李貴勛，張 雷，鄭 軍，孔令輝，楊 勇

（黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州450003）

1 引言

高含沙河流上的水輪機，受到高速含沙水流磨損、空蝕破壞以及相互耦合作用，水輪機導(dǎo)水機構(gòu)易磨蝕破壞[1]，尤其部分調(diào)峰電站不能滿負荷運行，導(dǎo)水機構(gòu)密封部位更易破壞，導(dǎo)致設(shè)備性能參數(shù)惡化，特別是磨蝕發(fā)展到破壞正常水流流態(tài)時，水輪機導(dǎo)水機構(gòu)密封易出現(xiàn)嚴重破壞，導(dǎo)致機組無法正常開關(guān)機，從而影響設(shè)備正常運行，尤其當(dāng)前新建水電站的水頭越來越高，一旦出現(xiàn)磨損跡象，在含沙高速水流作用下密封部位破壞速度極快[2]。某新建水電站運行2年后，活動導(dǎo)葉端面、底環(huán)和頂蓋破壞嚴重，影響到水輪機的正常啟閉，如圖1所示。我國每年因水輪機過流部件磨蝕破壞而停運或檢修引起的電能損失巨大，年消耗檢修費及設(shè)備更新費數(shù)以億計[3]。因此如何應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境下水輪機導(dǎo)水機構(gòu)磨蝕破壞，以保障水輪機高效穩(wěn)定運行，具有重要的應(yīng)用價值。

圖1 水輪機底環(huán)、活動導(dǎo)葉過流面磨蝕破壞

2 水輪機磨蝕防護現(xiàn)狀

由于水力機械過流部件磨損、空蝕破壞首先發(fā)生在表面，目前多采用表面防護技術(shù)（耐磨蝕涂層）進行處理。采用表面防護技術(shù)既可降低水力機械維護成本，又可根據(jù)磨蝕破壞的實際情況，有針對性的合適有效的進行表面防護技術(shù)處理。

近年來水力機械磨蝕防護技術(shù)迅速發(fā)展，如早期的耐磨焊條堆焊、金屬熱噴涂技術(shù)以及近些年的超音速噴涂、等離子噴涂、激光熔覆技術(shù)，還有聚合物彈性涂層技術(shù)也逐漸擴大應(yīng)用范圍，水力機械的抗空蝕、耐磨損性能逐步得到改善?？鼓ノg涂層按材料性質(zhì)可分為金屬涂層（包括金屬-陶瓷涂層）和非金屬涂層，按照硬度可分為硬涂層和軟涂層。硬涂層包括耐磨焊條堆焊、金屬粉末噴熔、碳化鎢噴涂等涂層；軟涂層包括聚氨酯/聚脲、復(fù)合尼龍、超高分子聚乙烯等涂層[4-7]。

耐磨焊條堆焊技術(shù)工藝簡單、操作方便，目前水力機械維修經(jīng)常采用，但是經(jīng)過多年反復(fù)補焊處理，水力機械金屬結(jié)構(gòu)組織發(fā)生較大變化，導(dǎo)致其耐磨性和機械性能變差。超音速噴涂技術(shù)制備的耐磨涂層結(jié)合強度較高，涂層致密、孔隙率低、耐磨損性能優(yōu)越，但抗空蝕性能不夠好，容易脫落，限制了其廣泛應(yīng)用。等離子噴涂技術(shù)、激光熔覆技術(shù)在近年來發(fā)展較快，制備的耐磨涂層結(jié)合強度高，可大幅提高材料表面的耐磨損性能，但成本較高，通用性有待提高。

目前，水輪機導(dǎo)水機構(gòu)密封多采用金屬對金屬的硬密封，金屬密封磨蝕后主要通過堆焊的技術(shù)對其進行修復(fù)。由于金屬密封對活動導(dǎo)葉翼型準確度要求較高，而堆焊技術(shù)沖淡率大，焊層厚且不均勻，加工余量大，反復(fù)堆焊易造成基體組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致性能變差。

3 水輪機導(dǎo)水機構(gòu)磨蝕防護

針對水輪機活動導(dǎo)葉密封磨蝕破壞問題，提出剛?cè)岵哪ノg防護方案，軟硬涂層并用。通過采用剛?cè)峤Y(jié)合的磨蝕防護技術(shù)對水輪機導(dǎo)葉密封磨蝕區(qū)域進行處理，充分發(fā)揮不同防護的優(yōu)點，提高導(dǎo)葉密封的抗磨蝕性能，從而延長水輪機機組大修周期，達到降低電站維修成本、節(jié)能降耗的目的。

