CN103510035B - 一种水轮机表面抗磨蚀处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水轮机表面抗磨蚀处理方法，包括以下步骤：1】表面处理：2】喷涂：2.1】在被喷水轮机过流部件表面预处理达标后1-4小时内喷涂打底层：2.2】在打底层表面喷涂过渡层：2.3】在过渡层表面喷涂功能层：2.4】在功能层表面喷涂或刷涂保护层：形成整个复合涂层。本发明解决了现有对水轮机进行喷涂存在着多种困难的技术问题，本发明采用超音速火焰喷涂技术在水轮机过流表面形成硬质物理结合层，对过流部件起到了十分有效的防护作用。

Description

一种水轮机表面抗磨蚀处理方法

技术领域

本发明属于水电设备技术领域，具体涉及一种水轮机表面抗磨蚀处理方法。

背景技术

长期以来，我国水电站中水轮机过流部件遭受着严重的泥沙磨损，导致水轮机效率降低，检修周期缩短、工期延长、非计划停运次数增加等,严重影响了电厂的经济安全运行。

为了提高水轮机过流部件抵抗泥沙磨损的能力，通常采用喷焊技术在水轮机表面形成一层保护层，虽取得了一定的效果，但由于水轮机过流表面曲线复杂以及水轮机磨蚀破坏因素繁多，给强化水轮机过流表面抗磨蚀技术带来许多难题；又因为水轮机叶型的复杂性以及工件厚大等特点，给叶片加热工艺带来很多困难；而叶片应力分布情况复杂，使得水轮机在经历了温度升降后叶片发生变形。因此采用喷焊技术对水轮机（特别是大中型水轮机）进行防护涂层还存在着许多无法克服的工艺困难。

发明内容

为了解决现有对水轮机进行喷涂存在着多种困难的技术问题，本发明提供一种水轮机表面抗磨蚀处理方法。

本发明的技术解决方案：

一种水轮机表面抗磨蚀处理方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】表面处理：

1.1】对水轮机过流组件表面进行除湿、干燥及除尘处理；

1.2】喷涂前检查；

1.3】表面除脂除污：使用棕刚玉材料进行表面活化处理；

1.4】测量：检查喷前表面糙度程度；

2】喷涂：

2.1】在被喷水轮机过流部件表面预处理达标后1-4小时内喷涂打底层：

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为高NiCr合金，所述超音速火焰喷涂中所使用的喷枪喷射火焰速度为2000-2150m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪的移动速度为1.0-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.01-0.015mm；所述打底层粉末飞行速度500-600米/秒，所述打底层的厚度在0.05mm-0.15mm之间；

2.2】在打底层表面喷涂过渡层：

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为NiCr合金中掺杂质量百分比为60-80%的CrC，所述超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度为2000-2150m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪的移动速度为0.8-1.6m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.001-0.018mm；所述过渡层喷涂材料飞行速度为450-550米/秒，所述过渡层的厚度在0.05mm-0.1mm之间；

2.3】在过渡层表面喷涂功能层：

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为CoCr加质量百分比为80-90%的WC，

所述超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.008-0.012mm，所述功能层喷涂材料的飞行速度为300-600米/秒，所述功能层的厚度在0.15mm-0.2mm之间；

2.4】在功能层表面喷涂或刷涂保护层：

所述保护层为软性涂层或硬性涂层，其中软性涂层为高分子化合剂，硬性涂层为高抗腐蚀合金；

所述软性涂层的涂层工艺可采用无气喷涂或刷涂，所述无气喷涂或刷涂工艺单次的涂层厚度控制在0.05-0.1mm；

所述硬性涂层采用超音速火焰喷涂，超音速火焰喷涂中所使用的喷枪喷射的火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为23-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.025-0.030mm，高抗腐蚀合金粉末的飞行速度为500-600米/秒，所述保护层厚度在0.05mm-0.15mm之间。

一种水轮机表面抗磨蚀处理方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】表面处理：

1.1】对水轮机过流组件表面进行除湿、干燥及除尘处理；

1.2】喷涂前检查；

1.3】表面除脂除污：使用棕刚玉材料按照欧洲表面进行表面活化处理；

1.4】测量：检查喷前表面糙度程度；

2】喷涂：

2.1】在经过表面处理的水轮机过流组件表面上喷涂形成过渡层：

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为NiCr合金中掺杂质量百分比为60-80%的CrC，所述超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度为2000-2150m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪的移动速度为0.8-1.6m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.001-0.018mm；所述过渡层喷涂材料飞行速度为450-550米/秒，所述过渡层的厚度在0.05mm-0.1mm之间；

2.2】在过渡层表面喷涂功能层：

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为CoCr加质量百分比为80-90%的WC，

所述超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.008-0.012mm，所述功能层喷涂材料的飞行速度为300-600米/秒，所述功能层的厚度在0.15mm-0.2mm之间；

