水电厂构件的防汽蚀研究（周松,张宏雁,刘永忠）

摘 要：水电厂构件汽蚀和磨损的机理复杂，它与构件设计、运行工况、流体力学密切相关。以应用于里县电厂2号机转轮防汽蚀超音速电弧喷涂SCZ38合金的实际应用效果，认为积极采用热喷涂技术能够对水电厂构件的防汽蚀保护提供一个实际且可靠的解决办法。

关键字：水轮机；转轮；防汽蚀；超音速电弧喷涂

随着西部大开发的加快和国民经济的快速发展，近年来用电量逐步的增加，四川电力紧缺已成为不争的事实。四川水力资源蕴藏丰富，作为目前中国水电第一大省的四川省，将迎来水电支柱开发和水电建设的大机遇。在目前的形势下，水电厂在电力系统中占有越来越重要的位置。同时，由于近年来江河沿岸的水土流失严重，河流中的泥沙含量增加，使水轮机组运行环境恶化，水电厂构件的汽蚀问题也成为影响电力系统安全越来越严重的问题，它的直接危害主要表现在：(1)使构件减薄，据统计一般每年减薄量约为10 mm左右，严重的可达20 mm/年，检修周期缩短，增加了电厂的临时性检修和大修工作量，使电厂运行成本增加，给电厂造成很大的经济损失。(2)发生构件突发性破坏事故，造成紧急停机抢修，不仅增加了工人劳动强度和额外的检修费用，直接影响企业效益，而且打乱了电厂的正常发电秩序，减少发电产值，干扰了地区电网的正常调度，影响当地工农业生产，由此也造成了很大的社会影响。

水电机组的水轮机导叶、转轮、上下顶盖、上下底环抗磨环、压力钢管、集电环、尾水锥管等普遍存在严重的汽蚀问题，尤其是在水质不好的地方，情况更加严重。因此，需要寻求一种解决问题的技术方法，增加构件的抗汽蚀能力，以延长构件的实际使用寿命。而热喷涂技术正是这样一种技术，在水电厂的高效抗汽蚀研究具有广阔的应用前景。

1 防止汽蚀的途径

根据构件产生汽蚀的原因，可以考虑采用有效的方法来进行防止。常用的最直接有效的防止措施是采用表面防护方法。

1)涂刷法：涂刷的涂层塑性、热膨胀性等不能适应水电厂构件的实际运行工况，使用中易产生脱层，实际应用效果差。

2)电镀、热渗镀：镀层的覆盖性及结合度较好，但受工件尺寸限制，镀件在现场中的镀层也会出现薄弱环节，降低使用性能。无法对已有设施进行再次防腐。

3)热喷涂：适合现场操作，涂层材料选择范围宽，组合方式多，能提供多种性能涂层，对已有设施的未防护部分进行追加防护，已防护部分进行再次防护。

2 超音速电弧喷涂

超音速电弧喷涂技术利用了流体力学中的"拉伐尔喷管原理"，使喷涂时的粒子速度真正超过了音速。通过对该技术的引进，特别是针对喷涂设备笨重、庞大、不利于现场施工的缺点，进行大胆的设备结构改造和功能完善，达到的突出特点是现场实用性强、喷涂性能好、涂层质量显著提高。与普通电弧喷涂和火焰喷涂比较如表1。

由于超音速电弧喷涂技术的先进性--粒子喷射速度快(比普通电弧喷涂快4倍)，其技术性能比普通电弧喷涂有本质的提高，改善了涂层的孔隙率、颗粒度、结合强度等性能，增加了涂层厚度调节范围及可利用的涂层材料选择范围，可以大大拓展电弧喷涂的应用范围。

