CN106011726A - 水轮机组过流部件用移动增材再制造系统及基于其的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水轮机组过流部件用移动增材再制造系统及基于其的修复方法，它包括工程车箱体以及安装在所述工程车箱体底部的多个车轮，所述工程车箱体内设置有用于对水轮机组过流部件进行清洗和喷砂的前处理区、与所述前处理区相邻设置用于对水轮机组过流部件进行喷涂和激光熔覆的再制造工作区、与所述再制造工作区相邻设置用于对喷涂和激光熔覆进行控制的制造控制区以及分别与所述前处理区和所述再制造工作区相连通用于回收砂粒和粉尘的回收区。通过在工程车箱体内设置对应功能的前处理区、再制造工作区、制造控制区和回收区等，能够实现对水轮机组过流部件的现场增材再制造修复。

Description

水轮机组过流部件用移动增材再制造系统及基于其的修复方法

技术领域

本发明涉及一种移动增材再制造系统，具体涉及一种水轮机组过流部件用移动增材再制造系统及基于其的修复方法。

背景技术

水电机组运行过程中，转轮、叶轮、导叶、座环、阀门、管道、喷嘴、水斗等重要过流部件不可避免地遭受高速水流空化而导致的空蚀破坏；而且我国水域河沙含量大，泥沙的冲蚀破坏也非常严重，两者对部件产生鳞坑、针孔、麻点、波纹、蜂窝等形态的破坏结果，甚至导致构件存在断裂的潜在风险，将致使水电机组发电效率降低，振动增加，严重地威胁水电站运行安全性。针对水电机组过流部件的空蚀、冲蚀问题，除了通过优化水轮机组设计、降低泥沙含量外，采用热喷涂、激光熔覆等增材再制造工艺，显著提升叶轮等部件的表面性能是一种有效的维护策略，实现对失效组件进行再制造加工，恢复其尺寸、形状，形成增材再制造的产品，进而提升性能并延长服役寿命。

然而，水电站位置较为偏僻，交通不便，水电机组部件重量巨大，上千吨的整体造成运输困难。现阶段，在水电部件修复尤其是现场修复领域，尚未有成套的现场解决方案及成熟的先进修复方案。电站的检修时间窗口紧张，国内水电机组具有巨大的现场增材再制造维修需求前景。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种水轮机组过流部件用移动增材再制造系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种水轮机组过流部件用移动增材再制造系统，它包括工程车箱体以及安装在所述工程车箱体底部的多个车轮，所述工程车箱体内设置有用于对水轮机组过流部件进行清洗和喷砂的前处理区、与所述前处理区相邻设置用于对水轮机组过流部件进行喷涂和激光熔覆的再制造工作区、与所述再制造工作区相邻设置用于对喷涂和激光熔覆进行控制的制造控制区以及分别与所述前处理区和所述再制造工作区相连通用于回收砂粒和粉尘的回收区。

优化地，它还包括与所述制造控制区相邻设置的无损检测区，所述无损检测区内安装有显微硬度计、涂层测厚仪和裂纹无损检测仪。

优化地，它还包括安装在所述工程车箱体底部用于支撑在地面上的液压腿。

优化地，所述前处理区内依次设置有清洗模块和喷砂模块。

优化地，所述再制造工作区内安装有轨道组件、与所述轨道组件相配合的机械手以及设置于所述轨道组件两侧的激光3D扫描组件，所述轨道组件上搭配有超音速火焰喷涂喷枪和激光熔覆喷枪；所述制造控制区还对所述激光3D扫描组件进行控制。

本发明的又一目的在于提供一种基于上述水轮机组过流部件用移动增材再制造系统的修复方法，它包括以下步骤：

（a）对水轮机组过流部件表面进行清洗，

（b）在所述水轮机组过流部件表面先熔覆形成不锈钢层，再喷涂形成合金涂层即可。

优化地，步骤（a）中，在对所述水轮机组过流部件表面进行清洗之前，先对其表面进行激光3D扫描，对应构建3D模型，确定缺陷尺寸，随后选择熔覆或/和喷涂的方案。

进一步地，步骤（b）中，熔覆形成所述不锈钢层后进行超声波及磁粉裂纹检测，并在缺陷处喷砂粗化。

进一步地，步骤（b）中，喷涂形成所述合金涂层后对其进行厚度、硬度和裂纹检测。

进一步地，步骤（a）中，采用醋酸异戊酯清洗构件缺陷部位油渍，采用低浓度盐酸溶解锈斑，最后用酒精清洁表面；步骤（b）中，所述砂粒的粒径为0.1~1mm。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明水轮机组过流部件用移动增材再制造系统，通过在工程车箱体内设置对应功能的前处理区、再制造工作区、制造控制区和回收区等，能够实现对水轮机组过流部件的现场增材再制造修复。

