、喷涂工艺参数优化等工作，为抗磨蚀涂层技术的工程应用做好准备。2016年对我厂1号、2号水轮机实施涂层施工，并圆满完成。

现场施工流程如图5所示：

现场勘查：主要是和东电人员一同确认水轮机过流部件的磨蚀情况，确认现场施工所需气源、电源情况；

确认喷涂方案：根据现场勘查情况，和喷涂厂人员沟通后制定施工方案和签订技术协议；

办理入场手续：根据我厂要求，完成对东电厂喷涂人员安全培训，办理工作票等；

施工前准备：主要包括施工现场清理、设备安装调试、工作棚准备等工作；

涂层施工：涂层施工主要工作包括基材清洗、非喷涂区域保护、喷砂、喷涂、封孔处理等工作，现场施工为保证涂层质量，施工时除严格遵守工艺要求，在每道工序结束后采用工人自检+技术专检+我厂技术人员巡检的方式保证涂层质量。

涂层验收：施工方、我厂人员根据之前的喷涂方案和技术协议对涂层进行验收 (喷涂后涂层外观照片如图6所示)；

现场清理、撤场：验收通过后，清理现场、拆除设备，撤离工作现场。

喷涂后涂层外观颜色均匀一致，涂层无剥落、起皮等缺陷。表面封孔涂层无流挂、堆积等缺陷，项目一次通过验收。

图6 水轮机抗磨蚀涂层施工后涂层外观照片

4.4 喷涂面积和厚度

转轮喷涂区域上止漏环计划喷涂区域：H=121mm，φ=3080mm；下止漏环计划喷涂区域：H=145mm，φ=3545mm。下止漏环上端面计划喷涂区域：W=25 mm；

上止漏环和叶片结合部计划喷涂区域：从结合部往叶片和上止漏环两侧各延伸W=150 mm，深度D=700 mm；

下止漏环和叶片结合部计划喷涂区域：从结合部往叶片和下止漏环两侧各延伸W=150 mm，深度D=700 mm；

叶片出水侧计划喷涂区域：出水侧往叶片延W=100～150 mm；

叶片出水侧和转轮下冠结合部位计划喷涂区域：从叶片出水侧和下冠结合部，两叶片正反侧三角区域，底边L=500 mm，高H=200 mm；

底环：止漏环部分计划喷涂区域：H=175 mm，φ=3 549 mm；

顶盖：和叶轮上止漏环配合部分计划喷涂区域：H=141.5 mm，φ=3 083 mm, 顶 盖 抗 磨 板 宽 度W=100～150 mm；

活动导叶：24个导叶和轴柄结合部分；

其他喷涂区域由双方协商确定。

碳化钨（WC）金属陶瓷涂层厚度：0.20～0.35mm。

涂层验收：喷涂后涂层外观颜色均匀，涂层无剥落、起皮等缺陷。喷涂后表面封孔涂层无流挂、堆积等缺陷。

5 喷涂后运行效果

经过1年的机组运行情况来看，水轮机转轮的喷涂痕迹清晰可见，水轮机转轮至漏环喷涂部位均未脱落，状态良好。

6 结束语

近年来全国各地大小型水电站日益增多，地域环境差异、气候变化等因素，多泥沙径流式电厂大多泥沙含量较大、且硬度高、机组利用小时较高，再加上严重气蚀现象，容易造成过水部件的严重磨损，若不能及时发现可能会导致事故的发生。而此类严峻和棘手问题，发现时往往是处于机组大修阶段。处理时间要求很短，现场处理已是唯一满足经济及技术处理的手段。根据厂家制造工艺修复原型处理、现场新技术喷涂处理的完美结合，保证了机组运行高效，大修周期延迟，经济效益也同步提升。水轮机抗磨蚀碳化钨涂层技术现处于推广应用阶段，超音速喷涂技术还有很大的应用潜力，同时根据水轮机工况还需开发多个系列的涂层技术，如：针对沙砾磨蚀机组开发高耐磨涂层、针对气蚀严重机组开发抗气蚀涂层技术等。

[1]哈尔滨机电厂有限公司.缅甸太平江水轮机结构及运行维护说明书TPJ.0EA.140.01[Z].

[2]任岩，李兴易，张小宝.高速氧燃喷涂碳化钨在水轮机磨蚀防护中的应用[J].水力发电，2009，35（8）：62-63.

[3]杨红，崔立功.碳化钨涂层在三门峡水电站1号机组过流部件上的应用[J].中国水能及电气化，2013，102(9)：37-40.