但原有超音速电弧喷涂的应用还几乎停留在普通电弧喷涂技术的基础上，只是简单地利用其性能的提高，基本上处于一种被动应用的状况。比如喷涂材料，仍然沿用原有电弧喷涂用丝材，没有针对超音速电弧喷涂技术的先进性专门开发新型涂层材料。针对电力系统机组运行的环境和特点，投入了大量人力、物力、财力对喷涂技术进行了进一步的研究，开发出了SCZ06、SCZ12、SCZ16、SCZ20、SCZ30和SCZ36系列喷涂材料，增加其在电力系统的现场实用性，最大限度地利用超音速电弧喷涂的先进性，实现良好的表面涂层。

3 超音速电弧喷涂SCZ16合金的应用

由于泥沙磨损破坏产生在水轮机过流部件的表面，而用高强度不锈钢制造整体轻又比较昂贵，因此采用合用的表面耐磨的方法既实用又经济。实验表明，含沙水流中硬颗粒泥沙的硬度超过水轮机过流部件材料硬度时，就会产生磨损。因此，对金属材料或保护层的要求是既要有足够的硬度(一般HRC50～55)，晶粒微小，金相结构致密，又要有一定韧性。

对于水轮机导叶、转轮、上下顶盖、上下底环抗磨环、压力钢管、集电环、尾水锥管等既受磨损又受汽蚀、腐蚀的构件，应开发超厚、超硬涂层技术和抗汽蚀、抗腐蚀、磨损的多防护技术，关键在于选择和开发涂层材料。成功地开发该技术，不仅能延长在用设备或构件的使用寿命，也能为有关设备的制造厂提供有力的技术支持，较大地增强其产品市场竞争力。

超音速电弧喷涂对水轮机导叶、转轮、上下顶盖、上下底环抗磨环等的防止汽蚀应用，是一项开发性较强的技术，涉及技术因素较多。

3.1 确定涂层材料

根据水轮机构件被防护面的工作环境、工作条件、防护或修复需求，选择涂层材料，并对该条件下的涂层使用性能进行测定。

3.2 表面拉毛和表面清洁

如果喷砂处理法受到限制，就要采用机加工方法实现表面毛化，表面清洁则相应采用化学方法。并且需要进一步对毛化效果及配制的化学清洁剂性能进行验证。关键是核定涂层结合强度。

3.3 喷涂

设计涂层厚度，如果需要加工，应保证足够的切削余量。为控制涂层厚度及均匀性，需设计制作相应的工装夹具。精心制定喷涂技术规范，在喷涂中严格执行。 

3.4 涂层测定

对涂层的厚度、均匀性进行测定，验证设计意图的执行情况及工装夹具的有效性，验证技术规范的正确性和执行情况。

3.5 后加工

去除切削余量，按修复前的原始尺寸进行切削加工。关键是保证在现场条件下，对有特殊性能的涂层材料进行加工的精度、表面光洁度。

在对理县水电厂过流部件的防汽蚀各种方法综合考虑的基础上，针对具体机组运行的环境和特点，认为采用热喷涂技术是比较理想的方法。经过一系列的准备工作，2000年2月对理县厂的水轮机导叶、转轮、上下顶盖、上下底环进行了防汽蚀超音速电弧喷涂，喷涂材料为SCZ16。

选择汽蚀涂层材料除考虑其抗汽蚀性外，还应要求其热膨胀系数按近钢铁材料，具有良好的塑性，以避免脱层，材料还应具有一定的抗冲蚀能力。对选择的一种或几种材料应进行喷涂试验、性能检验和对比试验等。

对于水电厂构件的防汽蚀喷涂，现开发的喷涂材料是自发放热型材料SCZ16，喷涂后涂层与基体金属表面产生原子扩散，形成冶金结合，涂层又形成粗糙表面，便于与工作层连接，提高涂层的结合强度。喷涂层材料的膨胀系数与水电厂构件材料接近，使涂层在交变应力作用下不会脱落，它具有抗汽蚀、抗氧化、耐腐蚀、延展性好、抗冲蚀能力强且价格便宜等特点，涂层厚度0.8～1.0 mm。喷涂工艺如下：