3.1 水輪機導(dǎo)水機構(gòu)剛?cè)岵牧线x取

水輪機導(dǎo)水機構(gòu)密封面分別采用剛性材料和柔性材料。綜合來說，柔性材料多為橡膠，本文選取丁苯橡膠、天然橡膠、丁腈橡膠、聚氨酯橡膠4種材料進行力學(xué)性能和耐磨性能測試，拉伸性能按GB/T528-2009在萬能電子試驗機上進行，拉伸速率為500mm/min，撕裂強度按照GB/T529-1999測試，采用直角形試樣，硬度按GB/T531.1-2008要求進行測試，阿克隆磨耗按GB/T1689-2014進行，4種材料性能數(shù)據(jù)如表1所示。

表14 種橡膠材料性能參數(shù)

通過數(shù)據(jù)對比，聚氨酯橡膠材料的綜合性能更優(yōu)，其拉伸強度、撕裂強度、阿克隆磨耗性能均較高，符合水輪機導(dǎo)水機構(gòu)密封用材料的性能要求。因此，選擇聚氨酯橡膠用作水輪機導(dǎo)水機構(gòu)磨蝕防護的柔性材料。

根據(jù)水輪機磨蝕防護研究和市場調(diào)研，超音速噴涂碳化鎢涂層具有優(yōu)異的耐磨損性能，綜合性能較好，其應(yīng)用較為廣泛，本文選用超音速噴涂碳化鎢涂層作為導(dǎo)水機構(gòu)磨蝕防護的剛性材料。

3.2 水輪機導(dǎo)水機構(gòu)磨蝕防護方案

活動導(dǎo)葉大頭密封面及頂蓋、座環(huán)分別采用彈性有機高分子密封板和抗磨板，活動導(dǎo)葉小頭密封面及導(dǎo)葉端面采用超音速噴涂碳化鎢硬涂層，活動導(dǎo)葉防護示意圖如圖2所示，聚氨酯、碳化鎢涂層性能如表2、3所示。通過活動導(dǎo)葉大頭的軟涂層與小頭的硬涂層同時應(yīng)用，形成彈性密封，不僅大幅度提高導(dǎo)水機構(gòu)的密封性能、耐磨性能，同時降低活動導(dǎo)葉安裝精度控制的難度。

圖2 活動導(dǎo)葉磨蝕防護示意圖

表2 彈性密封板用聚氨酯性能

表3 超音速噴涂碳化鎢涂層性能

4 應(yīng)用效果

2018年4月，某高含沙河流的水電站水輪機磨蝕嚴重，該方案在電站的2臺機組上進行了應(yīng)用。這2臺機組分別采用了兩種方式對磨蝕破壞的活動導(dǎo)葉密封進行處理，一是活動導(dǎo)葉大頭密封面及頂蓋、座環(huán)采用彈性有機高分子密封板和抗磨板，活動導(dǎo)葉小頭密封面及端面進行補焊處理并機加工；二是活動導(dǎo)葉大頭密封面及頂蓋、座環(huán)安裝彈性密封板和抗磨板，活動導(dǎo)葉小頭密封面及端面補焊后進行超音速噴涂碳化鎢涂層（見圖3）。

2019年12月，2臺機組停機檢修，磨蝕防護應(yīng)用效果如圖4所示。2臺機組活動導(dǎo)葉密封面基本完好，起到了較好的磨蝕防護作用；未采用超音速噴涂的機組，活動導(dǎo)葉端面密封出現(xiàn)明顯磨蝕破壞，采用超音速噴涂處理的活動導(dǎo)葉端面完好。結(jié)果表明過流部位的軟硬面應(yīng)具有相對等的耐磨蝕性能，才能起到良好密封和耐磨防護作用。只要一方耐磨性能不佳，將從耐磨性能差的一面開始破壞，引起間隙空蝕及磨損，從而導(dǎo)致過流面的破壞。

圖3 活動導(dǎo)葉及座環(huán)磨蝕防護

圖4 活動導(dǎo)葉運行2個汛期后效果

5 結(jié)論

采用彈性密封的方式對水輪機導(dǎo)水機構(gòu)密封進行處理，通過在水輪機活動導(dǎo)葉的大頭、座環(huán)頂蓋安裝聚氨酯密封板、抗磨板，在活動導(dǎo)葉小頭、端面進行超音速噴涂碳化鎢涂層，形成彈性和剛性的密封面，剛?cè)岵?，?jīng)過2個汛期的運行，該方案發(fā)揮了優(yōu)異的密封和抗磨蝕作用。同時，應(yīng)用結(jié)果表明過流部位的軟硬面應(yīng)具有相對等的抗磨蝕性能，才能起到良好密封和耐磨防護作用。