附图说明

图1为本发明水轮机组过流部件用移动增材再制造系统的结构示意图；

图2为基于本发明水轮机组过流部件用移动增材再制造系统的修复方法工艺图；

其中，1、工程车箱体；2、前处理区；21、清洗模块；22、喷砂模块；3、再制造工作区；31、机械手；32、超音速火焰喷涂喷枪；33、激光熔覆喷枪；34、轨道组件；35、激光3D扫描组件；4、制造控制区；5、无损检测区；51、显微硬度计；52、涂层测厚仪；53、裂纹无损检测仪；6、回收区；7、液压腿；8、车轮。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明。

实施例1

如图1所示的水轮机组过流部件用移动增材再制造系统，它包括工程车箱体1和多个车轮8，车轮8安装在工程车箱体1的底部。

在本实施例中，该工程车箱体1顶部开口，方便工件吊装；它的底部安装有四个液压腿7，以便在工作时稳定车身，其尺寸（长宽高）可以为9.6 m、2.5 m、2.4 m。工程车箱体1内设有前处理区2、再制造工作区3、制造控制区4、无损检测区5和回收区6等。前处理区2内依次设置有清洗模块21和喷砂模块22，分别用于对水轮机组过流部件进行清洗、喷砂粗化。再制造工作区3内安装有轨道组件34、与轨道组件34相配合的机械手31以及设置在轨道组件34两侧的激光3D扫描组件35，轨道组件34上搭配有超音速火焰喷涂喷枪32和激光熔覆喷枪33，以实现对水轮机组过流部件进行激光3D扫描、喷涂、激光熔覆；轨道组件34可以延伸至与无损检测区5（无损检测区5与制造控制区4相邻设置）和前处理区2处，这样机械手31能够将水轮机组过流部件在前处理区2、再制造工作区3和无损检测区5之间进行输送（通过现有的3D建模软件和机械手31控制软件，设计其在轨道组件34上的行走路径，并实现行走路径的可视化仿真；该区采取隔音措施，最大程度降低再制造工艺噪音的影响）。制造控制区4与再制造工作区3相邻设置，包括激光3D扫描控制系统、数据处理系统、超音速火焰喷涂控制系统及激光熔覆控制系统，分别用于对超音速火焰喷涂喷枪32、激光熔覆喷枪33和激光3D扫描组件35进行自动化控制；当然，可以根据实际需要增设对应的控制模块以实现对清洗模块21、喷砂模块22等的自动化控制。回收区6分别与前处理区2和再制造工作区3相连通，通过空气循环流体实现回收砂粒和粉尘。无损检测区5内安装有显微硬度计51、涂层测厚仪52和裂纹无损检测仪53，以实现对喷涂形成的合金涂层进行厚度、硬度和裂纹检测。

实施例2

某水电站导叶负压面产生大面积鱼鳞坑及边缘沟槽状缺陷，对其进行现场增材再制造，包括以下步骤（如图2所示）：

（a）先对水轮机组导叶的表面进行激光3D扫描，获得导叶和缺陷的数据，通过3D建模软件对扫描收集的数据进行处理，并与其图纸对比，构建导叶3D模型，确定缺陷尺寸（表面鱼鳞坑的平均直径约7 mm、深度可达5 mm；靠边处形成宽3~4 mm深度约10 mm长的沟槽）；将导叶3D模型生成切片stl文件，导入机械手程序，并生成修复行走路径（可以先在计算机上模拟行走路径，对修复过程进行仿真）。同时根据缺陷尺寸选择熔覆或/和喷涂的方案（当缺陷深度小于0.4 mm时，采用超音速火焰喷涂直接修复；当缺陷深度大于0.4 mm，采用激光熔覆工艺修复将缺陷深度降低至0.4 mm内，再采用超声波及磁粉探伤检测覆层内部及表层裂纹状况，喷砂粗化处理，并采用超音速火焰喷涂在表面喷涂抗蚀功能涂层。在本实施例中，鱼鳞坑明显大于0.4 mm，因此选择后一种方案）。采用醋酸异戊酯清洗构件缺陷部位油渍，采用低浓度盐酸（5-10 wt%）溶解锈斑，最后用酒精清洁表面。