1)喷砂打磨：喷涂前的基体表面必须清洁、无油污、且须达到清洁和毛化要求。喷砂打磨的目的是使水电厂构件表面呈灰白色的金属外观和均匀粗化。喷砂后，基体表面粗糙度应达到Rz40～80μm，且干燥、无灰尘、无油污、无氧化皮、无锈迹。选择磨料时，根据基体金属的种类和涂层的厚度而定，磨料必须清洁、有棱角，才能保证涂层与基体结合良好。选择棕刚玉和冷硬铸铁砂等符合有关规定的磨料进行打磨，磨料有棱角，清洁、干燥、没有油污、可溶性盐的游离物和长石，以对表面进行仔细的清理及有效的表面毛化，达到提高喷涂结合强度的目的。

2)防腐蚀喷涂：使用超音速电弧喷涂技术对水电厂构件进行喷涂，喷涂材料为专用SCZ16，设计喷涂厚度0.8～1.0 mm ，喷涂表面达到均匀、致密。喷砂后的水电厂构件应尽快进行喷涂，其间隔时间越短越好，在晴天或不潮湿的天气，间隔时间不可超过12 h，在雨天、潮湿或含盐雾气氛下，间隔时间不超过2 h。喷涂必须在如下条件下实施：环境大气高于5℃或基体金属的温度至少比大气露点高3 ℃，在雨天、潮湿或含盐雾的气氛中，喷涂操作必须在室内或工棚中进行。

3)现场检测：喷涂完成后，应进行外观检查，涂层表面致密、均匀，颗粒细小，不允许有起皮、鼓泡、大熔滴、裂纹、掉块及其他影响涂层使用的缺陷。使用日本原装进口的磁性涂层测厚仪进行现场实测，厚度达到要求，可以保证工程质量。

4 喷涂效果分析

4.1 与未喷涂的效果对比分析

为了比较，在2000年2月对理县水电厂的水轮机转轮进行防汽蚀超音速电弧喷涂时，专门留下一片叶片未作防汽蚀喷涂，经过三年的实际运行，在2003年2月对理县水电厂的水轮机转轮检查时，发现未作防汽蚀喷涂的叶片已经严重损坏，而作了防汽蚀喷涂的叶片基本完好无损。实践证明，使用超音速电弧喷涂技术能够对水电厂构件的汽蚀起到很好的防护作用。

4.2 运行后的涂层检测

理县水电厂的水轮机转轮超音速电弧喷涂SCZ16涂层，经过长期运行外观检查，涂层完好，未见裂纹、起皮、脱落等任何宏观缺陷，也未因汽蚀原因造成损坏等。

为了防止汽蚀，超音速电弧喷涂SCZ16可以取得很好的效果。通过各种性能试验和实践证明，利用超音速电弧喷涂的SCZ16涂层，可以大大延长水电厂构件的使用寿命，同时也可以对长时间运行后的水电厂构件进行再防护，以进一步延长其使用寿命。

5 结束语

水电厂构件的可靠性，直接关系到电厂机组是否能安全有效运行，但在运行中不可避免地对水电厂构件造成汽蚀，使其有效承载能力下降、安全性降低。超音速电弧喷涂涂层能对水电厂构件表面实施有效保护，使其外表面基本不受损伤，可大量节省材料更换费用及维修费，减少或避免非计划停运，降低运行成本，直接经济效益和间接经济效益都很高，有极大的开发利用价值。

另外，涂层的存在，要求对涂层的厚度和覆盖的完整性进行严格监控。而只要保证热喷涂层的完好，就在很大程度上保证了水电厂构件的完好性。在原有对水电厂构件进行监督检查的基础上，对涂层的检查增加了对水电厂构件的监督力度，提高了水电厂构件的安全性。认为积极采用热喷涂技术能够对水电厂构件的防汽蚀保护提供一个成本低，实际且可靠的解决办法。

来源：四川电力技术