2.3】在功能层表面喷涂或刷涂保护层：

所述保护层为软性涂层或硬性涂层，其中软性涂层为高分子化合剂，硬性涂层为高抗腐蚀合金；

所述软性涂层的涂层工艺可采用无气喷涂或刷涂，所述无气喷涂或刷涂工艺单次的涂层厚度控制在0.05-0.1mm；

所述硬性涂层采用超音速火焰喷涂，超音速火焰喷涂中所使用的喷枪喷射的火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为23-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.025-0.030mm，高抗腐蚀合金粉末的飞行速度为500-600米/秒，所述保护层厚度在0.05mm-0.15mm之间。

一种水轮机表面抗磨蚀处理方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】表面处理：

1.1】对水轮机过流组件表面进行除湿、干燥及除尘处理；

1.2】喷涂前检查；

1.3】表面除脂除污：使用棕刚玉材料按照欧洲表面进行表面活化处理；

1.4】测量：检查喷前表面糙度程度；

2】喷涂：

2.1】在经过表面处理的水轮机过流组件表面上喷涂形成功能层；

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为CoCr加质量百分比为80-90%的WC，

所述超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.008-0.012mm，所述功能层喷涂材料的飞行速度为300-600米/秒，所述功能层的厚度在0.15mm-0.2mm之间；

2.2】在功能层表面喷涂或刷涂保护层：

所述保护层为软性涂层或硬性涂层，其中软性涂层为高分子化合剂，硬性涂层为高抗腐蚀合金；

所述软性涂层的涂层工艺可采用无气喷涂或刷涂，所述无气喷涂或刷涂工艺单次的涂层厚度控制在0.05-0.1mm；

所述硬性涂层采用超音速火焰喷涂，超音速火焰喷涂中所使用的喷枪喷射的火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为23-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.025-0.030mm，高抗腐蚀合金粉末的飞行速度为500-600米/秒，所述保护层厚度在0.05mm-0.15mm之间。

本发明所具有的优点：

1、超音速火焰喷涂技术的特点对于抵抗水轮机磨蚀破坏来说很有利，因其具有较高的喷射速度以及较低的火焰温度保证了粉末在喷涂中很少的氧化和失炭，使涂层有更高的硬度和更好的耐磨损性。本发明采用超音速火焰喷涂技术在水轮机过流表面形成硬质物理结合层，十分有效地对过流部件起到了防护作用。

2、本发明采用多层的结合喷涂，针对水轮机磨蚀破坏因素的多元性和水轮机过流部件表面叶形的不规则空间扭曲曲面特征设计工艺，实现不同水流运行工况、不同型号水轮机过流部件表面抗磨蚀处理个性处理，使涂层的抗磨蚀性能更加有效。创新复合涂层选配组合喷涂成型工艺后的HVOF更适合对水轮机进行抗磨蚀处理。

3、从SEM图片中可以看到涂层中WC粒子分布均匀，无金属局部流失现象发生，与基材结合面清晰、完整，无夹渣和界面氧化现象，涂层未发现材料性质相变。图中还可看出打底层和抗磨层的涂层均匀密实，硬质相与粘合剂结合紧密，无孔洞和分层现象，整体涂层质量好。经过测量，硬涂层的显微硬度（Hv0.3）在1180—1378之间，平均值约为1280左右。涂层的孔隙率小于1%。经过涂层结合强度拉伸试验，残余涂层的结合强度＞72.6Mpa,断裂在胶上，实际准确的结合强度要大于测量值。从图片分析，涂层的抗磨损能力是17-4不锈钢的100倍以上。

4、高速火焰喷涂（HVOF）与等离子喷涂（APS）、喷焊（FS）等工艺性能的差异如下表1所示：

表1各种喷涂工艺性能差异表

附图说明

图1为采用本发明水轮机表面抗磨蚀处理方法形成的2000倍复合涂层SEM图片；

图2为采用本发明水轮机表面抗磨蚀处理方法形成的3000倍复合涂层SEM图片；

具体实施方式

HVOF技术是把喷涂材料以粉末状态注入高速喷射燃烧的火焰中，其喷射速度可达2000米/秒，一方面使粉末材料的颗粒加速运动，同时使粉末材料的颗粒达到半熔化状态从而将粉末材料紧密均匀地附着在被喷涂物体的表面上，与基材物理性结合在一起。

高速火焰喷涂（HVOF）技术的特点对于抵抗水轮机磨蚀破坏来说更为有利。因此，创新出超大型复杂空间扭曲面部件的涂层成型工艺进行HVOF喷涂，使涂层各向显微结构更均匀、致密，基材不发生任何变形、结合强度大于70MPa，表面硬度大于1100Ｈv，表面抗磨能力比0Cr13Ni4Mo高70倍以上，其抗汽蚀能力与0Cr13Ni4Mo相当。该复合涂层技术的成功应用有效地解决了我国各水电厂水轮机遭受到的严重磨蚀破坏问题。