（b）根据生成的行走路径使得导叶进行相应的操作：在水轮机组导叶表面缺陷处先熔覆（3kW半导体激光器、2×2mm²光斑、50~200 μm粒径的316L不锈钢粉末）形成不锈钢层以填充鱼鳞坑和沟槽至0.4 mm内；再采用超声波及磁粉探伤检不锈钢层内部及表层裂纹状况，确保不锈钢层合格后喷砂粗化处理（砂粒的粒径为0.1~1mm）；再用超音速火焰喷涂形成WC-CoCr合金涂层（丙烷流量 100 slpm、氢气流量15 slpm、空气压力0.9 MPa），进行厚度、硬度和裂纹检测，测得合金涂层厚度为0.36±0.02 mm，表面硬度为HRC72，超声波及磁粉法均未检测到裂纹。

实施例3

本实施例提供一种上述水轮机组导叶进行现场增材再制造的方法，其基本步骤与实施例2中的基本一致，不同的是，喷涂时的参数为：丙烷流量 120 slpm，氢气流量15 slpm，空气压力0.9 MPa，最终测得合金涂层厚度为0.36±0.02 mm，表面硬度为HRC75，超声波及磁粉法均未检测到裂纹。

实施例4

本实施例提供一种上述水轮机组导叶进行现场增材再制造的方法，其基本步骤与实施例2中的基本一致，不同的是，喷涂时的参数为：丙烷流量 140 slpm，氢气流量25 slpm，空气压力1.0 MPa，最终测得合金涂层厚度为0.36±0.02 mm，表面硬度为HRC78，超声波及磁粉法均未检测到裂纹。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水轮机组过流部件用移动增材再制造系统，它包括工程车箱体（1）以及安装在所述工程车箱体（1）底部的多个车轮（8），其特征在于：所述工程车箱体（1）内设置有用于对水轮机组过流部件进行清洗和喷砂的前处理区（2）、与所述前处理区（2）相邻设置用于对水轮机组过流部件进行喷涂和激光熔覆的再制造工作区（3）、与所述再制造工作区（3）相邻设置用于对喷涂和激光熔覆进行控制的制造控制区（4）以及分别与所述前处理区（2）和所述再制造工作区（3）相连通用于回收砂粒和粉尘的回收区（6）。

2.根据权利要求1所述的水轮机组过流部件用移动增材再制造系统，其特征在于：它还包括与所述制造控制区（4）相邻设置的无损检测区（5），所述无损检测区（5）内安装有显微硬度计（51）、涂层测厚仪（52）和裂纹无损检测仪（53）。

3.根据权利要求1所述的水轮机组过流部件用移动增材再制造系统，其特征在于：它还包括安装在所述工程车箱体（1）底部用于支撑在地面上的液压腿（7）。

4.根据权利要求1所述的水轮机组过流部件用移动增材再制造系统，其特征在于：所述前处理区（2）内依次设置有清洗模块（21）和喷砂模块（22）。

5.根据权利要求1所述的水轮机组过流部件用移动增材再制造系统，其特征在于：所述再制造工作区（3）内安装有轨道组件（34）、与所述轨道组件（34）相配合的机械手（31）以及设置于所述轨道组件（34）两侧的激光3D扫描组件（35），所述轨道组件（34）上搭配有超音速火焰喷涂喷枪（32）和激光熔覆喷枪（33）；所述制造控制区（4）还对所述激光3D扫描组件（35）进行控制。

6.一种基于权利要求1至5中任一所述水轮机组过流部件用移动增材再制造系统的修复方法，其特征在于，它包括以下步骤：

（a）对水轮机组过流部件表面进行清洗，

（b）在所述水轮机组过流部件表面先熔覆形成不锈钢层，再喷涂形成合金涂层即可。

7.根据权利要求6所述水轮机组过流部件用移动增材再制造系统的修复方法，其特征在于：步骤（a）中，在对所述水轮机组过流部件表面进行清洗之前，先对其表面进行激光3D扫描，对应构建3D模型，确定缺陷尺寸，随后选择熔覆或/和喷涂的方案。

8.根据权利要求7所述水轮机组过流部件用移动增材再制造系统的修复方法，其特征在于：步骤（b）中，熔覆形成所述不锈钢层后进行超声波及磁粉裂纹检测，并在缺陷处喷砂粗化。

9.根据权利要求8所述水轮机组过流部件用移动增材再制造系统的修复方法，其特征在于：步骤（b）中，喷涂形成所述合金涂层后对其进行厚度、硬度和裂纹检测。

10.根据权利要求8所述水轮机组过流部件用移动增材再制造系统的修复方法，其特征在于：步骤（a）中，采用醋酸异戊酯清洗构件缺陷部位油渍，采用低浓度盐酸溶解锈斑，最后用酒精清洁表面；步骤（b）中，所述砂粒的粒径为0.1~1mm。