一种水轮机表面处理方法，首先进行表面处理：

表面处理的具有步骤如下：

1.1】对水轮机过流组件表面进行除湿、干燥及除尘处理；

1.2】喷涂前检查：要求无裂纹，无腐蚀，无气孔、沙眼，无焊接加渣；

1.3】表面除脂除污：使用棕刚玉材料按照欧洲表面进行表面活化处理；

1.4】测量:对待喷部件按照图纸要求进行复测，并检查喷前表面糙度等指标：

其次喷涂涂层：采用高速火焰喷涂（HVOF）技术，针对不同运行工况、不同机型、不同流域砂质磨蚀破坏的水力机械过流部件进行个性化设计，选配组合以下不同的喷涂层级进行喷涂，使不同机型、不同运行工况和不同含沙流域下的水力机械过流部件的抗磨蚀涂层效果达到最佳的性能指标。

本发明提供四种实施例：

1、对碳素钢基体采用过渡层、功能层和保护层进行喷涂；

2、对异种钢焊接区如碳素钢和不锈钢焊接区采用底层、过渡层、功能层和保护层组合进行喷涂；

3、对马氏体不锈钢区采用功能层、保护层组合进行喷涂处理；

4、对汽蚀区采用过渡层、功能层和保护层进行喷涂。

下面分别就每一层的形成及作用做一介绍：

打底层：在被喷水轮机过流部件表面预处理达标后1-4小时内喷涂打底层：采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为高NiCr合金（Ni的含量在70%以上，为质量百分比），所述超音速火焰喷涂中所使用的喷枪喷射火焰速度为2000-2150m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪的移动速度为1.0-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.01-0.015mm；所述打底层粉末飞行速度500-600米/秒，打底层的厚度在0.05mm-0.15mm之间；打底层主要抗基材的电化学腐蚀，对异种钢焊接部件的喷涂尤其重要。

过渡层：在打底层表面或被喷涂组件的最上层表面喷涂过渡层：采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为NiCr合金中掺杂质量百分比为60-80％的CrC，所述超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度为2000-2150m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪的移动速度为0.8-1.6m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.001-0.018mm；过渡层喷涂材料飞行速度为450-550米/秒，过渡层的厚度在0.05mm-0.1mm之间；

使抗磨的硬度和防腐进行过渡的一种涂层，其特点是使底层与功能层都具有较好的亲和力，增强底层及功能层的粘接强度。

功能层：在过渡层表面被喷涂组件的最上层表面喷涂功能层：采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为CoCr加质量百分比为80-90%的WC，

超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.008-0.012mm，功能层喷涂材料的飞行速度为300-600米/秒，功能层的厚度在0.15mm-0.2mm之间；孔隙率低(气孔率可低于1%)，残余应力低，涂层硬度高，Co-WC涂层硬度（HV）可达1300主要起抗磨蚀作用，其硬度最高。该涂层厚度在0.15之间-0.2mm之间。

该涂层是利用高速燃气使粉末材料的颗粒达到半熔化状态且使粉末材料的颗粒加速运动，将熔化后的粉末材料紧密均匀地附着在被喷涂物体的表面上，与基材物理结合在一起，并采用多点微控调节技术控制基材温度低于100℃，使基材不发生任何变形。

主要起抗磨蚀作用，其硬度最高。

保护层：在功能层表面或被喷涂组件的最上层表面喷涂或刷涂保护层保护层为软性涂层或硬性涂层，其中软性涂层为高分子化合剂，硬性涂层为高抗腐蚀合金；

软性涂层的涂层工艺可采用无气喷涂或刷涂，无气喷涂或刷涂工艺单次的涂层厚度控制在0.05-0.1mm；

硬性涂层采用超音速火焰喷涂，超音速火焰喷涂中所使用的喷枪喷射的火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为23-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.025-0.030mm，高抗腐蚀合金粉末的飞行速度为500-600米/秒，保护层厚度在0.05mm-0.15mm之间。为了改善表面粗糙度、改变水力特性而专用的一种涂层，主要具备添堵空隙和抑制汽蚀发生的涂层。

本发明的基本原理：

水轮机过流部件遭受磨蚀破坏机理主要是泥沙冲蚀磨损和气蚀破坏以及它们之间的联合作用。根据L.Finnie的微切削理论，水轮机过流表面泥沙对涂层的冲蚀量可由下式表示： $V_d\≈\frac{{\mathrm{cM}}^2}{p}f\left(\mathrm{\α}\right)V^n$

式中：V_d--冲蚀量（kg/mm²）

M--流动沙粒质量（kg）；

α--冲蚀角；

V--沙粒速度（m/s）

p--金属材料的屈服应力。

上式表明，水轮机过流表面涂层材料所受到的冲蚀量与沙粒质量的平方以及与沙粒速度的n次方成正比，与沙粒相对金属表面的冲蚀角有关，涂层材料在低冲蚀角的冲蚀率达到峰值，随冲蚀角的增大，冲蚀率会逐渐下降。而材料的耐冲蚀性能取决于材料的屈服应力，因而可以推论材料的弹性模量越高，材料的抗冲蚀性能越好。水轮机在运行中还经常发生汽蚀现象，导致水轮机过流部件的汽蚀破坏。实验表明，水柱冲击过流部件表面时，接触冲击力由下式计算：

$T=\sqrt{{\mathrm{pEE}}_1/(E+E_1)}V$

式中：T--接触冲击力（N）；

E₁--水流弹性模量；

ρ--流体密度（kg/m³）

上式说明接触冲击力与冲击速度和过流部件涂层材料有关。材料的抗气蚀性能与材料硬度成正比。

含沙水流中运转的水轮机一般情况下是在汽蚀与泥沙磨损联合作用的破坏下，二者相互促进加速了水轮机的破坏程度。当含沙水流通过水轮机时，具有一定动能的沙粒若与水轮机表面发生碰撞就有可能产生磨损，但并不是说含沙水流通过水轮机就一定产生磨损。由上述公式可知，磨损的产生与沙粒的自身特性与水流的挟沙状况以及涂层材料特性都有紧密的联系。只有满足了磨损的条件既对某种材料而言，沙粒不但具有一定的动能而且还要具有一定的冲角，使沙粒的压入压强大于材料的弹性极限时才能发生。而某种因素的改变都将影响磨损的生成。如虽然水流的流速较大，沙粒的动能较大，但若沙粒的冲角很小，压入压强小于材料的弹性极限，就不会产生磨损。但若沙粒呈尖角形，当尖角与材料接触时，在同样的动能条件下，压入能量都集中在尖角上，使压入压强增高，从而使磨损发生。对某种材料而言，当沙粒粒径、冲角一定时，存在一临界流速，当水流速度大于该临界流速时发生磨损，小于该临界流速时，虽然沙粒不产生切削磨损，但长时间作用高速沙粒会对涂层表面的锤击导致涂层局部产生疲劳应力,产生疲劳破坏，因此，涂层材料的硬度、韧性、涂层与基材的粘接强度、喷涂至基材的温度等特性是抗磨蚀的关键指标。

Claims (1)

1.一种水轮机表面抗磨蚀处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】表面处理：

1.1】对水轮机过流组件表面进行除湿、干燥及除尘处理；

1.2】喷涂前检查；

1.3】表面除脂除污：使用棕刚玉材料进行表面活化处理；

1.4】测量：检查喷前表面糙度程度；

2】喷涂：

2.1】在被喷水轮机过流部件表面预处理达标后1-4小时内喷涂打底层：

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为高NiCr合金，所述超音速火焰喷涂中所使用的喷枪喷射火焰速度为2000-2150m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪的移动速度为1.0-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.01-0.015mm；所述打底层粉末飞行速度500-600米/秒，所述打底层的厚度在0.05mm-0.15mm之间；

2.2】在打底层表面喷涂过渡层：

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为NiCr合金中掺杂质量百分比为60-80％的CrC，所述超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度为2000-2150m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪的移动速度为0.8-1.6m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.001-0.018mm；所述过渡层喷涂材料飞行速度为450-550米/秒，所述过渡层的厚度在0.05mm-0.1mm之间；

2.3】在过渡层表面喷涂功能层：

采用超音速火焰喷涂，其中喷涂材料为CoCr加质量百分比为80-90％的WC，

所述超音速火焰喷涂中所用喷枪的喷射火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为20-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.008-0.012mm，所述功能层喷涂材料的飞行速度为300-600米/秒，所述功能层的厚度在0.15mm-0.2mm之间；

2.4】在功能层表面喷涂或刷涂保护层：

所述保护层为软性涂层或硬性涂层，其中软性涂层为高分子化合剂，硬性涂层为高抗腐蚀合金；

所述软性涂层的涂层工艺可采用无气喷涂或刷涂，所述无气喷涂或刷涂工艺单次的涂层厚度控制在0.05-0.1mm；

所述硬性涂层采用超音速火焰喷涂，超音速火焰喷涂中所使用的喷枪喷射的火焰速度大于2000m/s，喷枪到水轮机过流组件表面的距离为23-30cm，喷枪移动速度为0.5-1.5m/s，喷枪每次喷涂的涂层厚度为0.025-0.030mm，高抗腐蚀合金粉末的飞行速度为500-600米/秒，所述保护层厚度在0.05mm-0.15mm之间。